一、綜述
眾所周知，電力變壓器是電力網中輸送電能的主要電氣設備，但同時其自身也是耗能大戶。
變壓器的總損耗主要由空載損耗和負載損耗組成，要占到系統發電量的10%左右，按2014年全國發電量5.4萬億千瓦時測算，每降低變壓器1%的損耗，全年即可減少近60億度電的電能損失。從變壓器的損耗評價值看，空載損耗評價值要達到負載損耗評價值的2~3倍，因此，降低變壓器空載損耗，加快節能型變壓器的研制工作，在當前推進建設節約型社會，實現能源消費和能源生產革命，保障我國長久能源安全的國策背景下，意義重大。
我國政府和變壓器制造業及原材料制造業，對產品節能工作一直是較為重視的。上世紀80年代中期，就在全國范圍內強制性的以S7型系列低損耗配電變壓器淘汰了還在電網運行的按JB1300-73和JB500-64彼岸準制造的高能耗配電變壓器。從1998年開始，實行兩網改造，以S9型系列配電變壓器取代S7型系列配電變壓器。這兩次大規模的更新換代，產品空載損耗約降低8%~15%，至今，S11型系列配電變壓器已是市場主導產品。但這種形式的產品更新換代，并非變壓器電磁理論和結構設計上有任何突破，二是變壓器制造的主要材料—取向硅鋼制造技術的不斷發展，各項性能參數特別是鐵損值參數的不斷優化帶來的必然結果。可以認為，變壓器空載損耗水平的高低，污水處理設備主要還是由硅鋼材料的性能決定的。
取向硅鋼制造技術發展很快，但時至，每降低0.1W鉄損值的技術難度越來越大，制造成本也越來越高。因此，尋找新的軟磁替代材料或對變壓器結構和制造工藝進行創新，已成為提高變壓器節能效果的一種新的思路和解決方案。
上世紀70年代開發研制并在近10年獲得推廣應用的非晶合金變壓器，就是通過材料創新以非晶合金新材料替代傳統取向硅鋼實現變壓器節能效果的一種解決方案。非晶合金變壓器雖然具有超低空載損耗的優勢，但由于非晶合金固有的一些特性，決定了非晶合金變壓器極難解決器身易失穩、鐵心機械強度薄弱、抗短路能力不足、噪聲增大和空載損耗回升的弊端。也因此，非晶合金變壓器只能在10kV級配電網中獲得應用。
卷鐵心變壓器其鐵心采用傳統取向硅鋼帶連續卷制而成，磁路連續緊密無氣隙，是一種通過對變壓器結構和制造工藝進行創新，在基本不增加制造成本的前提下，實現降低變壓器空載損耗，提高節能效果的另一種解決方案。因受制于材料、鐵心結構、工藝和生產設備配套等因素，直至20世紀初，立體結構的卷鐵心變壓器才逐漸進入快速發展的商業化生產階段。雖然目前卷鐵心變壓器主要僅應用在10kv級配電網中，但通過結構和工藝創新實現變壓器降低空載損耗的思路，無論是理論驗算還是我們成功研發220kv牽引變壓器的實例，都證明了卷鐵心變壓器在牽引供電系統內推廣應用是完全可行的。
二、卷鐵心結構牽引變壓器的研發
牽引供電系統是指鐵路從電網引入220kV、110kV電源，通過牽引變電所降壓到27.5kV（電氣化鐵路）或35kV（城市地鐵）送至電力機車的整個供電系統。牽引變壓器是將三相電力系統的電能傳輸給二個各自帶負載的單相牽引線路。二個單相牽引線路分別給上、下電力機車供電。所以，牽引變壓器就是用作三相變二相的變壓器，是電氣化鐵路牽引供電系統中重要的電能變送設備。
牽引變壓器是一種特殊電壓等級的電力變壓器，具有牽引負荷變化劇烈、外部短路頻繁、長期空載運行的特點。隨著我國電氣化鐵路建設的迅速發展，對牽引變壓器的絕緣可靠性、過負荷性能、抗短路能力、空載損耗等性能參數指標也提出了更高的要求。
2013年6月常州太平洋電力設備（集團）有限公司與西南交通大學和中鐵工程設計咨詢集團有限公司正式承擔了中國鐵路總公司《牽引供電安全服役技術研究——電氣化鐵路節能型牽引變壓器研制》的課題實施任務。
課題研制產品為QYS-R-（31500+25000）/220牽引變壓器，用于山西中南通道重載電氣化鐵路牽引供電系統中，主要技術指標是：
（1）高壓220±2×2.5%kV、低壓2×27.5kV；
（2）2個單相共箱結構形式，聯結組別為VX接線，一相額定容量31500kVA,總容量56500kVA;
(3)具備能承受牽引網近端和遠端不少于70次/年頻繁短路的能力，穩態短路電流下，熱穩定能力2s內不應造成變壓器任何熱損傷；
（4）在暫態短路電流峰值下，動穩定能力0.25s內不應造成變壓器任何機械損傷；
（5）短路后繞組熱點溫度不超過250℃；
（6）空載損耗低于42kV;
（7）噪聲不超過62dB
為實現課題目標，經過理論分析并結合我們已有的卷鐵心制造經驗，確定研制產品采用卷鐵心結構，2臺單框雙柱式鐵心并列布置，每臺單框雙柱式鐵心由兩個截面為半圓形的單體鐵心拼合而成，拼合面形成散熱油道，每個單體鐵心采用硅鋼料帶連續卷制方式加工成型；繞組采用雙框并聯方式，每柱高壓繞組各設2個分接區，共4個分接區，以降低突發短路時產生的電動力，提高變壓器耐受短路的能力，調壓采用兩只單相開關進行聯調。單體鐵心的制造與線圈繞制的成功與否，就成為卷鐵心牽引變壓器是否能研制成功的關鍵。
單體鐵心的制造主要解決兩個問題，一是硅鋼材料的選用，二是鐵心退火工藝的確定。根據產品設計要求，綜合考慮硅鋼材料的單位鉄損、導磁能力、絕緣漆膜耐熱溫度、退火溫度、抗拉強度等性能參數因素后，確定采用23ZH090取向硅鋼片作為鐵心制作的基材。硅鋼料帶剪切時會對料帶邊緣部分的晶格取向形成紊亂破壞，同時卷鐵心在卷制時，因受外力作用而產生內應力，由于這兩大因素影響，造成硅鋼料帶單位鐵損值急劇增加，需要進行退火處理，以消除內應力恢復硅鋼料帶原有的單位鐵損值等性能參數。大噸位的鐵心退火工藝全無先例，主要難點是在升溫和降溫過程中鐵心內、外部溫差值的測量和控制問題如何解決。經過多次反復測算和論證，通過建立鐵心體受熱和散熱的平衡關系，并對熱功能進行測量和控制，使大噸位鐵心的退火一次成功，從制造源頭保證了成品空載損耗已處于可控范圍，解決了卷鐵心結構的牽引變壓器能否試制成功的一大關鍵問題。
同樣，由于每柱3只線圈加絕緣件總重已達到8噸多，且必須在鐵心心柱上直接繞制，傳統線圈繞制工藝和現有設備傳動結構都無法滿足要求，經多次樣件試繞，終我們獨創并成功實施了在鐵心心柱上采用立式工位繞制線圈的全新工藝，解決了卷鐵心牽引變壓器能否試制成功的另一大關鍵問題。
經過1年多的研發，全球首臺電壓等級達到220kV，容量為56500kVA的卷鐵心結構的牽引變壓器于2014年12月在變壓器質量監督檢驗中心一次性通過了全套型式試驗及短路承受能力試驗、過負荷能力試驗等特殊試驗。部分實測數據：空載損耗32.4kV、噪聲47dB（聲壓級）、短路試驗阻抗變化率小于0.1%。實測數據反映，至少在降低變壓器空載損耗和噪聲、提高抗短路能力這三方面，卷鐵心結構的變壓器與常規疊片式變壓器相比，優勢極其明顯，而且這種優勢是在基本不增加制造成本，對材料無特殊要求，僅通過對變壓器結構和制造工藝進行創新獲得的，
以上我們簡述了卷鐵心結構的牽引變壓器在研制過程中的一些關鍵問題和解決措施，其中對硅鋼材料而言，常規取向硅鋼材即能滿足卷鐵心加工要求了，但如能在以下幾個方面有改進，則能更好地發揮卷鐵心結構的優勢，更能提高卷鐵心變壓器的性能參數指標：
（1）料帶厚度：鐵心采用疊積工藝制造時，片厚在0.27~0.35比較合適，片子太薄疊片比較困難。但鐵心采用卷制工藝制造時，則片厚在0.23及以下比較合適，偏薄的片子卷制時越緊密。
（2）表面涂層的耐熱度和附著力：目前硅鋼材料的表面涂層的耐熱度和附著力是能夠滿足卷鐵心加工要求的，但考慮到鐵心卷制時料帶表面施加0.6MP的壓緊力和退火時820℃左右的高溫，因此要求表面涂層的耐熱度和附著力性能參數穩定可靠，否則容易損傷料帶。
（3）線圈直接在鐵心上繞制，可不再考慮套裝裕度尺寸，縮小線圈尺寸，降低制造成本。但由于心柱有波浪形變形，實際套裝裕度仍然沒有能取消。卷鐵心制造時，退火工序是不可或缺的，如果通過材料改良能夠去除退火工序，或者采用其他工藝替代“退火”工藝，則將是卷鐵心變壓器制造上的一次革命，我們愿意與材料廠家共同進行這方面的探索。
三、卷鐵心變壓器市場前景
1、配電變壓器市場
配電變壓器市場是卷鐵心變壓器的應用市場。至2020年，變壓器產量每年約為18億kVA,按照總量的40%為10KV配電變壓器計，配電變壓器每年市場容量為7.2億kVA，預計其中15%采用卷鐵心變壓器，則平均每年的卷鐵心配電變壓器市場容量將達到1億kVA以上，市場規模將達到50~80個億。
2、35kV及以上電力變壓器市場
35kV級卷鐵心變壓器目前產量較少，處于穩步推進階段，110kV級卷鐵心變壓器目前國內僅有少數廠家研制成功，220kV級卷鐵心變壓器目前還僅有上述這臺QYS-R-(31500+25000)/220研制成功，并于2015年2月份在山西重載鐵路成功掛網投運。
因電網系統使用的110kV及以上等級的卷鐵心變壓器仍處于研試階段，因此未來的市場容量和規模還無法預期，但從近期電網系統對高壓節能型變壓器的關注程度和國內主流變壓器生產商紛紛涉足卷鐵心變壓器的研發上看，我們有理由相信在未來3~5年內，即使卷鐵心變壓器僅占有10%的份額，市場規模也將是百億級的。
3、電氣化鐵路市場
由于卷鐵心變壓器良好的節能降噪效果和超強的過負荷抗短路能力，特別是常州太平洋電力設備（集團）有限公司研發的220kV牽引變壓器獲得圓滿成功后，在牽引供電系統的應用獲得了鐵路總公司的高度重視，預計在1~2年內將會逐步推廣。
按照《中長期鐵路網規劃》，至2020年每年還要新建的電氣化鐵路約為3000公里，每50公里一個牽引站，中間還有AT變，也就是說每50公里將新置10臺變壓器，每年將要新置600臺變壓器，每年的市場規模約為15~20個億。
4、城市軌道交通市場
當今正在全國各地興起的城市軌道交通建設，又提供了一個新興的變壓器市場。依照各地地鐵發展規劃，至2020年城市地鐵開通運營里程數將達到14680公里，如果按平均0.8公里為一個站點，將要建18350個車站，每個車站4臺整流變，3-5臺電力變，平均每個站點用8臺變壓器，則需要近15萬臺變壓器，每年需求3萬臺變壓器，每年的市場規模約為8-12億。
四、卷鐵心變壓器應用于牽引供電系統中的節能、環保效果
至2014年，電氣化鐵路總里程已經突破5萬公里。按每一個50MVA變電所平均空載損耗下降100kW計，采用節能型卷鐵心牽引變壓器每年可節約電能損耗超過9億度電，到2020年電氣化鐵路里程達到7.2萬公里時，按此測算每年更將達到15億度電的節能效果，每年減少碳排放約4000萬噸。而卷鐵心變壓器在城市地鐵牽引供電系統的應用除了節能外，還有更重要的一方面就是大幅度降低了城市變電所的運行噪音，對建設綠色、環保生態型城市具有重大意義。
五、卷鐵心變壓器技術發展趨勢
卷鐵心變壓器自上世紀60年代開始形成基本結構概念，至今已經經歷過幾次技術更新和技術換代，從卷鐵心牽引變壓器的成功研制經驗看，未來卷鐵心變壓器的技術發展趨勢將體現在以下幾個方面：
（1）適合卷制鐵心的絕緣結構和引線布置將更合理、更經濟；
（2）線圈立式繞制工藝將會在大型卷鐵心變壓器制造中得到推廣應用；
（3）為提高生產效率，實行并行生產模式，開口式卷鐵心的制造和插片技術會進入實用階段，并成為卷鐵心變壓器系列的一個分支。
（4）由于磁路的改進，漏磁分布也會發生變化，未來的探索將會深入到對漏磁分布的研究，在降低空載損耗的同時，可能也存在降低負載損耗的可能性。
（5）在產品的智能化、集成化和產品制造的智慧化方面，卷鐵心變壓器同樣存在著巨大的發展空間。
卷鐵心變壓器的研制成功并掛網運行，不僅僅證明卷鐵心變壓器在牽引供電系統中的應用是適合的，也為卷鐵心變壓器在高壓電力網中的應用打開了一扇希望之門。我們很愿意與變壓器行業和材料行業的各位同仁們分享我們的一些經驗和收獲，希望能夠攜手共同推進卷鐵心變壓器在中國乃至世界牽引供電系統和電力系統中的應用，為實現《中國制造2025》的規劃，共同努力。
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