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摘 要：三维立体卷铁心变压器的性能参数要求、设计要点及工艺措施，经济效益分析
关键词：三维立体卷铁心，高过载能力，设计要点
1 背景
目前我国农网配电变压器全年绝大部分时间处于轻载运行状态，年平均负载率偏低，负荷用电主要为照明用电，用电负荷较小；但存在爆发性负荷较强，如春节、高温、农忙等时期，农村用电负荷急剧增长， 可达到1.5倍甚至2倍负荷，非常容易出现变压器过负荷烧损、电压偏低等情况影响供电质量。同样，在部分工业企业中也存在年平均负载率低、负荷峰谷差大且存在短时过载运行的情况。
我公司根据上述情况研制开发了三维立体卷铁心高过载变压器，该产品在确保基本用电容量的前提下，既保证了小负荷长期用电的节能优势，又兼顾短期过负荷用电的需求，是解决这一难题最理想的经济高效方案。
2 性能参数
2.1主要技術参数
三维立体卷铁心高过载变压器主要技术数据按照S13型变压器国家标准执行，并在设计和生产时控制在零偏差范围内。
2.2过载能力参数
在正常温升稳定的基础上，满足1.5倍额定容量6h（负荷上升和下降阶段各3h）、1.75倍额定容量3h（负荷上升和下降阶段各1.5h）、2.0倍额定容量1h阶段性连续运行，且不影响变压器正常使用寿命。
2.3 温升限值
三维立体卷铁心高过载配电变压器在满足过载曲线的基础上由普通变压器的A级耐热等级提高到F级水平。
3 设计思路及要点
3.1 三维立体卷铁心设计要点
变压器铁心采用三维立体卷铁心结构，先经专用曲线开料机裁剪成所需不等宽料带，在专用卷绕机卷绕时，料带向一边同步位移，进行非对称卷绕。铁心框截面呈30度倾斜角的半圆形，从而确保三个完全相同的单框拼合时，拼合面良好，成为三铁心柱横截面近似为圆的三维立体卷铁心。三相磁路完全对称等长，均为最短磁路，是三相变压器最完美的铁心结构。
卷铁心的导磁方向与硅钢带的轧制方向完全一致，无接缝，不存在高磁阻区，再经专用真空退火炉退火后，可消除因剪切、卷绕产生的机械应力，恢复优质硅钢片高导磁率的性能，噪音降低7-10dB，可满足电网节能环保要求。
3.2 绕组的设计要点
变压器绕组为圆筒式结构，导体用无氧铜杆连续挤压而成，保证了导体尺寸同时也保证电阻平衡；层间采用0.2mm厚度F级复合绝缘材料。低压绕组导线绝缘采用厚度0.45mm的F级复合绝缘材料，外绕半干无纬玻璃丝粘带和撑条帘；高压绕组直接绕在低压绕组上，采用F级QQ-2/155漆包线，外包无纬玻璃丝粘带，最外层包紧缩带，机械强度好、耐受短路能力强。
3.3 器身的设计要点
线圈成三角形对称分布，结构紧凑，空间分布合理，三角中心设中心垫块，紧固采用中心拉杆、相间拉杆和边角拉杆相配合的型式，中心垫块、相间垫块及圆弧形垫块三种压紧垫块均匀分布在线圈周围，与铁轭绝缘配合压紧线圈，压实面积大；三角形夹件强度大，三线圈受力均匀对称，垫块为电工层压木，介电系数高，强度大，确保线圈在承受过负荷及短路冲击时不变形。
3.4 油箱的设计要点
结合三维立体卷铁心变压器器身的结构特点，在满足各部件的安全电气距离、保证高低压走线方便美观的基础上，为节省空间，提高材料利用率，箱体采用六角形结构的全密封波纹油箱，三长边布置相应数量的波纹片。全密封波纹油箱保证了变压器油与空气完全隔绝，延长了变压器油的使用寿命，减少变压器的维护量，具有密封性能好、散热面积大等优点。
3.5提高抗短路能力的设计要点及关键工艺措施
抗短路能力是影响变压器稳定的重要指标，根据短路作用力方向分析，低压绕组承受内压力，用硬木撑条保证低压绕组与铁心间固定，线圈安匝平衡，抗短路冲击能力强，高压绕组绑扎无纬粘带，同时对首尾匝加强绝缘。由于绕组为圆形，其结构更加稳固，绕制更加顺畅和易控制质量，使型式试验和特殊试验顺利通过。
3.6 提高过载能力的关键技术要点及技术措施
3.6.1 在高低压线圈方面通过改良高、低压油道布置和数量，控制绕组的热点温度，降低绕组对油的温升；改进波纹片的布置和尺寸，增加油箱的散热面积，降低变压器油对外部空气的温升，保证高过载变压器的温升控制在温升限值以内。
3.6.2 变压器油、绕组及器身绝缘材料，按其不同部位的温度选用耐热等级为F级的绝缘材料。
3.6.3过载状态下与额定负荷运行状态时的温度分布是不同的，通过合理计算控制过负荷状态下变压器各部位的温升不超过温升限值
3.6.4控制变压器油、油箱等随温度变化引起的热膨胀、变形和强度等影响，辅以优质密封件，关键部位采用双密封结构，
3.6.5高过载变压器所有元器件、部件按其所在位置的温度，选用相应耐热等级为F级的材料。
4 结论
根据上述要点，设计生产了S13-M.RL（F）-200/10GZ三维立体卷铁心高过载配电变压器样机，已通过中国电力科学研究院的例行试验、型式试验、特殊试验（包括突发短路试验和过载能力试验）在内的全部试验。说明该设计完全满足标准及设计要求，证明了技术与工艺的可行性。
三维立体卷铁心高过载变压器在确保基本用电容量的前提下，既保证了小负荷长期用电的节能优势，又兼顾短期过负荷用电的需求，项目推动了变压器的技术创新步伐，符合“建设节约型社会”的基本国策。
参考文献
[1] 杨庆福，祁颖失，沈山林，陈荣勤.一种农网高过载配电变压器.变压器.2015（2）
[2] 周恒逸，毛柳明，齐飞，叶会生，赵邈，段旭金.新型农网高过载能力配变应用及经济运行性能.湖南电力.2015（2）
作者简介：
郭兴昌（1975-），男，山东淄博人，江西大族能源科技股份有限公司副总经理，主要从事变压器的研发、生产工作。
关键词：三维立体卷铁心，高过载能力，设计要点
1 背景
目前我国农网配电变压器全年绝大部分时间处于轻载运行状态，年平均负载率偏低，负荷用电主要为照明用电，用电负荷较小；但存在爆发性负荷较强，如春节、高温、农忙等时期，农村用电负荷急剧增长， 可达到1.5倍甚至2倍负荷，非常容易出现变压器过负荷烧损、电压偏低等情况影响供电质量。同样，在部分工业企业中也存在年平均负载率低、负荷峰谷差大且存在短时过载运行的情况。
我公司根据上述情况研制开发了三维立体卷铁心高过载变压器，该产品在确保基本用电容量的前提下，既保证了小负荷长期用电的节能优势，又兼顾短期过负荷用电的需求，是解决这一难题最理想的经济高效方案。
2 性能参数
2.1主要技術参数
三维立体卷铁心高过载变压器主要技术数据按照S13型变压器国家标准执行，并在设计和生产时控制在零偏差范围内。
2.2过载能力参数
在正常温升稳定的基础上，满足1.5倍额定容量6h（负荷上升和下降阶段各3h）、1.75倍额定容量3h（负荷上升和下降阶段各1.5h）、2.0倍额定容量1h阶段性连续运行，且不影响变压器正常使用寿命。
2.3 温升限值
三维立体卷铁心高过载配电变压器在满足过载曲线的基础上由普通变压器的A级耐热等级提高到F级水平。
3 设计思路及要点
3.1 三维立体卷铁心设计要点
变压器铁心采用三维立体卷铁心结构，先经专用曲线开料机裁剪成所需不等宽料带，在专用卷绕机卷绕时，料带向一边同步位移，进行非对称卷绕。铁心框截面呈30度倾斜角的半圆形，从而确保三个完全相同的单框拼合时，拼合面良好，成为三铁心柱横截面近似为圆的三维立体卷铁心。三相磁路完全对称等长，均为最短磁路，是三相变压器最完美的铁心结构。
卷铁心的导磁方向与硅钢带的轧制方向完全一致，无接缝，不存在高磁阻区，再经专用真空退火炉退火后，可消除因剪切、卷绕产生的机械应力，恢复优质硅钢片高导磁率的性能，噪音降低7-10dB，可满足电网节能环保要求。
3.2 绕组的设计要点
变压器绕组为圆筒式结构，导体用无氧铜杆连续挤压而成，保证了导体尺寸同时也保证电阻平衡；层间采用0.2mm厚度F级复合绝缘材料。低压绕组导线绝缘采用厚度0.45mm的F级复合绝缘材料，外绕半干无纬玻璃丝粘带和撑条帘；高压绕组直接绕在低压绕组上，采用F级QQ-2/155漆包线，外包无纬玻璃丝粘带，最外层包紧缩带，机械强度好、耐受短路能力强。
3.3 器身的设计要点
线圈成三角形对称分布，结构紧凑，空间分布合理，三角中心设中心垫块，紧固采用中心拉杆、相间拉杆和边角拉杆相配合的型式，中心垫块、相间垫块及圆弧形垫块三种压紧垫块均匀分布在线圈周围，与铁轭绝缘配合压紧线圈，压实面积大；三角形夹件强度大，三线圈受力均匀对称，垫块为电工层压木，介电系数高，强度大，确保线圈在承受过负荷及短路冲击时不变形。
3.4 油箱的设计要点
结合三维立体卷铁心变压器器身的结构特点，在满足各部件的安全电气距离、保证高低压走线方便美观的基础上，为节省空间，提高材料利用率，箱体采用六角形结构的全密封波纹油箱，三长边布置相应数量的波纹片。全密封波纹油箱保证了变压器油与空气完全隔绝，延长了变压器油的使用寿命，减少变压器的维护量，具有密封性能好、散热面积大等优点。
3.5提高抗短路能力的设计要点及关键工艺措施
抗短路能力是影响变压器稳定的重要指标，根据短路作用力方向分析，低压绕组承受内压力，用硬木撑条保证低压绕组与铁心间固定，线圈安匝平衡，抗短路冲击能力强，高压绕组绑扎无纬粘带，同时对首尾匝加强绝缘。由于绕组为圆形，其结构更加稳固，绕制更加顺畅和易控制质量，使型式试验和特殊试验顺利通过。
3.6 提高过载能力的关键技术要点及技术措施
3.6.1 在高低压线圈方面通过改良高、低压油道布置和数量，控制绕组的热点温度，降低绕组对油的温升；改进波纹片的布置和尺寸，增加油箱的散热面积，降低变压器油对外部空气的温升，保证高过载变压器的温升控制在温升限值以内。
3.6.2 变压器油、绕组及器身绝缘材料，按其不同部位的温度选用耐热等级为F级的绝缘材料。
3.6.3过载状态下与额定负荷运行状态时的温度分布是不同的，通过合理计算控制过负荷状态下变压器各部位的温升不超过温升限值
3.6.4控制变压器油、油箱等随温度变化引起的热膨胀、变形和强度等影响，辅以优质密封件，关键部位采用双密封结构，
3.6.5高过载变压器所有元器件、部件按其所在位置的温度，选用相应耐热等级为F级的材料。
4 结论
根据上述要点，设计生产了S13-M.RL（F）-200/10GZ三维立体卷铁心高过载配电变压器样机，已通过中国电力科学研究院的例行试验、型式试验、特殊试验（包括突发短路试验和过载能力试验）在内的全部试验。说明该设计完全满足标准及设计要求，证明了技术与工艺的可行性。
三维立体卷铁心高过载变压器在确保基本用电容量的前提下，既保证了小负荷长期用电的节能优势，又兼顾短期过负荷用电的需求，项目推动了变压器的技术创新步伐，符合“建设节约型社会”的基本国策。
参考文献
[1] 杨庆福，祁颖失，沈山林，陈荣勤.一种农网高过载配电变压器.变压器.2015（2）
[2] 周恒逸，毛柳明，齐飞，叶会生，赵邈，段旭金.新型农网高过载能力配变应用及经济运行性能.湖南电力.2015（2）
作者简介：
郭兴昌（1975-），男，山东淄博人，江西大族能源科技股份有限公司副总经理，主要从事变压器的研发、生产工作。