梁慶寧,許凱旋,馬 光,張一航,梁毅雄,張淑菁,關(guān)輝淋,周登靈,楊劍波,周俊明,程 靈
(1.海鴻電氣有限公司,廣東 江門(mén) 529300;2.國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司,北京 102211;3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司,浙江 金華 321000)
隨著我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)的持續(xù)推進(jìn)、智能電網(wǎng)建設(shè)及農(nóng)網(wǎng)改造步伐的加快及“變壓器能效提升計(jì)劃”的進(jìn)一步實(shí)施,降低變壓器的損耗,提高供配電系統(tǒng)效率,對(duì)電力系統(tǒng)節(jié)能,提高系統(tǒng)可靠性具有重要意義。目前,取向硅鋼作為變壓器鐵心的核心材料,其性能直接影響變壓器的損耗。而刻痕取向硅鋼可分為耐熱型和非耐熱型兩種。傳統(tǒng)的疊片式鐵心變壓器制造采用非耐熱取向硅鋼即可,但由于卷鐵心變壓器的制造須對(duì)硅鋼片進(jìn)行消除應(yīng)力退火處理,因此耐熱取向硅鋼成為制造卷鐵心變壓器的首選材料[1-3]。
耐熱刻痕取向硅鋼作為一種曾經(jīng)受?chē)?guó)外“卡脖子”的技術(shù),如何利用好、發(fā)揮好這種技術(shù),在此之前,并沒(méi)有實(shí)例去借鑒。本文基于我國(guó)自主研發(fā)的耐熱刻痕取向硅鋼,以立體卷鐵心為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)變壓器性能參數(shù)的選定,進(jìn)行鐵心、線圈、主絕緣、夾件及油箱等設(shè)計(jì),確定鐵心尺寸和質(zhì)量、繞組基本形式、主絕緣類(lèi)型等參數(shù),并結(jié)合立體卷鐵心特有的設(shè)備及工藝進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)耐熱刻痕取向硅鋼在卷鐵心變壓器的應(yīng)用,研制一臺(tái)10 kV 電壓等級(jí)、S15 型、400 kVA 容量油浸式立體卷鐵心變壓器,從而驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)耐熱刻痕取向硅鋼在立體卷鐵心變壓器技術(shù)上的應(yīng)用效果。采用國(guó)產(chǎn)耐熱刻痕取向硅鋼研制的S15 立體卷鐵心變壓器,運(yùn)行損耗低,對(duì)于“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),以及“變壓器能效提升計(jì)劃”的進(jìn)一步實(shí)施具有重要意義,為后續(xù)超高能效配電變壓器研制奠定基礎(chǔ)[4-8]。
本文以某企業(yè)技術(shù)項(xiàng)目為依據(jù),掌握國(guó)產(chǎn)耐熱刻痕取向硅鋼立體卷鐵心節(jié)能配電變壓器制造技術(shù),研制耐熱刻痕取向硅鋼S15 型立體卷鐵心變壓器并獲得應(yīng)用,空載損耗較GB 20052-2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級(jí)》1 級(jí)能效硅鋼變壓器產(chǎn)品降低30%以上,負(fù)載損耗降低15%,噪聲低至35 dB,推動(dòng)耐熱型極低損耗取向硅鋼應(yīng)用及超高能效等級(jí)配電變壓器技術(shù)進(jìn)步,提升電網(wǎng)運(yùn)行節(jié)能性和環(huán)保性。
因此,結(jié)合某企業(yè)技術(shù)項(xiàng)目要求,研制一臺(tái)SB15-M·RL-400/10 配電變壓器,具體性能指標(biāo)如表1所示。
表1 S15型配電變壓器技術(shù)參數(shù)表
變壓器設(shè)計(jì)步驟如下[9-10]。
(1)根據(jù)研制產(chǎn)品的容量規(guī)格及有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算產(chǎn)品相應(yīng)的性能參數(shù),如各線圈的線、相電壓及線、相電流等。
(2)根據(jù)所選硅鋼片牌號(hào)計(jì)算鐵心直徑、線圈匝數(shù)及每匝電勢(shì)。
(3)根據(jù)研制產(chǎn)品的容量及電壓等級(jí),確定主、縱絕緣結(jié)構(gòu)、線圈結(jié)構(gòu)及線圈相關(guān)數(shù)據(jù)(如導(dǎo)線規(guī)格、線圈層數(shù)、匝數(shù)排列、線圈的軸、輻向尺寸、電抗高度、絕緣半徑等)計(jì)算。
(4)根據(jù)線圈相關(guān)數(shù)據(jù)及主縱絕緣距離確定鐵心的窗高、中心距,并計(jì)算空載損耗及阻抗電壓。
(5)計(jì)算線圈負(fù)載損耗(如附加損耗、渦流損耗等的計(jì)算)。
(6)產(chǎn)品的溫升計(jì)算(如油頂層溫升、線圈對(duì)油的平均溫升等的計(jì)算)。
(7)計(jì)算短路機(jī)械力及導(dǎo)線應(yīng)力,當(dāng)超過(guò)規(guī)定值時(shí),應(yīng)調(diào)整安匝分布或加大導(dǎo)線截面。
(8)產(chǎn)品的質(zhì)量計(jì)算。
鐵心為立體卷鐵心結(jié)構(gòu),如圖1 所示,材料采用寶武鋼鐵研制的B20HS075耐熱刻痕硅鋼。鐵心通過(guò)專(zhuān)有卷繞機(jī)連續(xù)卷繞加工而成,配合完全退火工藝,有效恢復(fù)硅鋼材料的磁性能,減少磁滯損耗[11]。其特點(diǎn)是空載損耗小、空載電流低、噪聲低、漏磁小、且鐵心穩(wěn)固、抗突發(fā)短路能力強(qiáng)。相對(duì)于傳統(tǒng)鐵心結(jié)構(gòu),其空載損耗平均下降約10%,空載電流平均下降約65%,噪聲平均降低約10 dB,周邊電場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度(電磁輻射)降低約50%。鐵心主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。
圖1 立體卷鐵心結(jié)構(gòu)
表2 鐵心主要設(shè)計(jì)參數(shù)
線圈是構(gòu)成變壓器電路部分的核心,其形式主要根據(jù)線圈的電壓等級(jí)及容量大小來(lái)選取。同時(shí)也要考慮各種形式線圈的特點(diǎn),如散熱面的大小、電氣強(qiáng)度(主要指沖擊性能)和機(jī)械強(qiáng)度的好壞,以及制造的工藝性等。
根據(jù)研制方案產(chǎn)品的容量大小、電壓等級(jí)及絕緣材料老化對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響,絕緣材料的老化主要分為熱老化和電老化,熱老化受負(fù)載大小線圈散熱結(jié)構(gòu)影響較大,負(fù)載越大,變壓器運(yùn)行時(shí)溫度越高,熱老化越快。因此,高、低線圈采用低電阻率的無(wú)氧銅繞制,結(jié)構(gòu)為卷制簡(jiǎn)單、沖擊電壓分布好、油道散熱效率高的多層圓筒式及箔式。高、低壓線圈截面均為圓形,圓形同心式線圈,輻向受力均勻,繞制更緊密,有效降低變壓器的負(fù)載損耗,提高抗短路能力。高、低壓線圈設(shè)計(jì)參數(shù)如表3~4所示。
表3 高壓線圈設(shè)計(jì)參數(shù)
表4 低壓線圈設(shè)計(jì)參數(shù)
電老化受工作電壓、過(guò)電壓影響,在變壓器通電后持續(xù)進(jìn)行。因此,線圈各部位的電場(chǎng)強(qiáng)度分布是否均勻、是否存在電場(chǎng)強(qiáng)度集中,將很大程度影響絕緣材料電老化的速度。
電場(chǎng)強(qiáng)度可按下式計(jì)算:
式中:E為電場(chǎng)強(qiáng)度,V/mm;d為帶電導(dǎo)體的間距(含導(dǎo)線匝絕緣),mm;U為帶電導(dǎo)體之間的電壓,V。
產(chǎn)品額定電壓為10 kV,高壓線圈為多層圓筒式結(jié)構(gòu),最大層間工作電壓U1=1 520 V,匝間最大工作電壓U2=9.623 V;層間絕緣距離0.54 mm,線匝間距離0.3 mm。由式(1)可知,作用在層間的最大場(chǎng)強(qiáng)E1=2 815 V/mm;作用在線匝的最大場(chǎng)強(qiáng)E2=32 V/mm。兩個(gè)部位的電場(chǎng)強(qiáng)度能夠滿足產(chǎn)品運(yùn)行要求,場(chǎng)強(qiáng)分布均勻,保證了產(chǎn)品的安全可靠性。
根據(jù)以上確定的鐵心高、低壓線圈結(jié)構(gòu)和參數(shù),主要絕緣設(shè)計(jì)參數(shù)如表5所示。
表5 主要絕緣設(shè)計(jì)參數(shù)
夾件采用創(chuàng)新的腹板結(jié)構(gòu),依據(jù)鐵心外輪廓特點(diǎn)呈三角形排布,焊接成一體,由于三角形的穩(wěn)定性,因此夾件整體強(qiáng)度高,不易變形。該腹板夾件能有效節(jié)省材料,減小變壓器整體重量。新式腹板夾件對(duì)線圈的壓持面積較多,在受短路電動(dòng)力作用時(shí),線圈受力均勻,抗短路能力得到極大增強(qiáng)。下面采用SolidWorks 等三維軟件進(jìn)行變壓器夾件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力分析,最終根據(jù)分析結(jié)果,選擇最優(yōu)方案。夾件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力分析過(guò)程如下。
首先建立數(shù)學(xué)模型,并對(duì)所建的模型定義材料、添加約束條件和載荷,并進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格化處理,初步建立的模型如圖2所示。
圖2 建立夾件數(shù)學(xué)模型及網(wǎng)格化處理
對(duì)網(wǎng)格化后的模型進(jìn)行受力分析,如圖3(a)所示。根據(jù)受力分析結(jié)果,對(duì)夾件應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),可通過(guò)在應(yīng)力集中位置處加焊加強(qiáng)筋等措施,進(jìn)一步提高夾件機(jī)械強(qiáng)度。
從受力分析結(jié)果可以看出,下夾件腹板與墊腳連接處應(yīng)力較為集中,可在此連接位置加焊三角形加強(qiáng)筋,提高夾件機(jī)械強(qiáng)度。更新模型,重新網(wǎng)格化處理和受力分析。優(yōu)化后的模型分析結(jié)果如圖3(b)所示。
圖3 夾件受力分析結(jié)果
從上述受力分析結(jié)果可以看出,結(jié)構(gòu)優(yōu)化前下夾件腹板與墊腳連接處應(yīng)力較為集中,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,雖然此處仍是主要應(yīng)力集中點(diǎn),但加焊加強(qiáng)筋后,最大應(yīng)力下降28.6%,提高了下夾件的機(jī)械強(qiáng)度,從而提高上、下夾件裝配的整體機(jī)械強(qiáng)度。
油箱依據(jù)立體卷鐵心外輪廓特點(diǎn)設(shè)計(jì)成六邊形結(jié)構(gòu)的波紋油箱,相比常規(guī)矩形的油箱,有效節(jié)省了變壓器油用量及鋼材用量。油箱3 個(gè)長(zhǎng)邊側(cè)壁上均設(shè)置有波紋片以保證散熱及補(bǔ)償隨油溫變化而引起變壓器油體積的膨脹變化。下面采用SolidWorks 等三維軟件進(jìn)行變壓器油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力分析,最終根據(jù)分析結(jié)果,選擇最優(yōu)方案。油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力分析過(guò)程與夾件類(lèi)似,下面不再重復(fù)受力分析過(guò)程,僅列出受力分析結(jié)果。箱蓋、箱架以及波紋片的受力分析結(jié)果如圖4~6所示。
圖4 箱蓋受力分析結(jié)果
圖5 箱架受力分析結(jié)果
圖6 波紋片受力分析結(jié)果
從上述受力分析結(jié)果可以看出,經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的箱蓋、箱架以及波紋片等油箱關(guān)鍵部位的機(jī)械強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。
變壓器鐵心材料為耐熱刻痕取向硅鋼,結(jié)構(gòu)采用立體卷鐵心結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)疊片式鐵心結(jié)構(gòu)上的差別甚大。因立體卷鐵心是由若干根一定形狀的硅鋼帶連續(xù)卷繞而成,而疊鐵心由縱剪生產(chǎn)線和橫剪生產(chǎn)線將硅鋼帶加工成一定形狀的硅鋼片疊裝而成。這兩種不同制造工藝,由于電工鋼經(jīng)歷不同的加工過(guò)程,因此在變壓器整體工藝流程都有較大的變化。下面對(duì)關(guān)鍵工序進(jìn)行分析。
目的:確保鐵心框卷制成形后,其截面為圓形或近似圓形。
如果將一條寬度不變的電工鋼料帶卷繞成框,其截面為長(zhǎng)方形;如果需要的截面是圓形或近似圓形(內(nèi)接多邊形),那么這條料帶的寬度應(yīng)該是變化的。鐵心框截面為圓形,料帶寬度變化應(yīng)是一條曲線;鐵心框截面為內(nèi)接多邊形,料帶寬度變化應(yīng)是一條斜線[12]。
基于材料利用率和工藝實(shí)施難度的考慮,業(yè)內(nèi)基本上都采用截面為近似圓形的立體卷鐵心方案。關(guān)于立體卷鐵心截面的設(shè)計(jì)方法,許多設(shè)計(jì)人員已發(fā)表了相關(guān)論文,此處不再詳細(xì)闡述。但需要指出的是,由于需要的理想截面是一個(gè)圓形,那么在內(nèi)接多邊形類(lèi)型的選取上,并不是一成不變,而是必須從設(shè)備、加工難度、材料特性、材料利用率、產(chǎn)量大小等方面綜合考慮??傮w結(jié)果是提高截面填充系數(shù),可達(dá)98.5%,更高的填充系數(shù)可以縮小直徑,減少鐵心和線圈的用量,有利于降低產(chǎn)品空載損耗和負(fù)載損耗,以滿足項(xiàng)目研制產(chǎn)品的性能指標(biāo)要求。
目的:使料帶卷繞成鐵心框,確保3 個(gè)相同的鐵心框可以拼裝成俯視方向?yàn)槿切蔚牧Ⅲw結(jié)構(gòu)鐵心。
本工序?yàn)榱Ⅲw卷鐵心的核心工序,對(duì)比疊鐵心變壓器的工藝流程,幾乎所有變化的原因都是本工序的引入。鐵心單框繞制示意如圖7所示。
圖7 鐵心單框繞制示意圖
采用卷繞工藝帶來(lái)的變化如下。
(1)不存在垂直于磁路的橫向氣隙。
①勵(lì)磁電流大幅降低,疊鐵心由于結(jié)構(gòu)原因,在心柱與鐵軛過(guò)渡處存在空氣隙,雖然采用了多級(jí)階梯全斜接縫的疊裝工藝,但是電工鋼的磁導(dǎo)率可達(dá)空氣磁導(dǎo)率的上萬(wàn)倍,而根據(jù)磁場(chǎng)的全電流定律,可以得知疊鐵心中勵(lì)磁電流中的大部分還是用于接縫處。立體卷鐵心由于沒(méi)有垂直于磁路的橫向氣隙,因此勵(lì)磁電流大幅降低。
②噪聲降低。疊鐵心的橫向氣隙處,磁通由于畸變會(huì)產(chǎn)品局部過(guò)飽和的現(xiàn)象;而更高的磁通密度會(huì)導(dǎo)致磁滯伸縮量增加,另外,此區(qū)域?yàn)闄M向的物理分?jǐn)鄬?,磁滯伸縮將由于振動(dòng)、摩擦等原因而產(chǎn)生額外的噪聲。立體卷鐵心則沒(méi)有以上的現(xiàn)象。
③空載損耗降低。疊鐵心的橫向氣隙處,磁通由于畸變會(huì)產(chǎn)品局部過(guò)飽和的現(xiàn)象;而更高的磁通密度同樣會(huì)導(dǎo)致更高的鐵損。
(2)磁通的流通方向與電工鋼帶的高導(dǎo)磁方向的高度一致。
①空載損耗、空載電流大幅降低。取向硅鋼片具有磁晶各向異性,沿鋼帶的碾軋方向是易磁化方向,垂直于碾軋方向是難磁化方向,立體卷鐵心無(wú)論是縱剪還是曲線開(kāi)料藝,均是沿著碾軋方向進(jìn)行開(kāi)料,并逐層卷制而成,因此磁力線在鐵心內(nèi)流通方向與電工鋼帶的高導(dǎo)磁方向高度一致,而對(duì)疊鐵心而言,磁力線在心柱與鐵枙的過(guò)渡處(四個(gè)角部和鐵枙中部)都需要拐彎,而硅鋼材料卻沒(méi)有拐彎,磁力線與硅鋼片輾軋方向存在0°~45°的夾角,因此這些區(qū)域內(nèi)將比鐵心的其他區(qū)域產(chǎn)生更多的空載損耗,需要更大的磁動(dòng)勢(shì)。
②噪聲降低。立體卷鐵心磁通硅鋼帶的高導(dǎo)磁方向的高度一致,同時(shí)可以改善磁滯伸縮量現(xiàn)象。
目的:使鐵心加工過(guò)程中硅鋼片的電磁性能劣化的現(xiàn)象得以恢復(fù)。
鐵心框卷繞成形時(shí),4 個(gè)角部產(chǎn)生很大的應(yīng)力。疊鐵心從電工鋼帶到鐵心半成品的過(guò)程中,如果工藝控制良好,電工鋼帶的應(yīng)力一般都不大,產(chǎn)生附加損耗約2~5%。然而立體卷鐵心由鋼帶卷繞成形時(shí),4 個(gè)角部變形現(xiàn)象極其嚴(yán)重,產(chǎn)生很大應(yīng)力,產(chǎn)生附加損耗達(dá)60%以上。因此,為消除卷繞工序產(chǎn)生的附加損耗,恢復(fù)電工鋼帶的磁性能,在鐵心框卷制成形后,必須對(duì)鐵心框進(jìn)行去應(yīng)力退火工序,通過(guò)關(guān)鍵工序的有效控制,可大幅優(yōu)化鐵心性能。
該項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程中,針對(duì)耐熱刻痕取向硅鋼的退火工序做了大量的試制方案,以找到效果更好的退火工藝。
S15 型立體卷鐵心變壓器研制方案各項(xiàng)性能指標(biāo)要求較高,故在方案設(shè)計(jì)時(shí)需從材料、結(jié)構(gòu)、工藝等多方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),使產(chǎn)品達(dá)到項(xiàng)目的要求值。因此,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需注意以下幾方面。
(1)在設(shè)計(jì)鐵心前期,需對(duì)所選用的耐熱刻痕極取向硅鋼材料進(jìn)行測(cè)試分析,獲取硅鋼材料性能數(shù)據(jù)。
(2)負(fù)載損耗以線圈的損耗為主,其產(chǎn)生的熱量直接影響線圈溫升,故設(shè)計(jì)負(fù)載損耗性能指標(biāo)要求較高的S15型產(chǎn)品時(shí),需對(duì)線圈油道進(jìn)行更加合理的選取。
(3)因S15 型立體卷鐵心變壓器的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求較高,該型號(hào)400 kVA 容量產(chǎn)品的總重與一臺(tái)13 型800 kVA 容量產(chǎn)品相當(dāng),因此,在設(shè)計(jì)器身結(jié)構(gòu)、油箱結(jié)構(gòu)、起吊裝置等結(jié)構(gòu)件時(shí),對(duì)上述結(jié)構(gòu)件進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度校核和仿真分析,以確保結(jié)構(gòu)件能滿足使用要求。
(4)在設(shè)計(jì)時(shí)需注意波紋油箱的膨脹系數(shù),保證產(chǎn)品在規(guī)定的工作條件、負(fù)荷條件下運(yùn)行不出現(xiàn)滲漏油現(xiàn)象。
(5)在工藝及制造方面,對(duì)部分工序工藝流程、工藝參數(shù)等做出調(diào)整,甚至在工裝、設(shè)備等方面也要做出相應(yīng)的調(diào)整,確保產(chǎn)品順利研制完成。
產(chǎn)品研制完成后,委托廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院進(jìn)行第三方檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn),產(chǎn)品的空載損耗、負(fù)載損耗、聲級(jí)測(cè)定等共17 項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目,全部符合檢測(cè)依據(jù)和判定依據(jù)的要求。其中,產(chǎn)品的空載損耗較GB20052-2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級(jí)》的1 級(jí)能效限定值降低約32%,負(fù)載損耗降低約18%,噪聲水平低至32 dB。
產(chǎn)品檢測(cè)項(xiàng)目及結(jié)果如表6所示。
表6 SB15-M·RL-400/10試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果
本文基于我國(guó)自主研發(fā)的耐熱刻痕取向硅鋼,以立體卷鐵心為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)變壓器性能參數(shù)的選定進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì),確定鐵心的尺寸和重量、繞組的基本形式、主絕緣類(lèi)型等參數(shù),并對(duì)產(chǎn)品關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)性仿真分析,同時(shí)結(jié)合立體卷鐵心特有的設(shè)備及工藝進(jìn)行研究,研究結(jié)果驗(yàn)證了采用國(guó)產(chǎn)耐熱刻痕取向硅鋼研制S15 型立體卷鐵心的有效性和可行性,且產(chǎn)品性能指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)家電網(wǎng)公司科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目《耐熱型極低損耗取向硅鋼及S15型配電變壓器制備技術(shù)研究》的技術(shù)指標(biāo)。
按1 臺(tái)400 容量變壓器正常運(yùn)行30 年進(jìn)行測(cè)算,耐熱型刻痕取向硅鋼S15 型立體卷鐵心變壓器要比GB 20052-2020 中1 級(jí)能效硅鋼油變節(jié)省45 870 kW·h(度)電量,二氧化碳排放量可節(jié)省27 t,節(jié)能、減碳效果明顯。因此,采用國(guó)產(chǎn)耐熱刻痕取向硅鋼研制的S15 立體卷鐵心變壓器,對(duì)于“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),以及“變壓器能效提升計(jì)劃”的進(jìn)一步實(shí)施具有重要意義,為后續(xù)超高能效配電變壓器研制奠定基礎(chǔ)。