我国成功研制世界首台大型节能卷铁牵引变压器

我国首台拥有自主知识产权的220kV/56.5MVA卷铁芯牵引变压器日前通过了国家变压器质检监督检验中心最严酷的短路试验和全套型式试验，标志着世界上第一台大型卷铁芯节能牵引变压器在我国研制成功。相比目前被广泛使用的叠片式变压器，卷铁芯牵引变压器能够降低空载能耗40%以上，即将被安装到中南通道王家庄牵引变电所做示范应用。
隐性能耗不容忽视
卷铁芯牵引变压器的研制成功是我国产学研用结合的典型案例。该项目由中国铁路总公司立项支持，常州太平洋 电力设备(集团)有限公司、西南交通大学电气工程学院和中铁工程设计咨询集团有限公司联合攻关，沈阳变压器研究院提供技术支撑，常州西电变压器有限责任公司提供生产支撑。
近年来，我国节能减排工作力度已然不小，但往往对显性能耗关注较多，而忽略了隐性能耗，如电气设备的空载损耗。这是由变压器、发电机等产品本身铁芯部分的导磁材料——硅钢产生的损耗，俗称“铁损”。这些空载损耗不仅带来巨大的经济损失，更加重了节能减排的压力。
以电气化铁路这个用电大户来说，牵引变压器是其牵引供电系统最重要的电能传送设备。由于牵引变压器只在列车通过时短暂工作几分钟，平均一天中至少有一大半以上时间处于空载状态，因此造成的空载能耗不容小觑。
西南交通大学电气工程学院院长高仕斌介绍，目前广泛使用的叠片式变压器铁芯由硅钢板裁剪拼接而成，不可避免会产生气隙，使两片相接处磁路方向与硅钢片的导磁方向不一致，造成一定空载损耗;而卷铁芯牵引变压器由硅钢带连续紧密卷绕而成，整个磁路中无气隙，硅钢带的导磁方向和磁路方向完全一致，能够减少磁阻，降低空载损耗。

“在同等容量情况下，卷铁芯牵引变压器可降低空载损耗40%以上。”常州太平洋电力设备公司牵引变研发项目组总设计师吴志强为记者算了这样一笔账，截至2013年底，我国电气化铁路总里程约为5.4万公里。按每50公里一个牵引变电所，每个牵引变电所安装4台牵引变压器计算，卷铁芯牵引变压器每年可节约电能7亿千瓦时(度)。如果将其推广到AT变压器和动力变压器上，每年可为铁路系统节电10亿度，以一度电0.8元计算，可节约电费支出约8亿元。同时，节约10亿度电还意味着减少32万吨标准煤的消耗和83万吨二氧化碳的排放。
此外，铁芯结构的不同还影响着硅钢的使用量。与叠铁芯相比，一台卷铁芯牵引变压器能够节约硅钢使用量10%~15%，相当于间接节省了硅钢生产时所需耗能。同时卷铁芯牵引变压器还具有抗突发短路能力强、噪音低的综合优点。
“牵引”中国高铁绿色前行
近年来，我国高铁“走出去”的速度越来越快。研发项目组专家表示，220kV节能卷铁芯牵引变压器的诞生意味着中国高铁经济成本和环境成本有望实现双降，其出口竞争力可望进一步提升。“我们能让用户买得起高铁更用得起高铁，在速度上去了的同时还能把碳排放降下来。”
日前，中泰高铁联合研究中心筹备办公室在曼谷成立，正式进入运行阶段。据了解，中泰122亿美元的高铁项目计划年底前启动，由中方参与投资，并负责修建全长 867公里的双轨标准轨铁路，火车运行时速可达160~180公里，连接廊开府、曼谷、罗勇府等重地。专家预计，若这段铁路全部使用卷铁芯牵引变压器，一年可节省1120万度电，有助于缓解泰国能源紧张形势。
在泰国等东南亚市场之外，中国高铁还陆续在俄罗斯、墨西哥、美国加州等海外市场取得了突破性进展。专家表示，卷铁芯牵引变压器作为高铁产业链条上的一环，若能一同走出国门，将通过降低空载能耗大幅降低高铁运营成本，这是其他国际竞争对手无法比拟的优势;而将降低的空载能耗换算成节煤指标，对任何一个用户都具有很强的吸引力。这对于扭转以高铁为名片的中国制造业形象来说大有裨益。
专家同时表示，就变压器产业本身来说，卷铁芯牵引变压器的研制成功对于提升中国变压器产品水平，促进具有自主知识产权的电气化设备出口具有积极意义。据了解，从技术发展和产品生命周期的规律分析，至少在5~8年内，卷铁芯牵引变压器在铁路市场中将处于领先行业对手一代技术的地位开创全新研发模式
作为第一个吃螃蟹的人，常州太平洋从研制220kV卷铁芯牵引变压器之初，就面临着诸多困难。其中一大难题就是“工业母机”的制造。
目前，国内叠片式变压器大行其道，原因要追溯到三十年前改革开放时期，德国乔格公司抓准中国大规模更换变压器的时机，向中国出口了上千条叠片式变压器生产线。随着乔格生产线的大批涌入，中国形成了较为固定的叠片式变压器生产工艺，国内近千家变压器制造厂家均采用这种工艺。
相比之下，卷铁式变压器就弱势很多。受制于特种加工设备缺乏、电磁场强模拟计算困难等诸多技术问题困扰，高电压、大容量卷铁芯变压器制造领域长期没有突破性进展。目前，国内外厂家只有生产10kV级的卷铁芯配电变压器的能力，35kV级卷铁芯变压器的设计制造技术也仅仅掌握在少数厂家手里。
因此，“要制造大型卷铁变压器完全没有成功经验可供借鉴，一切都是从零开始。”常州太平洋电力设备公司创建人高国凯对记者说，其中首先要解决的就是制造卷铁变压器所需的大型折线开料机、卷绕机、闭环式立式绕线机等生产设备的研制。
高国凯介绍，刚开始变压器铁芯在卷绕过程中，遇到了严重的胀裂不均匀的问题。经反复试验发现，造成胀裂的一个重要原因是硅钢片开料时在边缘留下的毛刺。为此，技术人员绞尽脑汁修改开料机的设计，最终以两个小小的滚轮解决了这个问题。“我们一直在摸索着前进，不停地遇到问题、解决问题。”
据了解，常州太平洋是目前国内外惟一掌握了220kV级卷铁芯变压器的设计、制造技术和惟一具备独立研发项目产品专用加工设备的单位。
成就的取得，离不开一个开放的态度。实际上，常州太平洋作为一个生产35千伏电器产品的民营企业，在研发生产大型卷铁变压器上并没有过多优势，所幸他们没有闭门造车，而是按照当前时兴的“花钱买服务”的方式，请来了沈阳变压器研究院的专家做技术把关人，又请来了常州西电变压器有限责任公司的实验人员和装配车间为变压器生产做支撑，可谓是开创了一种新的研发模式。