機床配電變壓器未來的發展和現狀

中國電器工業協會副會長、機械工業北京電工技術經濟研究所所長郭振巖在闡述其重要性時明確表示，配電變壓器能有效實現國家節能減排的重要技術手段。

下面我們來介紹一下變壓器的發展及現狀，機床配電變壓器是將輸電電壓的電能降壓后，向用戶直接配送的主要設備，根據電磁原理進行設計制造。各電壓等級的繞組分別與輸電系統、用電設備相聯，變壓器的導磁系統作為電磁能量轉換的部件，只要高壓繞組與輸電系統相聯，不論低壓繞組是否接有負載，在導磁系統中就始終有空載損耗與空載噪聲產生，當低壓繞組接有負載時，繞組中通過一、二次電流，兩個繞組中就有負載損耗產生。對配電變壓器而言，負載噪聲一般較小。從發展趨勢來看，重點要降低空載損耗，降低空載噪聲；發展全密封結構以滿足免維修要求。對防火有要求的場所，還需發展干式變壓器。我國配電變壓器行業經過不斷努力，在90年代以后較過去有了突破性的進展，變壓器性能不僅是鐵心硅鋼片材質的改進，而且在容量結構和制造工藝都有所突破，因而在節能降耗、降低空載電流和降低噪音等方面都取得了較大進展。以下從導磁系統（鐵心）、導電系統（繞組）、降低損耗和其他改進等四個方面介紹配電變壓器的發展及趨勢。

1、導磁系統發展的歷史回顧

自1885年匈牙利的岡茨工廠，研制成功世界上第一臺具有閉合磁路的單相變壓器以來，變壓器制造業已有117年的發展歷史。第一臺變壓器是采用一般碳素鋼絲作為鐵芯的導磁材料，將鋼絲繞成卷鐵芯結構，繞組繞在卷鐵芯上。這種變壓器雖可輸送電能，但損耗較大，輸電效率很低。由于受絕緣材料的影響，最早的配電變壓器都是干式結構，其電壓低，容量小。

1903年世界上出現了熱軋硅鋼片，于是鐵芯結構改為疊片式，當時的空載損耗雖比鋼絲作為導磁材料時下降50％以上，但絕對值還是很大的。我國是在20世紀40年代發展變壓器生產事業的。當時是以板料熱軋硅鋼片作為鐵芯的導磁材料，由于熱軋硅鋼片無方向性，故三相鐵芯都是采用直接縫，疊片上有沖孔，鐵芯柱與鐵軛都用螺捍夾緊，鐵芯拄較高時，在鐵芯柱上有接縫。如此導磁材料的材質與鐵芯結構，都決定了空載損耗與空載噪聲都具有較大的值。由于配電變壓器都安裝在電線桿的平臺上，離居民區較遠，故一般多采用油浸式配電變壓器，在性能考核內容中也不考核空載噪聲。

1964年日本發明了高導磁晶粒取向冷軋硅鋼片，1968年起，世界上已可以買到這種硅鋼片的卷料，這就推動了導磁系統的結構改進，加工設備的現代化，使配電變壓器的空載損耗降低、空載噪聲降低。由縱剪生產線將1000mm寬的卷料剪裁成一定寬度的卷料，再由橫剪生產線剪切成一定形狀的疊片。由于冷軋硅鋼片有方向性，故接縫改為45°斜接縫。由于卷料可剪切成任意長度的疊片，故鐵芯柱上不再有接縫。由于疊片定位方法的改進，芯柱與軛片內可不設孔，鐵芯柱由玻璃粘帶扎緊，鐵軛由粘帶制成的拉帶拉緊，這就使空載損耗得到大幅度的下降。

 在開發新型配電變壓器中，導磁材料的作用十分重要，而這兩方面我國都比較落后，多年來沒有重大突破, 硅鋼片幾乎完全靠進口。

     我國64、73標準的變壓器大都采用熱軋硅鋼片作為鐵芯的導磁材料，由于熱軋硅鋼片無方向性，故三相鐵芯都是采用直接縫。80年代始，我國進口了這種硅鋼片的卷料用于變壓器的生產，由于冷軋硅鋼片有方向性，鐵芯柱上不再有接縫，疊片定位方法得到改進，芯柱與軛片內可不設孔，在此期間，國內生產的變壓器大都是S7系列，空載損耗大幅度的降低。

    20世紀90年代，世界上又研制成厚度僅為0.23mm的冷軋晶粒取向硅鋼片，硅鋼片如再經過激光照射或等離子處理，即可成為最低單位損耗的硅鋼片系列產品，50Hz及1.7T（特斯拉）下的單位損耗僅為0.9W/kg。鐵芯結構上又出現階梯45°接縫的最新結構，使空載損耗與空載噪聲又一次降低，使配電變壓器向低損耗、低噪聲方面發展又邁進了一步，空載損耗降低60％。配電變壓器也就由S7系列發展成為S9、S10等系列。

1960年美國加利福尼亞工業大學發現了另一種有良好導磁性能的非晶合金，也稱金屬玻璃。1974年美國聯信公司研制出鐵基非晶合金，1978年美國GE公司測出6OHz及1.5T（特斯拉）下的單位損耗為0.44W/kg，較0.9W/kg又下降50%。1980年聯信公司首次推出15kVA非晶鐵芯配電變壓器，以后，美國GE公司制成2500kVA非晶鐵芯配電變壓器?？蛰d損耗比用激光處理高導磁晶粒取向冷軋硅鋼片又降低了70%。我國上海置信變壓器有限公司引進美國GE技術，在1994年引進和研制成功第一批非晶鐵芯配電變壓器，有些廠也已具備批量生產非晶鐵芯配電變壓器的能力。

    從以上發展歷史的回顧中可知，導磁材料的發展，促進導磁材料加工設備的現代化，鐵芯結構的改進，空載損耗與空載噪聲的大幅度下降，使變壓器可以安裝在居民區附近，指標滿足環保要求。 

2、作為導電系統繞組發展的歷史回顧

最早期生產的配電變壓器都以電解銅作為導電系統的繞組材質，當然也有用鋁導線做為繞組材料的。在熱軋硅鋼片的鐵芯中，由于飽和磁密度低，繞組匝數就要多，所用的導線就長，回路的電阻也就較大，只有這樣才能保持較低磁密，所以，熱軋硅鋼片的鐵芯配電變壓器不但空載損耗高，負載損耗也高。冷軋硅鋼片鐵芯中，由于鐵心的飽和磁密高，繞組匝數就可少，這樣，冷軋硅鋼片鐵芯配電變壓器的空載損耗相應可被降低，負載損耗也就下降。合理設計非晶鐵芯配電變壓器，如采用低壓一高壓一低壓的雙同心繞組排列，繞組采用箔繞，在降低空裁損耗的同時，也就可降低負載損耗。

在我國配電變壓器的發展歷史中，也曾用過鋁導線，雖可滿足性能要求，但由于鋁的導電率低，同容量的配電變壓器使用的鋁材也就多，負載損耗相應較大，體積大，重量高；所以國內用戶不歡迎使用鋁線變壓器，目前制造廠已不生產鋁線變壓器。

為了降低負載損耗，從材質上，目前，國內已大量采用無氧銅導線；除扁導線、圓導線外，還采用銅箔。因為無氧銅的電阻率低，表面又光亮，故負載損耗可低。 

繞組結構發展中，注意散熱性能的改進，盡量采用縱向散熱油隙，同時繞組的緊固結構要保證短路電流產生的機械力的承受能力，即提高了變壓器抗出口短路能力。在非晶鐵芯變壓器中，其結構又有所不同，其繞組不是支撐在非晶鐵芯上，具有單獨的繞組夾緊結構，加上繞組為雙同心結構，使得短路機械作用力不大，而且短路機械力承受能力很高。在1994年到1999年的六年中，國內已有350多個配電變壓器制造廠生產的低損耗、低噪聲配電變壓器順利地通過了短路承受能力試驗。這些配電變壓器包括油浸式、環氧澆注絕緣式；有硅鋼片鐵芯，也有非晶鐵芯；有導線繞的繞組，也有銅箔繞的繞組。

3、配電變壓器損耗指標不斷降低

從以上分析可知，由于導電、導磁材料的發展，鐵芯與繞組結構的改進，國內各時期生產的配電變壓器損耗對比可見下表：

10kV配電變壓器（國產）歷年損耗對比表

                         100kVA                        1000kVA       年代 鐵芯材質 空載損耗W   負載損耗W   空載損耗W        負載損耗W

 1964 硅鋼片    730          2400       4900            15000   

 1973 硅鋼片    540          2100       3250            13700

 1986 硅鋼片    320          2000       1800            11600

 1995 硅鋼片    290          2000       1650            11600

 1995 非晶合金 85           1500        450             10300

為了鞏固低損耗配電變壓器的生產經驗，推廣發展低損耗配電變壓器，國家規定從1998年下半年起淘汰損耗較高的S7系列配電變壓器，推廣發展新S9型低損耗配電變壓器。為了進一步節能，最近，國家經貿委又下文推廣發展卷鐵芯（鐵芯截面為圓形）配電變壓器（SC11），國家經貿委有關負責人指出：““十五”期間，推廣高效變壓器是開展節電工作的重要措施之一。“十五”期間，我國節電工作將以提高能源效率為核心。電能是最重要且最為昂貴的能源形式之一，節約用電是節能工作的重要內容”。變壓器是國民經濟各行業中廣泛使用的電氣設備，由于使用量大、運行時間長，存在著巨大的節電潛力。推廣高效變壓器是開展節電工作的重要措施之一。我國將研究出臺優惠政策，鼓勵老舊高耗能變壓器的替換和改造，制定和推動變壓器能效標準和標識工作，淘汰低效率變壓器的生產與銷售，鼓勵高效變壓器的推廣。用非晶合金材質時為長方形截面卷鐵芯。從表中可知，非晶鐵芯配電變壓器具有最低的損耗。采用雙同心繞組結構的非晶鐵芯配電變壓器不但損耗低，成本也低，節能潛力大，短路承受能力還高。

4、其它結構的改進與發展趨勢

傳統的配電變壓器都用于中性點絕緣的10kV系統中，故繞組的聯結組都選Yyn0，這樣，在高壓側裝開關時（包括無激磁調壓分接開關與有載調壓分接開關）都位于中點側，這樣，開關結構簡單易于制造。隨著非線性負載的增長，卷鐵芯結構的選用，繞組的聯結組也在向 Dyn11過渡。

由于中性點絕緣的10kV系統中，過電壓倍數較高，國內還在發展中點經小電阻接地的10kV電纜配電系統，過電壓倍數有所下降，短路電流靠小電阻限制。在10kV中點經小電阻接地時，繞組的聯結組可采用Ynyn0。這是聯結組的發展趨勢。

從整體結構上，最初是用管式散熱裝置，油箱上有儲油柜，油箱中變壓器油與外界空氣是聯通的，故變壓器油要定期化驗，有維護工作量。目前多數制造廠已過渡到采用膨脹式散熱片，或波紋油箱結構，已取消儲油柜，屬全密封油箱結構。這樣，變壓器油不與外界空氣接觸，溫度變化使油體積變化靠波紋脹縮補償，或靠膨脹式散熱器補償，配電變壓器可免維護。用戶歡迎全密封結構的配電變壓器，故包括非晶鐵芯配電變壓器在內，都發展為全密封結構。

過去配電變壓器都安裝在電線桿的平臺上，離用戶較遠，故不考核噪聲對環境的影響。目前，隨著用電量的增加，配電變壓器的安裝地點更加接近居民區，噪聲也成為考核的項目之一。故配電變壓器除滿足低損耗外，還要滿足低噪聲要求，故在配電變壓器內都采取降噪聲的結構與工藝措施。有人擔心非晶鐵芯能不能具有較低噪聲。在相同磁密時，非晶的磁致伸縮是較硅鋼片大，但非晶鐵芯的工作磁密較低，在不同的工作磁密下，非晶鐵芯噪聲也不大，也可達到低噪聲要求。

傳統的配電變壓器是靠裝在變壓器外的開關、熔斷絲保護，新發展的組合式變壓器（即基座式變壓器，或稱美式箱式變壓器）已將負荷開關、熔斷絲裝于油箱內。此變壓器還可用于環網供電系統中，低壓側還可分幾路送電，并可裝保護與計量裝置。這樣，低壓配電線可更短，更加減少線路損耗。當我國城鄉電網作電纜配電網改造時，箱變的結構是最理想的。另外，就目前由于非晶合金配電變壓器的價格較高，推廣使用的難度較大，將來，隨著生產規模的擴大，引進生產技術的推廣和產量的增加，價格下降已成定局，此類變壓器也將有廣泛的推廣價值和節能潛力。

隨著配電變壓器行業競爭不斷加劇，大型配電變壓器企業間并購整合與資本運作日趨頻繁，國內優秀的配電變壓器生產企業越來越重視對行業市場的研究，特別是對企業發展環境和客戶需求趨勢變化的深入研究。正因為如此，一大批國內優秀的配電變壓器品牌迅速崛起，逐漸成為配電變壓器行業中的翹楚！

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