一、综述

众所周知，电力变压器是电力网中输送电能的主要电气设备，但同时其自身也是耗能大户。

变压器的总损耗主要由空载损耗和负载损耗组成，要占到系统发电量的10%左右，按2014年全国发电量5.4万亿千瓦时测算，每降低变压器1%的损耗，全年即可减少近60亿度电的电能损失。从变压器的损耗评价值看，空载损耗评价值要达到负载损耗评价值的2~3倍，因此，降低变压器空载损耗，加快节能型变压器的研制工作，在当前推进建设节约型社会，实现能源消费和能源生产革命，保障我国长久能源安全的国策背景下，意义重大。

  我国政府和变压器制造业及原材料制造业，对产品节能工作一直是较为重视的。上世纪80年代中期，就在全国范围内强制性的以S7型系列低损耗配电变压器淘汰了还在电网运行的按JB1300-73和JB500-64彼岸准制造的高能耗配电变压器。从1998年开始，实行两网改造，以S9型系列配电变压器取代S7型系列配电变压器。这两次大规模的更新换代，产品空载损耗约降低8%~15%，至今，S11型系列配电变压器已是市场主导产品。但这种形式的产品更新换代，并非变压器电磁理论和结构设计上有任何突破，二是变压器制造的主要材料—取向硅钢制造技术的不断发展，各项性能参数特别是铁损值参数的不断优化带来的必然结果。可以认为，变压器空载损耗水平的高低，污水处理设备主要还是由硅钢材料的性能决定的。

  取向硅钢制造技术发展很快，但时至，每降低0.1W鉄损值的技术难度越来越大，制造成本也越来越高。因此，寻找新的软磁替代材料或对变压器结构和制造工艺进行创新，已成为提高变压器节能效果的一种新的思路和解决方案。

上世纪70年代开发研制并在近10年获得推广应用的非晶合金变压器，就是通过材料创新以非晶合金新材料替代传统取向硅钢实现变压器节能效果的一种解决方案。非晶合金变压器虽然具有超低空载损耗的优势，但由于非晶合金固有的一些特性，决定了非晶合金变压器极难解决器身易失稳、铁心机械强度薄弱、抗短路能力不足、噪声增大和空载损耗回升的弊端。也因此，非晶合金变压器只能在10kV级配电网中获得应用。

卷铁心变压器其铁心采用传统取向硅钢带连续卷制而成，磁路连续紧密无气隙，是一种通过对变压器结构和制造工艺进行创新，在基本不增加制造成本的前提下，实现降低变压器空载损耗，提高节能效果的另一种解决方案。因受制于材料、铁心结构、工艺和生产设备配套等因素，直至20世纪初，立体结构的卷铁心变压器才逐渐进入快速发展的商业化生产阶段。虽然目前卷铁心变压器主要仅应用在10kv级配电网中，但通过结构和工艺创新实现变压器降低空载损耗的思路，无论是理论验算还是我们成功研发220kv牵引变压器的实例，都证明了卷铁心变压器在牵引供电系统内推广应用是完全可行的。

二、卷铁心结构牵引变压器的研发

牵引供电系统是指铁路从电网引入220kV、110kV电源，通过牵引变电所降压到27.5kV（电气化铁路）或35kV（城市地铁）送至电力机车的整个供电系统。牵引变压器是将三相电力系统的电能传输给二个各自带负载的单相牵引线路。二个单相牵引线路分别给上、下电力机车供电。所以，牵引变压器就是用作三相变二相的变压器，是电气化铁路牵引供电系统中重要的电能变送设备。

牵引变压器是一种特殊电压等级的电力变压器，具有牵引负荷变化剧烈、外部短路频繁、长期空载运行的特点。随着我国电气化铁路建设的迅速发展，对牵引变压器的绝缘可靠性、过负荷性能、抗短路能力、空载损耗等性能参数指标也提出了更高的要求。

2013年6月常州太平洋电力设备（集团）有限公司与西南交通大学和中铁工程设计咨询集团有限公司正式承担了中国铁路总公司《牵引供电安全服役技术研究——电气化铁路节能型牵引变压器研制》的课题实施任务。

课题研制产品为QYS-R-（31500+25000）/220牵引变压器，用于山西中南通道重载电气化铁路牵引供电系统中，主要技术指标是：

（1）高压220±2×2.5%kV、低压2×27.5kV；

（2）2个单相共箱结构形式，联结组别为VX接线，一相额定容量31500kVA,总容量56500kVA;

 (3)具备能承受牵引网近端和远端不少于70次/年频繁短路的能力，稳态短路电流下，热稳定能力2s内不应造成变压器任何热损伤；

（4）在暂态短路电流峰值下，动稳定能力0.25s内不应造成变压器任何机械损伤；

（5）短路后绕组热点温度不超过250℃；

（6）空载损耗低于42kV;

（7）噪声不超过62dB

为实现课题目标，经过理论分析并结合我们已有的卷铁心制造经验，确定研制产品采用卷铁心结构，2台单框双柱式铁心并列布置，每台单框双柱式铁心由两个截面为半圆形的单体铁心拼合而成，拼合面形成散热油道，每个单体铁心采用硅钢料带连续卷制方式加工成型；绕组采用双框并联方式，每柱高压绕组各设2个分接区，共4个分接区，以降低突发短路时产生的电动力，提高变压器耐受短路的能力，调压采用两只单相开关进行联调。单体铁心的制造与线圈绕制的成功与否，就成为卷铁心牵引变压器是否能研制成功的关键。

单体铁心的制造主要解决两个问题，一是硅钢材料的选用，二是铁心退火工艺的确定。根据产品设计要求，综合考虑硅钢材料的单位鉄损、导磁能力、绝缘漆膜耐热温度、退火温度、抗拉强度等性能参数因素后，确定采用23ZH090取向硅钢片作为铁心制作的基材。硅钢料带剪切时会对料带边缘部分的晶格取向形成紊乱破坏，同时卷铁心在卷制时，因受外力作用而产生内应力，由于这两大因素影响，造成硅钢料带单位铁损值急剧增加，需要进行退火处理，以消除内应力恢复硅钢料带原有的单位铁损值等性能参数。大吨位的铁心退火工艺全无先例，主要难点是在升温和降温过程中铁心内、外部温差值的测量和控制问题如何解决。经过多次反复测算和论证，通过建立铁心体受热和散热的平衡关系，并对热功能进行测量和控制，使大吨位铁心的退火一次成功，从制造源头保证了成品空载损耗已处于可控范围，解决了卷铁心结构的牵引变压器能否试制成功的一大关键问题。

同样，由于每柱3只线圈加绝缘件总重已达到8吨多，且必须在铁心心柱上直接绕制，传统线圈绕制工艺和现有设备传动结构都无法满足要求，经多次样件试绕，终我们独创并成功实施了在铁心心柱上采用立式工位绕制线圈的全新工艺，解决了卷铁心牵引变压器能否试制成功的另一大关键问题。

经过1年多的研发，全球首台电压等级达到220kV，容量为56500kVA的卷铁心结构的牵引变压器于2014年12月在变压器质量监督检验中心一次性通过了全套型式试验及短路承受能力试验、过负荷能力试验等特殊试验。部分实测数据：空载损耗32.4kV、噪声47dB（声压级）、短路试验阻抗变化率小于0.1%。实测数据反映，至少在降低变压器空载损耗和噪声、提高抗短路能力这三方面，卷铁心结构的变压器与常规叠片式变压器相比，优势极其明显，而且这种优势是在基本不增加制造成本，对材料无特殊要求，仅通过对变压器结构和制造工艺进行创新获得的，

以上我们简述了卷铁心结构的牵引变压器在研制过程中的一些关键问题和解决措施，其中对硅钢材料而言，常规取向硅钢材即能满足卷铁心加工要求了，但如能在以下几个方面有改进，则能更好地发挥卷铁心结构的优势，更能提高卷铁心变压器的性能参数指标：

（1）料带厚度：铁心采用叠积工艺制造时，片厚在0.27~0.35比较合适，片子太薄叠片比较困难。但铁心采用卷制工艺制造时，则片厚在0.23及以下比较合适，偏薄的片子卷制时越紧密。

（2）表面涂层的耐热度和附着力：目前硅钢材料的表面涂层的耐热度和附着力是能够满足卷铁心加工要求的，但考虑到铁心卷制时料带表面施加0.6MP的压紧力和退火时820℃左右的高温，因此要求表面涂层的耐热度和附着力性能参数稳定可靠，否则容易损伤料带。

（3）线圈直接在铁心上绕制，可不再考虑套装裕度尺寸，缩小线圈尺寸，降低制造成本。但由于心柱有波浪形变形，实际套装裕度仍然没有能取消。卷铁心制造时，退火工序是不可或缺的，如果通过材料改良能够去除退火工序，或者采用其他工艺替代“退火”工艺，则将是卷铁心变压器制造上的一次革命，我们愿意与材料厂家共同进行这方面的探索。

三、卷铁心变压器市场前景

1、配电变压器市场

配电变压器市场是卷铁心变压器的应用市场。至2020年，变压器产量每年约为18亿kVA,按照总量的40%为10KV配电变压器计，配电变压器每年市场容量为7.2亿kVA，预计其中15%采用卷铁心变压器，则平均每年的卷铁心配电变压器市场容量将达到1亿kVA以上，市场规模将达到50~80个亿。

2、35kV及以上电力变压器市场

35kV级卷铁心变压器目前产量较少，处于稳步推进阶段，110kV级卷铁心变压器目前国内仅有少数厂家研制成功，220kV级卷铁心变压器目前还仅有上述这台QYS-R-(31500+25000)/220研制成功，并于2015年2月份在山西重载铁路成功挂网投运。

因电网系统使用的110kV及以上等级的卷铁心变压器仍处于研试阶段，因此未来的市场容量和规模还无法预期，但从近期电网系统对高压节能型变压器的关注程度和国内主流变压器生产商纷纷涉足卷铁心变压器的研发上看，我们有理由相信在未来3~5年内，即使卷铁心变压器仅占有10%的份额，市场规模也将是百亿级的。

3、电气化铁路市场

由于卷铁心变压器良好的节能降噪效果和超强的过负荷抗短路能力，特别是常州太平洋电力设备（集团）有限公司研发的220kV牵引变压器获得圆满成功后，在牵引供电系统的应用获得了铁路总公司的高度重视，预计在1~2年内将会逐步推广。

按照《中长期铁路网规划》，至2020年每年还要新建的电气化铁路约为3000公里，每50公里一个牵引站，中间还有AT变，也就是说每50公里将新置10台变压器，每年将要新置600台变压器，每年的市场规模约为15~20个亿。

4、城市轨道交通市场

当今正在全国各地兴起的城市轨道交通建设，又提供了一个新兴的变压器市场。依照各地地铁发展规划，至2020年城市地铁开通运营里程数将达到14680公里，如果按平均0.8公里为一个站点，将要建18350个车站，每个车站4台整流变，3-5台电力变，平均每个站点用8台变压器，则需要近15万台变压器，每年需求3万台变压器，每年的市场规模约为8-12亿。

四、卷铁心变压器应用于牵引供电系统中的节能、环保效果

至2014年，电气化铁路总里程已经突破5万公里。按每一个50MVA变电所平均空载损耗下降100kW计，采用节能型卷铁心牵引变压器每年可节约电能损耗超过9亿度电，到2020年电气化铁路里程达到7.2万公里时，按此测算每年更将达到15亿度电的节能效果，每年减少碳排放约4000万吨。而卷铁心变压器在城市地铁牵引供电系统的应用除了节能外，还有更重要的一方面就是大幅度降低了城市变电所的运行噪音，对建设绿色、环保生态型城市具有重大意义。

五、卷铁心变压器技术发展趋势

卷铁心变压器自上世纪60年代开始形成基本结构概念，至今已经经历过几次技术更新和技术换代，从卷铁心牵引变压器的成功研制经验看，未来卷铁心变压器的技术发展趋势将体现在以下几个方面：

（1）适合卷制铁心的绝缘结构和引线布置将更合理、更经济；

（2）线圈立式绕制工艺将会在大型卷铁心变压器制造中得到推广应用；

（3）为提高生产效率，实行并行生产模式，开口式卷铁心的制造和插片技术会进入实用阶段，并成为卷铁心变压器系列的一个分支。

（4）由于磁路的改进，漏磁分布也会发生变化，未来的探索将会深入到对漏磁分布的研究，在降低空载损耗的同时，可能也存在降低负载损耗的可能性。

（5）在产品的智能化、集成化和产品制造的智慧化方面，卷铁心变压器同样存在着巨大的发展空间。

卷铁心变压器的研制成功并挂网运行，不仅仅证明卷铁心变压器在牵引供电系统中的应用是适合的，也为卷铁心变压器在高压电力网中的应用打开了一扇希望之门。我们很愿意与变压器行业和材料行业的各位同仁们分享我们的一些经验和收获，希望能够携手共同推进卷铁心变压器在中国乃至世界牵引供电系统和电力系统中的应用，为实现《中国制造2025》的规划，共同努力。