大同市试验变压器有限公司

基于变压器的基因探讨折叠式开口铁心变压器抗

  最近一场针对配电变压器抗短路技术研讨会在沈阳变压器研究院召开,就目前配电变压器短路能力试验通过率低的现象,进行技术讨论及应对方案的交流。国网公司针对配变抗短路强度技术措施讨论会一轮又一轮,《提高10kV配电变压器承受短路的动稳定能力技术措施》也在业内传达。此前有业内人士称全国10kV配电变压器90%不合格。国网物资部2016年3月在京召开了关于提升配变抗短路强度问题的汇报会议。目的就是加强配电变压器抗短路能力的提升。EPTC变电专业技术委员会召开“非晶合金配电变压器短路能力提高措施研讨会”等等,在那么多密集的行业专题研讨会的背后,是一份份“国网公司关于供应商不良行为处理情况的通告”,在2017年配变专项质量监督随机抽检中,配电变压器短路能力承受试验不合格占据配变设备所有问题的绝对大多数,这一现象已经引起行业专家和电力部门高度重视,再加上湖南、广东等地配电变压器爆炸伤人事件,变压器抗突发短路问题已经不是一个简单的招标、抽检、处罚、警告、开会然后还是招标、抽检、处罚、警告、开会,最后不了了之的一次次循环。

  变压器抽检项以突发短路试验不合格为主,也有部分为空负载损耗不合格和局放不合格。突发短路试验为型式试验项目,破坏性试验,考验的是变压器设计、制造过程中线圈、铁芯及装配机械强度,配电变压器抗突发短路的能力,要全线产品达到通过抗突发短路试验的要求,对变压器生产设计、工艺以及企业应承担的制造成本是一个不小的难题。一方面需要面对市场竞争即本就不高的中标价格,另一方面还要面对来自各方面的制造成本(如:主要材料的价格上涨不定因素,尤其是中标后的价格上涨、劳动力成本上涨、运输成本上涨、财务成本上涨等等,2016年都经历过一次较大的成本上涨冲击)。

  难道配电变压器抗突发短路难吗?答案是否定的,那为什么频频出现突发短路的问题呢?变压器的基因有问题?变压器的制造成本问题?是变压器行业低价竞争有问题?还是技术更新问题?变压器行业正走在一个“好货没好价”“低价要好货”的尴尬境地。

  动物植物甚至所以生物都有基因,而我们常见的各种产品也有基因,变压器也不例外,配电变压器抗突发短路试验主要是考察线圈的机械力,因此对于线圈的防护是重中之重。而在各种变压器制造过程中,各种类型的铁心结构与材质的不同形成各种变压器的基因,而恰恰是这种自身基因决定了各种变压器在抗突发短路能力方面的优缺点,但是变压器自身的基因优劣并不代表市场的需求,因为基因以外还有一种更强大的外部因素叫“血统”。

  目前叠片式变压器铁心芯柱的截面设计为长圆形,上、下轭片的截面设计为D形的新型变压器用铁心。主要由芯柱及上轭片、下轭片组成,特点是芯柱的横截面从中间一层的叠片分别向上、下二面呈梯形递减,上轭片和下轭片的横截面从中间一层的叠片分别向上、下二面呈直角梯形递减。具有磁路短、空间利用率高的效果,同时有效地降低了铁心的重量,干式变压器温度控制器降低了空载损耗,降低了制造成本。因为截面为长圆形结构导致受力不够均匀、抗机械能力、抗突发短路能力弱,特别在折线段那部分有时在突发短路经常出现防护不到位或者受力不均匀,折线段出现较大的导线位移的偏差,导致阻抗超标,抗突发短路不合格。

  叠片式铁心变压器的基因是因为铁心采用平面结构及叠片工艺,存在三相磁路不平衡,局部磁通方向和硅钢片导磁方向不一致以及多处空气接缝等缺陷,制约了变压器能效水平的提升。由于设计结构的因素,使用材料比较浪费,在抗突发短路方面也次于立体卷铁心变压器。

  立体卷铁心为闭口结构,线圈需要在铁心上绕制,在线圈绕制过程中由于受到空间结构的限制,使得一些工艺保障措施无法实施,或者即便实施操作也比较困难,而且防护的不全面。对于小容量且低压为单根导线的线圈结构,操作时这些问题便已经显现出来;对于低压线根的产品,在线圈换位和升层时的防护,问题更是凸显无疑;在线圈绕制完毕后,铁心翻转起立,铁心和低压线圈内筒之间的间隙存在无法撑劲等问题;我们知道箔绕线圈的电气性能和抗短路能力均提高很多,低压线圈采用箔绕,无论是电气性能还是抗短路能力都会大大增强,若闭口结构大容量产品,采用箔绕结构会需要更为特殊的箔绕机,绕制过程非常复杂而且效率很低,很多工艺措施(如:铜排焊线的增加、箔张力紧实度的增强、箔的边缘防护等)无法得到保证。

  设计不能随原材料价格的变化而变动。因为设计一旦确定,绕制线圈的齿轮盘尺寸确定后,今后的设计如果要变动,也只能围绕已制成的齿轮盘的尺寸来变动,否则就要重新生产齿轮盘。需要的工装较多比如齿轮盘、铁心芯块,对同一种容量的变压器,有全铜,全铝,半铜半铝三种,齿轮盘也相应需要三种。干式变压器温度控制器铁心需要进行去应力退火,高能耗的退火过程既增加成本还不环保,铁心芯块是一大笔开销。

  所以立体卷铁心变压器的基因存在诸多缺点,设备投入无止境,退火工艺难掌握,大容量铁心加工难度大、线圈三相平衡难控制、节能变压器的制造过程中又在使用高能耗的退火设备,为节能而耗能何苦来哉?

  在配电变压器制造中,非晶合金铁心采用近似矩形的搭接式卷绕结构,成型的铁心内在应力非常大,磁特性被严重破坏,必须通过热处理退火才能消除这些应力。热处理退火工艺是非晶合金铁心整个制作过程中最关键也是最难控制的工序。非晶合金带材的损耗与合金材料表面受力有关,损耗会随受力的增大而迅速上升,非晶合金铁心受力后,变压器的空载损耗会增加50%-70%,因而,非晶合金铁心不能作为变压器的骨架,而采用绕组作为主支撑,铁心要悬挂在绕组上,绕组的压紧要另设框架,使铁心和绕组的受力互不相干,在铁心退火后装配、运输等过程中不能对铁心产生任何外力因素,否则,因其对应力的敏感性而产生空载损耗增大。

  非晶合金带材基因的韧性差、对应力的敏感性造成了非晶合金变压器的基因存在噪音大、脆性易产生脱落、掉渣现象,变压器制造过程中铁心装配、绕组套装过程中不能施压,铁心更不能受夹紧力从而很难实施抗突发短路所需要的很多措施,故而是基因造就非晶合金变压器抗突发短路的配电变压器中的重灾区。同时,非晶合金带材的基因也是造成变压器无法维修、铁心无法回收利用的根本原因。

  折叠式开口立体铁芯变压器将原有的传统叠铁芯变压器与闭口立体三角形卷铁芯变压器进行了完美融合,将闭口立体三角形变压器的每个铁芯单框分截断分离为上下两部分,每个部分的铁心是1片1叠,可多级接缝组合,既提高了铁心的机械强度,又降低了铁心的噪音和空载电流,同时多级一组插片提高了上铁轭的插片效率。

  1、折叠式开口立体铁心变压器三相平衡,具有完全对称的磁路,空载电流小,减少了三次谐波,噪音也大大降低;

  2、节电效果显著,可以轻松达到S13型变压器的标准,结构紧凑体积小,成本低,散热及过载能力强;

  3、硅钢带加工成梯形料带,采用套裁方法开料,开料时没有废料产生,不浪费材料。

  1、由于其开口结构的特点,其线圈可以单独绕制,使用传统绕线机就可以,不需要再引进新的绕线设备,而且其绕线工艺也比闭口式简单很多,绕制难度降低了很多;

  2、便于修理,原有的闭口立体卷铁心变压器必须有专用的绕线机和模具才能修理,修理难度很大,基本上需要返回原厂修理,而折叠式开口立体铁心变压器由于其结构特点,只需要将上铁轭拆掉按顺序排立,将线圈拔出来单独更换就可以,修理简单,不需要再返回原厂修理。

  3、生产大容量的变压器的难度降低,原有的闭口立体卷铁心变压器由于其必须在铁心上绕制线圈,当需要生产大容量变压器时,其铁心模具、铁心缠绕机及绕线机都需要特殊设计,而且对设备要求也非常高,实际生产变压器难度也非常大,所以只能做样机,不太适合于量产,不利于变压器产业化能力提升,而折叠式开口铁心变压器由于其线圈可单独绕制,且铁心生产也不需要模具,所以更适用于推广到大容量变压器生产制造中。

  4、生产过程中由于硅钢片只受到部分的剪切应力和折弯应力,所受的应力小,大容量可以忽略不计,可以不用退火,节省了购买退火炉,节约了退火电费,也有效达到节能降耗,免去退火过程对环境的破坏,大大降低了生产工艺及成本。

  因为开口结构的特殊形式,使得线圈可以单独绕制而且截面为圆形,圆形的承受力是最为均匀的,所以可以采取更加完善的工艺保障措施,抗突发短路的控制要点:

  1、设计,这是首道工序,在设计阻抗时,应尽可能的将阻抗值设计为正偏差,但不宜过大(短路试验之后,阻抗的变化量不超出成品的国标要求值),过大也会影响负载损耗,另外各种裕度设计最低。

  2、产品容量超过315kVA后,低压线圈可采用箔绕结构,箔绕结构的轴向力会影响很小;

  4、升层,端绝缘和临近匝务必绑扎牢固,同时与相邻几匝用收缩带穿插时叠压;

  7、低压线圈若为箔绕结构,需要在首、末端铜排与箔的焊接处,进行切割增加焊线根并绕,根据匝数,保证每半圈换一个位;

  11、内部撑紧:线圈绕制时务必按照图纸相关要求尺寸,而且层层紧实,特别要在低压线圈内部放置环氧衬筒(成型件,可增大机械力,厚度不可小于3mm),同时衬筒与铁心件的间隙用撑条打紧;

  12、上下压紧:尽量采用层压木,而且上下对其,并且在上下夹件设置加强板以保证机械力;

  13、外部裹紧:在高压线圈的最外层均匀放置一圈撑条并用无纬粘带打紧;线圈需要浸漆处理(一遍即可)。

  不管采用哪种方式来增加产品的抗短路能力,势必都会造成成本的增加以及生产效率的下降,若各个变压器厂家继续各自为战相互压价,其结果基本会非常危险,真正的产品是以品质取胜,变压器的基因基本上能够看得出在抗突发短路方面的问题所在,而国家电网、行业主管部门、专家学者在变压器新材料、新技术、新工艺推动的力度还可以有所建树,配电变压器产业化能力提升还有更广阔的空间。希望本文的拙见可以帮助配电变压器行业健康稳步发展,谢谢!(文/吴银川)

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