S11卷鐵芯變壓器的開發制造和應用
摘要：降低變壓器的損耗，提高供配電系統效率，是目前世界各國關注的問題。在整個供電系統中，配電變壓器所占比重最大，改進其性能，降低損耗指標，對電力系統節能，提高系統可靠性具有重要的意義。由于卷鐵芯變壓器有其獨特的結構優勢，它與傳統的疊片式鐵芯變壓器相比，具有重量輕，體積小，空載損耗小，噪音低，機械和電氣性能優越，因此，在今后電網建設與改造中，卷鐵芯變壓器將逐步被推廣使用。
1 S11卷鐵芯變壓器的由來?
(1)概述：?
降低變壓器的損耗，提高供配電系統效率，是目前世界各國關注的問題。在整個供電系統中，配電變壓器所占比重最大，尤其在農村電網中幾乎都是配電變壓器，改進其性能，降低損耗指標，對電力系統節能，提高系統可靠性具有重要的意義。由于卷鐵芯變壓器有其獨特的結構優勢，它與傳統的疊片式鐵芯變壓器相比，具有重量輕，體積小，空載損耗小，噪音低，機械和電氣性能優越，因此，在今后電網建設與改造中，卷鐵芯變壓器將逐步被推廣使用。?
80年代末美國、德國、日本相繼開發了卷鐵芯變壓器，最早是使用在電子變壓器上，作為復印機、計算機、卡拉OK、游戲機等高檔電子產品和醫療產品上，而后逐漸移置到電力變壓器上。卷鐵芯由硅鋼片不間斷連續卷制而成，在片形上沒有接縫，可降低噪音。開始僅有單相鐵芯，以后由單相卷鐵芯技術推廣到三相卷鐵芯制造上來。只要在兩個閉路矩形鐵芯外面，再用電工鋼帶繞一個矩形鐵芯即可以制成平面布置型的三相三柱式鐵芯。它由兩個相同的內框和外框組成。三相卷鐵芯變壓器與單相相比，其損耗和一個噪音的降低都是不足的，但與疊片式的鐵芯變壓器相比有許多優點。?
單相卷鐵芯變壓器只有一個框，鐵芯經退火后，其工藝系數僅為1.05。三相卷鐵芯變壓器一般采用三相三柱內鐵芯形式，鐵芯經退火后，其工藝系數可達到1.15～1.2。?
卷鐵芯變壓器的制造過程主要由硅鋼片的縱剪、鐵芯卷制、鐵芯真空退火、線圈繞制、器身絕緣裝配、產品總裝配等工序組成。?
(2)國內S11卷鐵芯變壓器的狀況：?
90年代中期我國自行開發了卷鐵芯工裝設備及制造技術，90年代后期我國一些生產廠家也分別從日本、瑞典等國家引進卷鐵芯的工裝設備和技術。?
卷鐵芯變壓器的鐵芯是由厚度小于或等于0.3mm冷軋的硅鋼片,縱剪成不同寬度的條料，連續不斷卷制（中間沒有接頭）成長方形的框架，又由于硅鋼片的寬度形狀不同，繞制成型后其斷面是不一樣的。這樣卷鐵芯又可分為兩種：階梯型和R型。?
階梯型卷鐵芯變壓器和R型卷鐵芯變壓器，它們都具備卷鐵芯變壓器的優點。但它們之間又有不同，如硅鋼片的利用上，梯形的要比R型的高，磁阻方面梯形的要比R型的大一些，體積上R型的要比梯形的略小，至于其他方面都不好一概而論，都有待進一步去改進工裝設備，改進生產工藝，改進設計思路，而逐漸顯示出各自的優勢來。?
目前我國生產S11卷鐵芯變壓器的廠家不過十幾家，大部分是生產階梯型的廠家，R型的生產廠家不過有幾家。卷鐵芯變壓器的產品除了供給國內用戶外，有的廠家產品已銷往國外。?
卷鐵芯變壓器的生產，目前我國主要集中在10kV電壓等級，最大容量800kVA已通過鑒定，1250kVA、1600kVA已經試制成功。?
目前電力部門采購的卷鐵芯變壓器以315kVA及以下的容量居多。?
(3)我國卷鐵芯變壓器同國外產品空載損耗指標比較：?
比日本三菱公司變壓器：空載損耗降低21.8%?
比日本大阪變壓器：空載損耗降低10.3%?
比日本東芝變壓器：空載損耗降低39%?
比意大利變壓器：空載損耗降低39.6%?
比挪威變壓器：空載損耗降低36.5%?
比比利時變壓器：空載損耗降低21.2%?
比德國變壓器：空載損耗降低11.6%?
由上可知，我國目前生產的S11卷鐵芯配電變壓器在空載損耗方面在國際上具有領先地位。
2 S11卷鐵芯變壓器結構特點及工藝?
(1)卷鐵芯變壓器結構特點及工藝：?
三相卷鐵芯變壓器的鐵芯結構是由兩個長方形其斷面為內凸的鐵芯和包圍在兩個鐵芯外的其斷面為外凸的鐵芯組成。為了避免硅鋼片在卷制時過渡損傷，鐵芯窗口四角應為圓角（一般圓角半徑大于4mm）。?
卷鐵芯變壓器將冷軋硅鋼片（厚度≤0.3mm）縱剪成不同寬度的條料，在鐵芯卷繞機上進行卷制。?
階梯型卷鐵芯操作工藝：將所需不同片寬卷料鋼帶張緊在放料架上，拉下末級片穿過張力裝置待用。在卷繞機軸上固定好模具，保證模具斷面跳動再允許的公差范圍內。取第一級片固定在模具上，適當調整張力，慢速轉動兩周后放下機頭上的壓輥，便可自動繞制。卷完第一級后，剪斷第一級片，抽出第二級片與第一級對中，用第一級末兩周壓住第二級片頭進行繞制。如此重復上述操作，直至完成單框內鐵芯。在繞制三相外鐵芯時，先將兩個已卷好的內鐵芯組合固定，同時測量尺寸符合要求后，再將其固定在卷制機上卷制外鐵芯。?
鐵芯卷制成型后，為了防止在退火時高溫變形，用整型機整形并用專用工裝將鐵芯夾持好，放進退火爐（最好采用真空充氮退火爐）按照設定的程序利用計算機控制溫度曲線，自動達到降低空載損耗的目的。退火最高溫度為860℃。退火過程中要在適當溫度下充進氮氣，以防鐵芯氧化。卷鐵芯經良好的退火處理后，能徹底消除內應力，磁路各處均無高磁阻存在，故空載電流可大幅度下降，工藝系數僅為1.05左右。?
(2)線圈結構特點及工藝：?
卷鐵芯變壓器高低壓線圈是在鐵芯柱上直接繞制的。因此，只能采用層式或螺旋式線圈。該線圈一般不做浸漆處理，所以層間絕緣全部采用菱格點膠紙，高低壓間主油道采用半油道簾式撐條結構，以保證油道間隙均勻。?
線圈繞制過程，首先把卷制合格的鐵芯固定在專用的繞線機上，并在鐵芯上繞一層緊縮帶。然后將兩半齒輪安裝在鐵芯柱上，齒輪銅套與鐵芯的定位要固定好，靠手柄調整兩個主動齒輪與繞線齒輪，使其為最佳嚙合，并保證兩端齒輪間距符合繞組軸向尺寸要求。?
在立式繞線機上繞制三相卷鐵芯變壓器，一般先從最上面鐵芯A柱(項)開始。首先裹上內紙筒，然后用白布帶將紙筒收緊固定在兩端繞線齒輪的凸臺上，繞線機應轉動靈活。低壓扁銅線的繞制按設計要求，包好出頭絕緣（注意線圈繞向），將線圈首頭固定在齒輪上。開始繞制時，采用普通線圈"8"字綁扎法將起始扎端絕緣綁扎好，并沿圓周均勻加放4～5根軸向拉緊收縮帶。繞制時收縮帶與線匝交替上下位置，邊繞邊拉緊，使線匝緊實平整。繞制末端最后一匝時，確定好出頭位置點動倒車，同起頭方法包扎出頭絕緣，并將端絕緣與末匝仍用"8"字綁扎法綁好（低壓線圈首頭、末頭預留長度都是壓在預留的端絕緣處）。低壓線圈繞完后，應測量線圈外徑，看是否符合要求。然后，按圖紙要求放置高低之間油道絕緣，繼續繞制高壓線圈。高壓線圈繞制方法與疊片式線圈繞制方法基本相同，這里不再介紹。A柱(相)線圈繞好后，上移鐵芯，依次繞制B、C相線圈。整臺線圈繞好后，用專用吊具把器身平放到裝配平臺上，抽出首頭和末頭，放進端部絕緣并壓緊。借助吊具將鐵芯起立，裝配鐵軛絕緣，上好鐵芯夾件，壓緊線圈軸向（注意鐵芯不要壓得太緊，否則會增加鐵芯損耗）。卷鐵芯變壓器的器身裝配后成為一個牢固的整體，能耐受較強的短路電流引起的電動機械力。此外，為了防止線圈受潮，繞制好線圈后應及時進行器身裝配。從繞制線圈到總裝配整個操作過程，對退火后的鐵芯要輕拿輕放，并配有必要的工裝吊具等，以保證鐵芯不受較大的振動，盡量避免裝配過程中鐵芯損耗增加。?
(3)卷鐵芯變壓器工藝性能：?
應用特殊夾件進行器身裝配，以保證優于疊片式鐵芯的抗短路能力。卷鐵芯在生產線上進行卷制，不需橫剪設備，消除了由人工疊片、疊裝、拆插上鐵軛造成的質量波動。線圈不用套裝工序，器身裝配只需線圈軸相緊固，不需要對鐵芯裝配緊固，工序大為簡化。就卷鐵芯變壓器生產工序而言，它比生產同樣的疊鐵芯變壓器可減少5～6道工序，因此生產效率較高，質量較穩定可靠，很少受人為因素影響。
3 S11卷鐵芯變壓器的技術特點?
S11型變壓器卷鐵芯打破了傳統的疊片式鐵芯結構。卷鐵芯變壓器是一種低噪音環保型、高效節能的配電變壓器，與傳統疊片式變壓器相比較，有 以下七個顯著特點：?
①硅鋼片連續卷制，鐵芯無接縫，大大減少了磁阻，空載電流減少了60%～80%，提高了功率因數，降低了電網線損，改善了電網的供電品質。?
②連續卷繞充分利用了硅鋼片的取向性，空載損耗降低20%～35%。?
③卷鐵芯經退火工藝后，其導磁性能可恢復到機加工前的原有水平。?
④卷鐵芯結構成自然緊固狀態，無需夾件緊固，避免了因鐵芯加緊力所帶來的鐵芯性能惡化，損耗增加。?
⑤卷鐵芯自身是一個無接縫的整體，且結構緊湊，在運行時的噪音水平降低到30～45dB，保護了環境。因此，很適合于建筑物內和生活區安裝使用。?
⑥卷鐵芯節約加工材料，硅鋼片無橫剪工序，邊角廢料少，材料利用率比S9型疊鐵芯變壓器高，在同容量下，鐵芯重量大約下降10%左右，節約了原材料，性能價格比有較大提高。?
⑦卷鐵芯生產加工機械化程度高，生產效率比疊片鐵芯生產率提高約2倍。?
卷鐵芯變壓器的缺點：一是鐵芯退火工藝要求較高；二是鐵芯卷繞和線圈繞制需要專用設備；三是鐵芯和繞組維修較困難。?
目前國內采購的卷鐵芯變壓器主要是315kVA及以下容量。?
2000年，國家電力公司農電工作部、成套設備部、電力機械局聯合召開了S11卷鐵芯變壓器應用研討會，明確各地可根據實際情況推廣使用。
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