摘要：分析立体卷铁芯结构、工艺等，与传统变压器铁芯相比，具有三相平衡、省材、空载损耗低、空载电流低、抗短路能力强、噪声低、电场磁场低等特点。立体卷铁芯节能技术已运用在节能工程、非晶合金变压器、110kV变压器及清洁能源领域。立体卷铁芯变压器拥有性能、生产成本、使用经济性等多种优势，未来将成为变压器行业的主流产品。
关键词：立体卷铁芯；技术；节能；性能；变压器
引言
国务院出台了《节能减排“十二五”规划》；变压器节能产品纳入节能产品惠民工程财政补贴推广范围；GB20052-2013《三相配电变压器能效限定值及能效等级》标准规定变压器生产及销售至少应达到能效三级。随国家节能减排政策的实施，市场对变压器提出了新的要求，节能型变压器渐渐成为市场的主流产品。
1 立体卷铁芯发展
1.1 国内外立体卷铁芯发展历程
20世纪90年代，我国部分厂家已在研发生产立体结构的变压器，2002年起已有产品进行销售，但一直未能大规模推广应用，主要是市场关注度不够，使企业研发投入少，生产设备落后，产品单一且容量小、应用领域窄。因此，立体卷铁芯技术发展不够成熟。
1.2 立体卷铁芯节能技术研发历程
节能节材高效立体卷铁芯变压器是在平面卷铁芯变压器结构基础上进行特殊设计发展起来的。将平面形卷铁芯的内外框改成窗口尺寸与内框相同的三只相同单框，三框拼合在一起，就成为对称的立体三角形卷铁芯结构，实现三相磁路完全对称等长。
2 立体卷铁芯技术特点
铁芯的磁导体是能量转化的媒体，立体卷铁芯是一种突破传统平面结构的变压器铁芯，是三个由若干根梯形料带依次连续卷绕而成的铁芯单框拼合而成，呈三相对称立体式结构。与传统变压器铁芯相比，具有三相平衡、省材、空载损耗低、空载电流低、抗短路能力强、噪声低、电场磁场低等特点[1]。
2.1 三相平衡
由于叠铁芯及平面卷铁芯变压器的三个芯柱呈平面排列，造成中间芯柱的磁路长度最短，两个边柱的磁路较长，二边柱平均磁路长度比中柱平均磁路长20%以上，从而造成中柱损耗最低，两个边柱损耗较大，造成三相不平衡。
立体卷铁芯的三个芯柱磁路长度完全一致且最短，三个芯柱损耗一致，因而三相平衡。
2.2 省材
（1）铁芯材料节省
立体卷铁芯不同尺寸的梯形料带由专用曲线开料机进行套裁加工得到， 材料利用率可接近100%[2]，是接近零废料的一种加工工艺。在相同材质、铁芯有效面积、窗高、窗宽等参数情况下，相同性能的立体卷铁芯变压器与平面叠铁芯变压器比较如下：
1) 三角形卷铁芯AC间磁路在铁轭部分较平面形铁芯缩短1/2，而轭的面积是每相柱截面的1/2，所以铁轭部分的重量减轻1/4，铁轭与芯柱的重量比一般为2：3，所以铁芯的总重量理论应减轻约10%。
2) 卷铁芯没有多余的角部重量，又比平面叠铁芯轻约5%。
3) 铁芯材料裁剪利用率比叠铁芯高5%。
4) 合计立体三角形卷铁芯比叠铁芯节省硅钢片累计约20%及以上。
（2）电磁线节省
立体三角形卷铁芯芯柱横截面呈准多边形，截面填充系数可达0.95~0.96，而叠铁芯的芯柱横截面呈阶梯形，截面填充系数为0.89~0.925，故在相同横截面积情况下，立体卷铁芯绕组平均匝长短，即可节省导线铜材约8%。
2.3 空载损耗低
由空载损耗计算公式P0 =K0 ×G×Pt [3]，
式中， Pt是铁芯单位重量损耗，由磁通密度B决定；K0是工艺系数；G是铁芯总重量。
由公式可知，变压器空载损耗与铁芯总量及工艺系数成正比。因立体卷铁芯重量比叠片铁芯减少20%以上，因此空载损耗也大大降低。
结论：立体卷铁芯结构主要从降低铁芯重量和空载损耗工艺系数二方面实现降低变压器空载损耗[4]。
2.4 空载电流低
空载电流小可降低变压器损耗、提高功率因数、减少无功补偿设备容量，大大降低供电网损。
叠铁芯变压器铁芯叠装都要有接缝，硅钢片接缝处形成磁路中的空气隙是高磁阻磁通饱和区，能量损耗集中在这里。叠铁芯的磁通方向在经过多个角部时，增大了磁阻，产生的损耗大，使叠铁芯空载电流增大。
立体三角形卷铁芯变压器铁芯无接缝，没有因接缝处形成的空气隙带来的损耗，立体卷铁芯三相磁路完全相等，磁通方向与硅钢片晶粒取向完全一致，大幅度地降低了空载电流。
2.5 抗短路能力强
变压器抗短路能力的提升对电网安全、稳定运行十分重要。立体卷铁芯变压器夹件为三角形框架结构，焊接成一体，应用三角形的结构稳定性，提高整体强度、不易变形。
立体三角形卷铁芯结构变压器夹件对线圈的压持面积比平面形布置线圈被压面积增加16%，受短路电动力作用时，线圈圆周上各点受力均匀，因此极大地增强了抗短路能力。
2.6 噪声低、电场磁场低
变压器噪声是运行时的固有特性。叠铁芯硅钢片之间工艺实现不易紧密，工作时在电磁力作用下，产生振动，噪声较大。立体三角形卷铁芯是由几种规格梯形料带依次卷绕而成，硅钢带之间较为紧密，硅钢带导磁方向与铁芯磁路方向完全一致，工作时振动小，可以解决叠铁芯因磁路不连贯而发出的噪音，一般可比叠铁芯变压器降低10dB~25dB，基本达到静音状态，使噪音降低到最低限度。立体卷铁芯紧凑、对称的线圈结构大大降低了变压器周围的杂散磁场。
3 经济性分析
以非晶合金立体卷铁芯油浸式变压器为例，分析立体卷铁芯变压器的经济性。
3.1 产品性能参数对比分析
一级能效产品S(B)H16非晶合金立体卷铁芯油浸式变压器与S11系列同容量变压器相比，空载损耗平均下降64%，负载损耗平均下降10%，空载电流平均下降89%。
3.2 年运行成本计算
只要变压器投入运行就会产生空载损耗和负载损耗。因此，引入“变压器全年运行成本”这个参数，可反映出变压器运行一年所消耗的电费。
式中各参数定义如表1所示。
主要参数说明：
（1）KQ参照GB/T 13462-2008 《电力变压器经济运行》，发电厂母线直配为0.04，二次电压为0.07，现选取0.05计算；
（2）Hpy根据DL/T 985-2012 《配电变压器能效技术经济评价导则》，选取8760h（24×365）；
（3）τ按DL/T 985-2012 《配电变压器能效技术经济评价导则》规定，企业最大负载利用小时数为5519h；
（4）β0变压器初始年高峰负载率取值为100%；
（5）E取电用时段（高峰、低谷、平段）的平均值，以0.73（元/kWh）。
经计算，与S11-M-630/10叠铁芯变压器比较，一级能效产品S-M•RL-630/10-NX1立体卷铁芯油浸式变压器的回收期约为1.3年，以变压器使用寿命一般可达20年。由此可得，立体卷铁芯比传统叠铁芯更具经济优势，值得市场关注。
另外，一级能效产品S(B)H16非晶合金立体卷铁芯油浸式变压器与S11系列同容量变压器相比，年运行成本平均下降27%。油浸式非晶合金立体卷铁芯变压器空载损耗和空载电流大大降低，节能节材，年运行成本也大幅度降低，经济性优越，符合节能减排政策，值得大力推广。
4 立体卷铁芯节能技术应用
立体卷铁芯节能产品应用遍及电力、配电网系统和各种特殊应用领域，如光伏发电、核电、风电等领域。
4.1 高效节能配电变压器推广
立体卷铁芯系列产品的优越性得到了中国南方电网公司的高度关注。2013年1月，海鸿公司受邀参加亚太经合组织举办的2013国际能效变压器论坛，向世界各国展示了中国立体卷铁芯技术的发展和节能效益，让立体卷铁芯技术在国际推广上又迈进一大步。
4.2 立体卷铁芯应用于非晶合金变压器
2012年世界首台非晶合金立体卷铁芯油浸式变压器研发成功。它是将非晶材料的节能优势和立体卷铁芯的结构优势相结合，将两者的节能特点发挥至最大。
非晶合金立体卷铁芯变压器与平面式非晶合金变压器相比，主要材料用量节省。通过表2可以看出：铜用量节省12.2%，非晶合金材料用量节省7.9%。
非晶合金立体卷铁芯油浸式变压器的空载损耗很低，具有很好的节能效果，推广非晶合金立体卷铁芯变压器既可为国家节约大量能源，又能取得显著的环保效益，值得大力推广。
4.3 立体卷铁芯技术应用于110kV领域
目前开发出的110kV电压等级立体卷铁芯油浸式电力变压器属国际空白产品。将立体卷铁芯技术应用到110kV电力变压器，与传统型变压器相比，节能节材空间更大。解决了平面叠铁芯110kV油浸式电力变压器能耗高、噪音大、体积大的缺点，适合城市变电站应用，是新型节能、环保型产品。为加快实现节能减排目标，海鸿公司成功研发出20000kVA 110kV电压等级的立体卷铁芯变压器。
4.4 立体卷铁芯应用于清洁能源领域
光伏和风力发电系统对变压器应用的耐气候性、抗短路能力、抗谐波能力有更高要求。立体卷铁芯变压器与传统变压器相比具有诸多优势，十分适用于防止变压器抗短路能力弱或因故障引起的光伏发电、风力发电设备损坏。
5 结论
目前立体三角形卷铁芯技术愈趋成熟，工艺日趋完善。产品从设计到生产，已经较为成熟和形成规范。海鸿公司积极响应国家节能减排号召，将立体卷铁芯节能技术运用到相关领域，不断研究开发节能新产品。
立体三角形卷铁芯变压器，作为新型节能型变压器产品，拥有性能、生产成本、使用经济性等多方面优势，与传统变压器相比有很大竞争优势，发展前景广阔。
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