10kV S11系列低損耗節能變壓器技術參數
高壓：10(6、6.3、10、10.5、11) 低壓：0.4kV 聯結組：Y.yno 或 D.yn11 調壓範圍：±5%或±2×2.5%
S9系列10kV配電變壓器技術參數
低損耗卷鐵芯變壓器
摘要：該文詳細分析了卷鐵芯變壓器的結構，重點介紹了三角形卷鐵芯變壓器，說明其節能、防盜、低噪音和抗短路能力強的特點，並就推廣應用的經濟性加以研討。
關鍵詞：卷鐵芯；變壓器；結構；性能；經濟性
積極推廣低損耗的配電變壓器，對節能降耗，降低線損率，提高電網運行的經濟性具有重要意義。我國1997年開始全面推廣S9系列變壓器，取代S7系列老產品，取得了顯著的節能效果。近幾年，S11型平面卷鐵芯變壓器得到廣泛應用，實踐證明其節能、環保效果顯著。
S11型平面卷鐵芯變壓器與平面疊鐵芯變壓器相比外形結構沒有變化，仍不是最佳的結構形式。在其基礎上開發的三角形立體卷鐵芯變壓器實現三相磁路完全對稱，所以空載性能更優良，抗短路能力更強，體積小是最新一代節能產品。
1 平面卷鐵芯變壓器
1.1 優點
鐵芯是由專用的設備將硅鋼片從窄到寬的各級連續卷制而成，並經過退火處理。
採用完全退火工藝，能徹底消除機械加工中產生的內應力，徹底恢復晶格原形，改善材料的電磁性能，使硅鋼片原有導磁性能得到恢復，使磁路各處均無高磁阻存在。
封閉的鐵芯框沒有疊鐵芯的空氣氣隙，能充分發揮硅鋼片的晶粒取向性，所以使得變壓器空載性能比疊鐵芯優越很多，且噪音降低。S11型平面卷鐵芯變壓器較S9疊鐵芯變壓器空載電流下降80%，空載損耗可降低30%，噪音下降10dB左右。
參數相同的情況下，卷鐵芯沒有多餘的角部重量和橫剪時“V”口廢料，比疊鐵芯節約材料5%以上。
生產機械化程度高，不需要橫剪、人工疊片、拆插鐵軛等手工操作，質量易控制。
1.2 結構缺陷
無論是卷鐵芯還是疊鐵芯的平面形變壓器，三相磁路中A-C相之間的耦合磁路，顯然要比A-B相、B-C相的磁路長1/3～1/2（見圖1），使得A-C相的磁阻較大，A、C的相電壓會降低，影響三相電壓的平衡。這種磁迴路上的不平衡對於平面形變壓器來說是無法克服的結構缺陷。
圖1 平面形鐵芯結構
2 三角形卷鐵平面形鐵芯變壓器
變壓器發明不久，人們就認識到能實現三相磁路完全對稱的結構才是“最理想的變壓器結構”。只是因為技術發展水平所限，這一理想結構一直沒能形成工業化生產。
隨著卷鐵芯技術工藝的不斷成熟，我門考慮三相等長磁路的幾何方框特點，把平面形卷鐵芯的內外框改成窗口尺寸與內框相同的三隻相同框，每框的截面仍為半圓形的，關鍵是截面上的直徑與心柱中心連線的夾角由90°扭轉成30°（見圖2），三框拼合在一起，就成為對稱的立體三角形卷鐵芯結構，實現三相磁路完全對稱等長。這樣的截面形式，要是通過手工疊制很難形成工業化生產。
圖2 三角形鐵芯及單框
2.1 三角形鐵芯的優點
鐵芯繞制緊密，有平面形卷鐵芯的所有優點。
AC相間鐵軛部分縮短，實現三相磁路完全對稱等長，且節材效果明顯。
三框獨立卷制、退火和拼裝。體積減小、操作輕便，省工省時。
拼合的兩框中間塗以專用膠，粘接牢固後的剪切強度≥20MPa，保證三框成一體不產生相互位移，增加機械強度和抗短路能力，噪音更低。通過權威部門檢測S11-M.RL- 200 kVA變壓器只有36.4dB，而國標要求為≤54dB。
2.2 器身抗短路能力強
器身結構決定了它抗短路能力比平面形變壓器好，原因如下。
三相受力均勻對稱。這主要體現在B相，平面形變壓器的夾件和壓緊墊塊主要在鐵芯兩側佈置，鐵軛下B相線圈的大部分端面不能被很好地壓緊，受力情況較A、C相差。這也是配電變壓器二次側突發短路事故中，往往B相線圈損壞最重的原因。而三角形卷鐵芯變壓器的器身裝配，框件和墊塊分佈在器身周圍，中央用三角形鐵壓板壓緊墊塊，三相受力情況對稱相同（圖3）。
圖3 三角形與平面器身佈置比較
線圈被壓面積增加三角形卷鐵芯鐵軛為半圓形傾斜30度，厚度為芯柱直徑的0.75倍，線圈端部露出面積增大，使壓緊墊塊能更方便的沿圓周均勻分佈。以315kVA的鐵芯直徑為例，三角形佈置線圈被壓的面積比平面形佈置線圈被壓面積增加 15.7 % 。
框架強度好三角形變壓器的夾件為三角形框架結構，焊接成一體，由於三角形的穩定性，所以整體強度大，使三相受力一致。
3 S11變壓器應用三角形卷鐵芯的效果
3.1 節能
變壓器的空載損耗是隻要通電就會發生損耗。該損耗的降低，對供用電部門來說就是降低了成本，對國家來說就是節約了能耗。
S11變壓器與S9變壓器相比：
空載電流平均下降80%，可以降低電網無功損失，改善電網供電質量；
空載損耗平均下降30%，以315kVA變壓器為例，其空載損耗分別為0.68kW和0.48kW，變壓器全年實際運行時間按8600小時計算，則10年少損失電量為10×8600×（0.68-0.48）=17200 kWh。以一箇中等城市5000臺 315kVA配電變壓器計算，可節約 86GWh，節能效果非常顯著。
3.2 防盜
疊鐵芯變壓器由於技術上的原因而易於失竊。拆開器身的緊固件，將變壓器的硅鋼片敲落，此時變壓器的3個繞組與硅鋼片當即分離，就可以輕而易舉地將硅鋼片、線圈等有價值的材料竊取運走。
由於卷鐵芯變壓器的鐵芯是一個整體，鐵芯敲不散，線圈取不下來。把整體鐵芯和線圈搬走，也是相當困難的，因為1臺100 kVA的變壓器重量為400kg，200kVA的變壓器重量為650kg。不容易將硅鋼片、銅線等有使用價值的物件分離。所以，卷鐵芯變壓器具有較好的防盜性。
3.3 節省材料
三角形卷鐵芯AC相間磁路在鐵軛部分較平面形鐵芯縮短1/2，而軛的面積是每相柱截面的1/2，在鐵芯的直徑、窗口等參數相同的情況下，與平面形卷鐵芯相比鐵軛部分的重量減輕1/4。鐵軛與芯柱的重量比一般為2∶3，所以鐵芯的總重量理論上應減輕約10%，如設計時適當提高三角形卷鐵芯的磁通密度，使鐵芯的單位重量損耗提高，這樣空載損耗達到與平面形卷鐵芯相同。而線圈匝數與磁通流量成反比，提高鐵芯的磁通流量，就可以減少導線匝數，節約銅線的重量，使整臺變壓器的成本進一步降低。
以10kV、315kVA變壓器為例，對S9疊鐵芯、S11平面卷鐵芯、S11立體卷鐵芯變壓器的性能、材料進行對比列入表1。三角形S11-M.RL-315/10與平面S11-M.R-315/10相比較，鐵芯重量下降 15.6%，銅材重量下降9.7%，總重下降11.9%。可見，S11立體三角形變壓器成本降低明顯，節材效果顯著。
4 結束語
通過近幾年的掛網運行，S11卷鐵芯變壓器運行狀況良好，證明其技術工藝已經成熟，尤其是S11三角形卷鐵芯變壓器節材、節能、環保和抗短路能力等效果突出。可以預期，積極推廣使用低損耗卷鐵芯變壓器是城鄉配電網發展的技術方向，前景廣闊。
表1 10kV 315kVA變壓器三種型號對比表
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