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冯文胜1，陆耀辉1，陆建军2
(1.广东省广电集团有限公司 广州供电分公司电力设备修造厂，广东 广州 510285；
2.佛山市旭华电力设备制造有限公司，广东 佛山 528000)
摘 要：介绍了S11系列卷铁心变压器和叠积式铁心变压器的结构特点，并根据各自的结构分析了其空载损耗、空载电流、承受短路的能力和过负载能力等性能。认为在抗短路能力和过负载能力方面，叠积式铁心变压器优于卷铁心变压器；对小容量变压器，卷铁心变压器具有成本优势，而对于大容量变压器，叠积式铁心变压器的制造成本低于卷铁心变压器。
关键词：变压器；卷铁心；叠积式铁心
节约能源和使用节能产品是我国的一项基本国策。从20世纪80年代开始，随着热轧硅钢片晶粒取向的冷轧硅钢片所取代，7型变压器逐步取代了较高能耗的变压器。至20世纪90年代末期，随着冷轧硅钢片材料性能的提高以及新技术、新结构、新工艺的应用，7型变压器也被视为高能耗产品，由9型变压器取而代之。
开发低损耗变压器的主要手段是采用新材料，应用新结构和新工艺，有发展前景的新材料之一是非晶合金［1］。除采用新材料外，变压器行业对铁心结构也进行了大量的研究和开发工作，各种结构的铁心不断涌现，出现了11型卷铁心变压器，它进一步降低了变压器的空载损耗，在2001年年初，由广东省广电集团有限公司广州供电分公司电力设备修造厂(以下简称“广州电力修造厂”)和佛山市旭华电力设备制造有限公司(以下简称“佛山旭华公司”)联合开发了S11系列叠积式铁心变压器。
本文将对S11系列卷铁心变压器和叠积式铁心变压器的性能进行分析、比较。
1叠积式铁心和卷铁心的结构
1.1叠积式铁心
叠积式铁心是将已纵向剪切成一定宽度的硅钢带，横剪成一定形状和尺寸的硅钢片，再将硅钢片叠积起来组成变压器铁心。为了充分发挥晶粒取向的硅钢片的优良性能，目前的铁心都采用全斜接缝结构(如图1(a)所示)，使磁通在铁心内的流通方向与硅钢片的晶粒取向一致。但铁心在叠积时，每一层都有一定数量的斜接缝，所以，铁心必须交错叠积才能组成一个整体。在铁心的接缝处，铁心磁通穿越相邻硅钢片形成闭合磁路，但接缝处局部的铁心损耗会增大。为了减少接缝对变压器损耗的影响，变压器接缝形式由二级接缝发展至三级或三级以上的接缝，这样能显著降低变压器的损耗，使目前的1 000kVA变压器铁心的附加损耗系数降低至1.10～1.13。
叠积式铁心接缝区损耗增加的原因主要是接缝区产生的磁通发生畸变。对小容量的变压器，接缝对空载损耗的影响较大；对较大容量的变压器，接缝对空载损耗的影响较小。
1.2卷铁心
卷铁心变压器的铁心是用硅钢带连续卷制而成，它最早应用于电子变压器，特别适用于单相变压器。采用晶粒取向的硅钢带卷制成的单相卷铁心，能保证磁通流通方向与硅钢带的晶粒取向一致，使材料的优良性能得到完全发挥，但在磁通的流通过程中，每一闭合磁通在1个闭合回路内至少穿越硅钢片1次。
将卷铁心技术推广到三相变压器，可制成三相三柱式变压器铁心，它由2个相同的内框和一个外框组成(如图1(b)所示)，由于每一铁心柱都是由2个不同的框柱组成，而变压器在运行时，每个铁心柱的磁通是不断变化的，所以也存在磁通仅在2个铁心柱之间流通，而在另一铁心柱内的磁通为零的情况。这样，一部分磁通会在不同的框之间穿越，或者在磁通为零的铁心柱内，2个框内会出现流通方向相反的磁通。无论出现哪种情况，都会增加铁心的空载损耗，因此，目前的三相三柱式卷铁心结构有一定的缺陷。
另外，根据硅钢片的特性，卷铁心必须经过退火处理，退火一方面增加了变压器的成本，另一方面退火质量对铁心的空载损耗影响较大，所以，应认真掌握退火工艺。
2叠积式铁心变压器和卷铁心变压器的结构特点
2.1叠积式铁心变压器
叠积式铁心变压器的铁心和线圈是分别制造的，铁心叠好后，将上铁轭拆除，然后套装铁轭绝缘和线圈，用撑条将内线圈和铁心柱撑紧，再插装上铁轭，完成器身装配。叠积式铁心变压器的结构具有下述特点：
a) 铁心的夹紧方向是铁心片的厚度方向，能很好地夹紧铁心；
b) 对双层圆筒式线圈，线圈的内层没有线圈骨架；
c) 由于在安装时拆掉了上铁轭，铁心柱和线圈之间可以很方便地用撑条撑紧；
d) 线圈是单独绕制的，绕制后线圈可以单独浸漆。
2.2卷铁心变压器
卷铁心变压器最早由日本的一些变压器厂家制造，但日本的卷铁心变压器制造工艺与我国不一样。日本的制造工艺是：在铁心卷制后，再切开一条缝，然后套装线圈。我国的卷铁心变压器的制造工艺为：将已退火的铁心成品放到卷铁心绕线机上绕线圈，绕线圈前，先将1个开成两边的线圈骨架装到铁心柱上，然后在线圈骨架上绕制线圈，绕完后，再装好夹铁，夹紧线圈，完成器身装配。其产品结构有以下特点：
a) 铁心的夹紧方向是硅钢片的宽度方向，不能沿硅钢片的厚度方向夹紧铁心，使整个铁心在结构上不够牢固，必须做铁心浸漆处理；
b) 内线圈的最内层一定要有线圈骨架，导致内线圈的最内层散热较差；
c) 在铁心柱与内线圈的相与相之间，没有撑条撑紧；
d) 由于线圈直接在铁心上绕制，线圈不能避开铁心单独浸漆。
3性能分析
3.1空载损耗
变压器的空载损耗是变压器的一个非常重要的经济指标，S11系列变压器的空载损耗比S9系列变压器平均下降30%以上。对用户而言，无论是S11系列卷铁心变压器，还是S11系列叠积式铁心变压器，其空载损耗的水平都是一样的。
在影响叠积式变压器空载损耗的因素中，除变压器结构和铁心材料外，还有铁心剪切毛刺和叠片的质量，而剪切毛刺和叠片质量对空载损耗的影响较小，为1%～3%，所以，除个别新设计的产品外，叠积式铁心一般不需做半成品的空载试验，也可以保证同种规格不同产品的损耗值很接近。
卷铁心的退火质量对卷铁心变压器空载损耗的影响很大。根据沈阳变压器研究所的试验结果，在不退火状态下做空载试验，卷铁心的空载损耗是基本损耗的5～7倍；如果退火质量不好，其空载损耗是基本损耗的15～2倍。退火质量对空载损耗的影响高达50%～100%，可能造成同种规格不同产品的损耗值偏差较大。从保证产品质量的角度考虑，应在退火后抽测卷铁心的空载损耗值。
3.2空载电流和噪声
在相同空载损耗的条件下，由于卷铁心变压器磁路无接缝，所以卷铁心变压器的空载电流和噪声比叠积式铁心变压器低。据了解，S11系列卷铁心变压器的空载电流比S9系列变压器的国家标准值下降60%以上，噪声比JB/T 10088—1999《6～220 kV级变压器声级》中的标准值下降30%以上。
对叠积式铁心，从广州电力修造厂和佛山旭华公司联合设计的S11-1000/10型和S11-400/10型叠积式铁心变压器样机的试验结果来看，其实测的空载电流比S9系列变压器的国家标准值降低65%以上。因此，虽然理论上卷铁心变压器的空载电流比叠积式铁心变压器小，但如果叠积式铁心变压器设计合理，工艺保证，那么两者的实际区别不会很大。
3.3承受短路的能力
变压器承受短路的能力是影响变压器可靠性的一个重要指标。变压器承受的短路力主要有线圈幅向力和线圈轴向力，线圈幅向力使内线圈承受向内的挤压力，使外线圈承受向外的拉伸力。对卷铁心变压器来说，由于内线圈与铁心之间没有撑条撑紧，当变压器短路时，小容量的变压器短路力较小，内线圈本身可以承受短路力；但当变压器容量较大时，短路力较大，内线圈本身和线圈骨架承受不了短路力，容易导致内线圈变形，使变压器损坏。所以，卷铁心变压器(尤其是容量大的变压器)承受短路的能力较差。对叠积式变压器来说，由于内线圈与铁心柱之间有撑条撑紧，线圈幅向的机械性能很好，所以承受短路的能力强。此外，在承受幅向短路力方面，广州电力修造厂和佛山旭华公司联合开发的产品都采用了低轴向短路力结构和高可靠性压紧结构，使变压器具有很强的承受短路的能力，4台样机都一次性通过了国家变压器质量监督检验中心的突发短路试验的考核。
在送至国家变压器质量监督检验中心试验的卷铁心变压器中，绝大多数都是容量为400 kVA及以下的变压器，到2001年5月止，还没有一台容量为1 000 kVA及以上的卷铁心变压器通过国家变压器质量监督检验中心的短路试验的考核，较大容量的卷铁心变压器能否承受突发短路还需要进一步验证。
3.4过负载能力
卷铁心变压器的内线圈有线圈骨架，该骨架较厚，如图2所示，线圈热量不能通过线圈骨架散发出来，对S11500/10型变压器及容量更小的变压器，其内线圈为双层圆筒形，内线圈的内层和外层在单位面积上的发热量相等，但内线圈的内层只有一面散热，而外层有两面散热，使内线圈的温升比平均温升高很多。例如，若测量出变压器内线圈对油的平均温升为23 K，则可推算出卷铁心变压器内线圈内层对油的温升可达31～32 K。
叠积式铁心变压器的内线圈与铁心柱之间的纸筒较薄，该层纸筒散热效果较好，内层与外层之间温度差较小，若测量出内线圈对油的平均温升为23 K，则可推算出叠积式铁心内线圈内层对油的平均温升为26 K。
所以，对于卷铁心变压器和叠积式铁心变压器，即使2种变压器的温升试验数据完全一样，但由于卷铁心变压器的最热点温升比叠积式铁心变压器高出很多，使卷铁心变压器的实际过负载能力比叠积式铁心变压器弱很多。在相同负载条件下，根据六度法则，上例中的叠积式铁心变压器的使用寿命比卷铁心变压器使用寿命约长一倍。
4成本分析
目前，一些卷铁心变压器生产厂家在推销自己的产品时，都比较强调S11系列卷铁心变压器的材料消耗较少，质量较轻，而忽略了制造成本。现在很多厂家生产的S11系列卷铁心变压器，都是采用厚度为0.23～0.27 mm的硅钢片，而生产S9系列叠积式铁心变压器常采用厚度为0.30 mm的硅钢片，2种铁心材料的基本损耗不一样，可比性并不强。用相同材料(例如30Q130材料)设计S11系列变压器时，在保证完全退火的条件下，卷铁心变压器的铁心附加损耗系数的取值应不低于1.05；对于叠积式铁心变压器的铁心附加损耗系数，50～100 kVA变压器取125左右，160～250 kVA变压器常取1.2，315～500 kVA变压器常取1.17，630 kVA及以上容量的变压器则取1.13。
从铁心附加损耗系数看，在空载损耗相同的条件下，制造卷铁心变压器的材料消耗比叠积式铁心变压器少，但在卷铁心制造过程中，需要经过退火处理，使卷铁心的制造成本增加，此外，在生产较大容量的变压器时，线圈需要浸漆(若不浸漆，其承受短路的能力更弱)，而线圈浸漆时，必须在线圈烘干后和铁心一起整体浸漆，再整体烘干，进一步增加了变压器的制造成本。而制造叠积式铁心的过程中需冲V口，使铁心材料的损耗增加4%～5%，这是叠积式铁心的不足之处。综合比较以上各种因素，笔者认为，若按常规方法设计制造S11系列叠积式铁心变压器，其成本比卷铁心变压器高。但广州电力修造厂和佛山旭华公司联合开发的S11系列叠积式铁心变压器采用了特殊的设计方法和制造工艺，可以降低变压器的空载损耗。广州电力修造厂和佛山旭华公司生产的S11系列变压器，若使用同型号的材料，对于容量为630 kVA及以上的变压器，叠积式铁心变压器的材料消耗与卷铁心变压器相当，其制造成本还会略低于卷铁心变压器；对于315～500 kVA变压器，叠积式铁心变压器的制造成本与卷铁心变压器相当；但对容量为250 kVA及以下的变压器，卷铁心变压器的制造成本要低于叠积式铁心变压器。
在维修方面，叠积式铁心变压器要比卷铁心变压器方便。对三相三柱式卷铁心而言，磁通可能会在框与框之间穿越，是否会引起铁心的局部过热，还需经运行验证。而叠积式铁心变压器由于使用时间长，运行经验丰富，使用时不会出现不可预见的技术问题。
5结论
a) 在变压器的运行噪声方面，卷铁心变压器要优于叠积式铁心变压器；
b) 在影响产品运行可靠性的抗短路能力方面，叠积式铁心变压器比卷铁心变压器强；
c) 在过负载能力方面，叠积式铁心变压器比卷铁心变压器强；
d) 在S11系列变压器制造成本方面，对小容量变压器，采用卷铁心结构具有成本优势，容量越小，此优势越明显；而对较大容量的变压器，叠积式铁心变压器具有一定的成本优势；
e) 从技术及经济角度分析，单相变压器和小容量的三相变压器宜采用卷铁心变压器，而对中型及以上容量的变压器，为了保证变压器的抗短路能力和过负荷能力，宜选用叠积式铁心变压器。
总的来说，卷铁心变压器的铁心有其固有的特点，但在产品结构和工艺方面，还有待进一步改进和完善，以提高变压器的可靠性。目前，设计先进的较大容量S11系列叠积式铁心变压器，由于产品成熟，可靠性高，在市场上具有较强的竞争力。
参考文献
［1］冯文胜.非晶合金变压器的发展前景探讨［J］.广东电力，2001，14(3)：8—11.
［2］张国兵.三相变压器铁心结构分析［J］.变压器, 2001，38(7)：23—25.
［3］郭振岩.在全国新型变压器产品研讨会上的讲话［J］.变压器行业通讯，2001(8)：1—9.
［4］陆建军.计算铁心附加损耗系数的公式推导及验证［J］.变压器, 1997，34(5)：15—18.
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