1 立體卷鐵芯發展 1.1 國內外立體卷鐵芯發展歷程 20世紀90年代，我國部分廠家已在研發生產立體結構的變壓器，2002年起已有產品進行銷售，但一直未能大規模推廣應用，主要是市場關注度不夠，使企業研發投入少，生產設備落后，產品單一且容量小、應用領域窄。因此，立體卷鐵芯技術發展不夠成熟。 1.2 立體卷鐵芯節能技術研發歷程 節能節材高效立體卷鐵芯變壓器是在平面卷鐵芯變壓器結構基礎上進行特殊設計發展起來的。將平面形卷鐵芯的內外框改成窗口尺寸與內框相同的三只相同單框，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。 2 立體卷鐵芯技術特點 鐵芯的磁導體是能量轉化的媒體，立體卷鐵芯是一種突破傳統平面結構的變壓器鐵芯，是三個由若干根梯形料帶依次連續卷繞而成的鐵芯單框拼合而成，呈三相對稱立體式結構。與傳統變壓器鐵芯相比，具有三相平衡、省材、空載損耗低、空載電流低、抗短路能力強、噪聲低、電場磁場低等特點[1]。 2.1 三相平衡 由于疊鐵芯及平面卷鐵芯變壓器的三個芯柱呈平面排列，造成中間芯柱的磁路長度最短，兩個邊柱的磁路較長，二邊柱平均磁路長度比中柱平均磁路長20%以上，從而造成中柱損耗最低，兩個邊柱損耗較大，造成三相不平衡。 立體卷鐵芯的三個芯柱磁路長度完全一致且最短，三個芯柱損耗一致，因而三相平衡。 2.2 省材 （1）鐵芯材料節省 立體卷鐵芯不同尺寸的梯形料帶由專用曲線開料機進行套裁加工得到， 材料利用率可接近100%[2]，是接近零廢料的一種加工工藝。在相同材質、鐵芯有效面積、窗高、窗寬等參數情況下，相同性能的立體卷鐵芯變壓器與平面疊鐵芯變壓器比較如下： 1) 三角形卷鐵芯AC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，所以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應減輕約10%。 2) 卷鐵芯沒有多余的角部重量，又比平面疊鐵芯輕約5%。 3) 鐵芯材料裁剪利用率比疊鐵芯高5%。 4) 合計立體三角形卷鐵芯比疊鐵芯節省硅鋼片累計約20%及以上。 （2）電磁線節省 立體三角形卷鐵芯芯柱橫截面呈準多邊形，截面填充系數可達0.95~0.96，而疊鐵芯的芯柱橫截面呈階梯形，截面填充系數為0.89~0.925，故在相同橫截面積情況下，立體卷鐵芯繞組平均匝長短，即可節省導線銅材約8%。 2.3 空載損耗低 由空載損耗計算公式P0 =K0 ×G×Pt [3]， 式中， Pt是鐵芯單位重量損耗，由磁通密度B決定；K0是工藝系數；G是鐵芯總重量。 由公式可知，變壓器空載損耗與鐵芯總量及工藝系數成正比。因立體卷鐵芯重量比疊片鐵芯減少20%以上，因此空載損耗也大大降低。 結論：立體卷鐵芯結構主要從降低鐵芯重量和空載損耗工藝系數二方面實現降低變壓器空載損耗[4]。 2.4 空載電流低 空載電流小可降低變壓器損耗、提高功率因數、減少無功補償設備容量，大大降低供電網損。 疊鐵芯變壓器鐵芯疊裝都要有接縫，硅鋼片接縫處形成磁路中的空氣隙是高磁阻磁通飽和區，能量損耗集中在這里。疊鐵芯的磁通方向在經過多個角部時，增大了磁阻，產生的損耗大，使疊鐵芯空載電流增大。 立體三角形卷鐵芯變壓器鐵芯無接縫，沒有因接縫處形成的空氣隙帶來的損耗，立體卷鐵芯三相磁路完全相等，磁通方向與硅鋼片晶粒取向完全一致，大幅度地降低了空載電流。 2.5 抗短路能力強 變壓器抗短路能力的提升對電網安全、穩定運行十分重要。立體卷鐵芯變壓器夾件為三角形框架結構，焊接成一體，應用三角形的結構穩定性，提高整體強度、不易變形。 立體三角形卷鐵芯結構變壓器夾件對線圈的壓持面積比平面形布置線圈被壓面積增加16%，受短路電動力作用時，線圈圓周上各點受力均勻，因此極大地增強了抗短路能力。 2.6 噪聲低、電場磁場低 變壓器噪聲是運行時的固有特性。疊鐵芯硅鋼片之間工藝實現不易緊密，工作時在電磁力作用下，產生振動，噪聲較大。立體三角形卷鐵芯是由幾種規格梯形料帶依次卷繞而成，硅鋼帶之間較為緊密，硅鋼帶導磁方向與鐵芯磁路方向完全一致，工作時振動小，可以解決疊鐵芯因磁路不連貫而發出的噪音，一般可比疊鐵芯變壓器降低10dB~25dB，基本達到靜音狀態，使噪音降低到最低限度。立體卷鐵芯緊湊、對稱的線圈結構大大降低了變壓器周圍的雜散磁場。 3 經濟性分析 以非晶合金立體卷鐵芯油浸式變壓器為例，分析立體卷鐵芯變壓器的經濟性。 3.1 產品性能參數對比分析 立體卷鐵芯節能產品應用遍及電力、配電網系統和各種特殊應用領域，如光伏發電、核電、風電等領域。 一級能效產品S(B)H16非晶合金立體卷鐵芯油浸式變壓器與S11系列同容量變壓器相比，空載損耗平均下降64%，負載損耗平均下降10%，空載電流平均下降89%。 3.2 年運行成本計算 立體卷鐵芯系列產品的優越性得到了中國南方電網公司的高度關注。2013年1月，海鴻公司受邀參加亞太經合組織舉辦的2013國際能效變壓器論壇，向世界各國展示了中國立體卷鐵芯技術的發展和節能效益，讓立體卷鐵芯技術在國際推廣上又邁進一大步。 只要變壓器投入運行就會產生空載損耗和負載損耗。因此，引入“變壓器全年運行成本”這個參數，可反映出變壓器運行一年所消耗的電費。 主要參數說明： （1）KQ參照GB/T 13462-2008 《電力變壓器經濟運行》，發電廠母線直配為0.04，二次電壓為0.07，現選取0.05計算； （2）Hpy根據DL/T 985-2012 《配電變壓器能效技術經濟評價導則》，選取8760h（24×365）； （3）τ按DL/T 985-2012 《配電變壓器能效技術經濟評價導則》規定，企業最大負載利用小時數為5519h； （4）β0變壓器初始年高峰負載率取值為100%； （5）E取電用時段（高峰、低谷、平段）的平均值，以0.73（元/kWh）。 經計算，與S11-M-630/10疊鐵芯變壓器比較，一級能效產品S-M?RL-630/10-NX1立體卷鐵芯油浸式變壓器的回收期約為1.3年，以變壓器使用壽命一般可達20年。由此可得，立體卷鐵芯比傳統疊鐵芯更具經濟優勢，值得市場關注。 另外，一級能效產品S(B)H16非晶合金立體卷鐵芯油浸式變壓器與S11系列同容量變壓器相比，年運行成本平均下降27%。油浸式非晶合金立體卷鐵芯變壓器空載損耗和空載電流大大降低，節能節材，年運行成本也大幅度降低，經濟性優越，符合節能減排政策，值得大力推廣。 4 立體卷鐵芯節能技術應用 立體卷鐵芯節能產品應用遍及電力、配電網系統和各種特殊應用領域，如光伏發電、核電、風電等領域。 4.1 高效節能配電變壓器推廣 立體卷鐵芯系列產品的優越性得到了中國南方電網公司的高度關注。2013年1月，海鴻公司受邀參加亞太經合組織舉辦的2013國際能效變壓器論壇，向世界各國展示了中國立體卷鐵芯技術的發展和節能效益，讓立體卷鐵芯技術在國際推廣上又邁進一大步。 4.2 立體卷鐵芯應用于非晶合金變壓器 2012年世界首臺非晶合金立體卷鐵芯油浸式變壓器研發成功。它是將非晶材料的節能優勢和立體卷鐵芯的結構優勢相結合，將兩者的節能特點發揮至最大。 非晶合金立體卷鐵芯變壓器與平面式非晶合金變壓器相比，主要材料用量節省。通過表2可以看出：銅用量節省12.2%，非晶合金材料用量節省7.9%。 非晶合金立體卷鐵芯油浸式變壓器的空載損耗很低，具有很好的節能效果，推廣非晶合金立體卷鐵芯變壓器既可為國家節約大量能源，又能取得顯著的環保效益，值得大力推廣。 4.3 立體卷鐵芯技術應用于110kV領域 目前開發出的110kV電壓等級立體卷鐵芯油浸式電力變壓器屬國際空白產品。將立體卷鐵芯技術應用到110kV電力變壓器，與傳統型變壓器相比，節能節材空間更大。解決了平面疊鐵芯110kV油浸式電力變壓器能耗高、噪音大、體積大的缺點，適合城市變電站應用，是新型節能、環保型產品。為加快實現節能減排目標，海鴻公司成功研發出20000kVA 110kV電壓等級的立體卷鐵芯變壓器。 4.4 立體卷鐵芯應用于清潔能源領域 光伏和風力發電系統對變壓器應用的耐氣候性、抗短路能力、抗諧波能力有更高要求。立體卷鐵芯變壓器與傳統變壓器相比具有諸多優勢，十分適用于防止變壓器抗短路能力弱或因故障引起的光伏發電、風力發電設備損壞。 5 結論 目前立體三角形卷鐵芯技術愈趨成熟，工藝日趨完善。產品從設計到生產，已經較為成熟和形成規范。海鴻公司積極響應國家節能減排號召，將立體卷鐵芯節能技術運用到相關領域，不斷研究開發節能新產品。 立體三角形卷鐵芯變壓器，作為新型節能型變壓器產品，擁有性能、生產成本、使用經濟性等多方面優勢，與傳統變壓器相比有很大競爭優勢，發展前景廣闊。
