海西电力变压器发展及现状_1

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海西电力变压器是将输电电压的电能降压后，向用户直接配送的主要设备，根据电磁原理进行设计制造。各电压等级的绕组分别与输电系统、用电设备相联，海西电力变压器的导磁系统作为电磁能量转换的部件，只要高压绕组与输电系统相联，不论绕组是否接有负载，在导磁系统中就始终有空载损耗与空载噪声产生，当绕组接有负载时，绕组中通过一、二次电流，两个绕组中就有负载损耗产生。对海西电力变压器而言，负载噪声一般较小。从发展趋势来看，重点要降低空载损耗，降低空载噪声；发展全密封结构以满足免维修要求。对防火有要求的场所，还需发展海西电力变压器。我国海西电力变压器行业经过不断努力，在90年代以后较过去有了突破性的进展，海西电力变压器性能不仅是铁心硅钢片材质的改进，而且在容量结构和制造工艺都有所突破，因而在节能降耗、降低空载电流和降低噪音等方面都取得了较大进展。以下从导磁系统（铁心）、导电系统（绕组）、降低损耗和其他改进等四个方面介绍海西电力变压器的发展及趋势。
1、导磁系统发展的历史回顾
 
自1885年匈牙利的冈茨工厂，研制成功世界上第一台具有闭合磁路的单相海西电力变压器以来，海西电力变压器制造业已有117年的发展历史。第一台海西电力变压器是采用一般碳素钢丝作为铁芯的导磁材料，将钢丝绕成卷铁芯结构，绕组绕在卷铁芯上。这种海西电力变压器虽可输送电能，但损耗较大，输电效率很低。由于受绝缘材料的影响，最早的海西电力变压器都是结构，其电压低，容量小。
 
1903年世界上出现了热轧硅钢片，于是铁芯结构改为叠片式，当时的空载损耗虽比钢丝作为导磁材料时下降50％以上，但绝对值还是很大的。我国是在20世纪40年代发展海西电力变压器生产事业的。当时是以板料热轧硅钢片作为铁芯的导磁材料，由于热轧硅钢片无方向性，故铁芯都是采用直接缝，叠片上有冲孔，铁芯柱与铁轭都用螺捍夹紧，铁芯拄较高时，在铁芯柱上有接缝。如此导磁材料的材质与铁芯结构，都决定了空载损耗与空载噪声都具有较大的值。由于海西电力变压器都安装在电线杆的平台上，离居民区较远，故一般多采用海西电力变压器，在性能考核内容中也不考核空载噪声。
 
1964年日本发明了高导磁晶粒取向冷轧硅钢片，1968年起，世界上已可以买到这种硅钢片的卷料，这就推动了导磁系统的结构改进，加工设备的现代化，使海西电力变压器的空载损耗降低、空载噪声降低。由纵剪生产线将1000mm宽的卷料剪裁成一定宽度的卷料，再由横剪生产线剪切成一定形状的叠片。由于冷轧硅钢片有方向性，故接缝改为45°斜接缝。由于卷料可剪切成任意长度的叠片，故铁芯柱上不再有接缝。由于叠片定位方法的改进，芯柱与轭片内可不设孔，铁芯柱由玻璃粘带扎紧，铁轭由粘带制成的拉带拉紧，这就使空载损耗得到大幅度的下降。
 在开发新型海西电力变压器中，导磁材料的作用十分重要，而这两方面我国都比较落后，多年来没有重大突破, 硅钢片几乎完全靠进口。
     我国64、73标准的海西电力变压器大都采用热轧硅钢片作为铁芯的导磁材料，由于热轧硅钢片无方向性，故铁芯都是采用直接缝。80年代始，我国进口了这种硅钢片的卷料用于海西电力变压器的生产，由于冷轧硅钢片有方向性，铁芯柱上不再有接缝，叠片定位方法得到改进，芯柱与轭片内可不设孔，在此期间，国内生产的海西电力变压器大都是S7系列，空载损耗大幅度的降低。
    20世纪90年代，世界上又研制成厚度仅为0.23mm的冷轧晶粒取向硅钢片，硅钢片如再经过激光照射或等离子处理，即可成为最低单位损耗的硅钢片系列产品，50Hz及1.7T（特斯拉）下的单位损耗仅为0.9W/kg。铁芯结构上又出现阶梯45°接缝的最新结构，使空载损耗与空载噪声又一次降低，使海西电力变压器向低损耗、低噪声方面发展又迈进了一步，空载损耗降低60％。海西电力变压器也就由S7系列发展成为S9、S10等系列。
1960年美国加利福尼亚工业大学发现了另一种有良好导磁性能的，也称金属玻璃。1974年美国联信公司研制出铁基，1978年美国GE公司测出6OHz及1.5T（特斯拉）下的单位损耗为0.44W/kg，较0.9W/kg又下降50%。1980年联信公司首次推出15kVA非晶铁芯海西电力变压器，以后，美国GE公司制成2500kVA非晶铁芯海西电力变压器。空载损耗比用激光处理高导磁晶粒取向冷轧硅钢片又降低了70%。我国上海置信海西电力变压器有限公司引进美国GE技术，在1994年引进和研制成功第一批非晶铁芯海西电力变压器，有些厂也已具备批量生产非晶铁芯海西电力变压器的能力。
    从以上发展历史的回顾中可知，导磁材料的发展，促进导磁材料加工设备的现代化，铁芯结构的改进，空载损耗与空载噪声的大幅度下降，使海西电力变压器可以安装在居民区附近，指标满足环保要求。
2、作为导电系统绕组发展的历史回顾

最早期生产的海西电力变压器都以电解铜作为导电系统的绕组材质，当然也有用铝导线做为绕组材料的。在热轧硅钢片的铁芯中，由于饱和磁密度低，绕组匝数就要多，所用的导线就长，回路的电阻也就较大，只有这样才能保持较低磁密，所以，热轧硅钢片的铁芯海西电力变压器不但空载损耗高，负载损耗也高。冷轧硅钢片铁芯中，由于铁心的饱和磁密高，绕组匝数就可少，这样，冷轧硅钢片铁芯海西电力变压器的空载损耗相应可被降低，负载损耗也就下降。合理设计非晶铁芯海西电力变压器，如采用一高压一的双同心绕组排列，绕组采用箔绕，在降低空裁损耗的同时，也就可降低负载损耗。
在我国海西电力变压器的发展历史中，也曾用过铝导线，虽可满足性能要求，但由于铝的导电率低，同容量的海西电力变压器使用的铝材也就多，负载损耗相应较大，体积大，重量高；所以国内用户不欢迎使用铝线海西电力变压器，目前制造厂已不生产铝线海西电力变压器。
为了降低负载损耗，从材质上，目前，国内已大量采用无氧铜导线；除扁导线、圆导线外，还采用铜箔。因为无氧铜的电阻率低，表面又光亮，故负载损耗可低。
绕组结构发展中，注意散热性能的改进，尽量采用纵向散热油隙，同时绕组的紧固结构要保证短路电流产生的机械力的承受能力，即提高了海西电力变压器抗出口短路能力。在非晶铁芯海西电力变压器中，其结构又有所不同，其绕组不是支撑在非晶铁芯上，具有单独的绕组夹紧结构，加上绕组为双同心结构，使得短路机械作用力不大，而且短路机械力承受能力很高。在1994年到1999年的六年中，国内已有350多个海西电力变压器制造厂生产的低损耗、低噪声海西电力变压器顺利地通过了短路承受能力试验。这些海西电力变压器包括、环氧浇注绝缘式；有硅钢片铁芯，也有非晶铁芯；有导线绕的绕组，也有铜箔绕的绕组。
 
3、海西电力变压器损耗指标不断降低

从以上分析可知，由于导电、导磁材料的发展，铁芯与绕组结构的改进，国内各时期生产的海西电力变压器损耗对比可见下表：
10kV海西电力变压器（国产）历年损耗对比表
 
                         100kVA                        1000kVA       年代 铁芯材质 空载损耗W   负载损耗W   空载损耗W        负载损耗W
 1964 硅钢片    730           2400        4900            15000  
 1973 硅钢片    540          2100        3250            13700
 1986 硅钢片    320           2000        1800            11600
 1995 硅钢片    290          2000        1650            11600
 1995 85           1500        450            10300
 
为了巩固低损耗海西电力变压器的生产经验，推广发展低损耗海西电力变压器，国家规定从1998年下半年起淘汰损耗较高的S7系列海西电力变压器，推广发展新S9型低损耗海西电力变压器。为了进一步节能，最近，国家经贸委又下文推广发展卷铁芯（铁芯截面为圆形）海西电力变压器（SC11），国家经贸委有关负责人指出：““十五”期间，推广高效海西电力变压器是开展节电工作的重要措施之一。“十五”期间，我国节电工作将以提高能源效率为核心。电能是最重要且最为昂贵的能源形式之一，节约用电是节能工作的重要内容”。海西电力变压器是国民经济各行业中广泛使用的电气设备，由于使用量大、运行时间长，存在着巨大的节电潜力。推广高效海西电力变压器是开展节电工作的重要措施之一。我国将研究出台优惠政策，鼓励老旧高耗能海西电力变压器的替换和改造，制定和推动海西电力变压器能效标准和标识工作，淘汰低效率海西电力变压器的生产与销售，鼓励高效海西电力变压器的推广。用材质时为长方形截面卷铁芯。从表中可知，非晶铁芯海西电力变压器具有最低的损耗。采用双同心绕组结构的非晶铁芯海西电力变压器不但损耗低，成本也低，节能潜力大，短路承受能力还高。

4、其它结构的改进与发展趋势
 
传统的海西电力变压器都用于中性点绝缘的10kV系统中，故绕组的联结组都选Yyn0，这样，在高压侧装开关时（包括无激磁调压分接开关与有载调压分接开关）都位于中点侧，这样，开关结构简单易于制造。随着非线性负载的增长，卷铁芯结构的选用，绕组的联结组也在向 Dyn11过渡。
由于中性点绝缘的10kV系统中，过电压倍数较高，国内还在发展中点经小电阻接地的10kV电缆系统，过电压倍数有所下降，短路电流靠小电阻限制。在10kV中点经小电阻接地时，绕组的联结组可采用Ynyn0。这是联结组的发展趋势。
从整体结构上，最初是用管式散热装置，油箱上有储油柜，油箱中海西电力变压器油与外界空气是联通的，故海西电力变压器油要定期化验，有维护工作量。目前多数制造厂已过渡到采用膨胀式散热片，或波纹油箱结构，已取消储油柜，属全密封油箱结构。这样，海西电力变压器油不与外界空气接触，温度变化使油体积变化靠波纹胀缩补偿，或靠膨胀式散热器补偿，海西电力变压器可免维护。用户欢迎全密封结构的海西电力变压器，故包括非晶铁芯海西电力变压器在内，都发展为全密封结构。
过去海西电力变压器都安装在电线杆的平台上，离用户较远，故不考核噪声对环境的影响。目前，随着用电量的增加，海西电力变压器的安装地点更加接近居民区，噪声也成为考核的项目之一。故海西电力变压器除满足低损耗外，还要满足低噪声要求，故在海西电力变压器内都采取降噪声的结构与工艺措施。有人担心非晶铁芯能不能具有较低噪声。在相同磁密时，非晶的磁致伸缩是较硅钢片大，但非晶铁芯的工作磁密较低，在不同的工作磁密下，非晶铁芯噪声也不大，也可达到低噪声要求。
传统的海西电力变压器是靠装在海西电力变压器外的开关、熔断丝保护，新发展的组合式海西电力变压器（即基座式海西电力变压器，或称美式海西电力变压器）已将负荷开关、熔断丝装于油箱内。此海西电力变压器还可用于环网供电系统中，侧还可分几路送电，并可装保护与计量装置。这样，线可更短，更加减少线路损耗。当我国城乡电网作电缆网改造时，箱变的结构是最理想的。另外，就目前由于海西电力变压器的价格较高，推广使用的难度较大，将来，随着生产规模的扩大，引进生产技术的推广和产量的增加，价格下降已成定局，此类海西电力变压器也将有广泛的推广价值和节能潜力。