我國首臺擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的220kV/56.5MVA卷鐵芯牽引變壓器日前通過了國家變壓器質(zhì)檢監(jiān)督檢驗中心最嚴(yán)酷的短路試驗和全套型式試驗，標(biāo)志著世界上第一臺大型卷鐵芯節(jié)能牽引變壓器在我國研制成功。相比目前被廣泛使用的疊片式變壓器，卷鐵芯牽引變壓器能夠降低空載能耗40%以上，即將被安裝到中南通道王家莊牽引變電所做示范應(yīng)用。
隱性能耗不容忽視
卷鐵芯牽引變壓器的研制成功是我國產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合的典型案例。該項目由中國鐵路總公司立項支持，常州太平洋電力設(shè)備(集團)有限公司、西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院和中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司聯(lián)合攻關(guān)，沈陽變壓器研究院提供技術(shù)支撐，常州西電變壓器有限責(zé)任公司提供生產(chǎn)支撐。
近年來，我國節(jié)能減排工作力度已然不小，但往往對顯性能耗關(guān)注較多，而忽略了隱性能耗，如電氣設(shè)備的空載損耗。這是由變壓器、發(fā)電機等產(chǎn)品本身鐵芯部分的導(dǎo)磁材料——硅鋼產(chǎn)生的損耗，俗稱“鐵損”。這些空載損耗不僅帶來巨大的經(jīng)濟損失，更加重了節(jié)能減排的壓力。
以電氣化鐵路這個用電大戶來說，牽引變壓器是其牽引供電系統(tǒng)最重要的電能傳送設(shè)備。由于牽引變壓器只在列車通過時短暫工作幾分鐘，平均一天中至少有一大半以上時間處于空載狀態(tài)，因此造成的空載能耗不容小覷。
西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院院長高仕斌介紹，目前廣泛使用的疊片式變壓器鐵芯由硅鋼板裁剪拼接而成，不可避免會產(chǎn)生氣隙，使兩片相接處磁路方向與硅鋼片的導(dǎo)磁方向不一致，造成一定空載損耗;而卷鐵芯牽引變壓器由硅鋼帶連續(xù)緊密卷繞而成，整個磁路中無氣隙，硅鋼帶的導(dǎo)磁方向和磁路方向完全一致，能夠減少磁阻，降低空載損耗。
“在同等容量情況下，卷鐵芯牽引變壓器可降低空載損耗40%以上。”常州太平洋電力設(shè)備公司牽引變研發(fā)項目組總設(shè)計師吳志強為記者算了這樣一筆賬，截至2013年底，我國電氣化鐵路總里程約為5.4萬公里。按每50公里一個牽引變電所，每個牽引變電所安裝4臺牽引變壓器計算，卷鐵芯牽引變壓器每年可節(jié)約電能7億千瓦時(度)。如果將其推廣到AT變壓器和動力變壓器上，每年可為鐵路系統(tǒng)節(jié)電10億度，以一度電0.8元計算，可節(jié)約電費支出約8億元。同時，節(jié)約10億度電還意味著減少32萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗和83萬噸二氧化碳的排放。
此外，鐵芯結(jié)構(gòu)的不同還影響著硅鋼的使用量。與疊鐵芯相比，一臺卷鐵芯牽引變壓器能夠節(jié)約硅鋼使用量10%~15%，相當(dāng)于間接節(jié)省了硅鋼生產(chǎn)時所需耗能。同時卷鐵芯牽引變壓器還具有抗突發(fā)短路能力強、噪音低的綜合優(yōu)點。
“牽引”中國高鐵綠色前行
近年來，我國高鐵“走出去”的速度越來越快。研發(fā)項目組專家表示，220kV節(jié)能卷鐵芯牽引變壓器的誕生意味著中國高鐵經(jīng)濟成本和環(huán)境成本有望實現(xiàn)雙降，其出口競爭力可望進一步提升。“我們能讓用戶買得起高鐵更用得起高鐵，在速度上去了的同時還能把碳排放降下來。”
日前，中泰高鐵聯(lián)合研究中心籌備辦公室在曼谷成立，正式進入運行階段。據(jù)了解，中泰122億美元的高鐵項目計劃年底前啟動，由中方參與投資，并負(fù)責(zé)修建全長867公里的雙軌標(biāo)準(zhǔn)軌鐵路，火車運行時速可達(dá)160~180公里，連接廊開府、曼谷、羅勇府等重地。專家預(yù)計，若這段鐵路全部使用卷鐵芯牽引變壓器，一年可節(jié)省1120萬度電，有助于緩解泰國能源緊張形勢。
在泰國等東南亞市場之外，中國高鐵還陸續(xù)在俄羅斯、墨西哥、美國加州等海外市場取得了突破性進展。專家表示，卷鐵芯牽引變壓器作為高鐵產(chǎn)業(yè)鏈條上的一環(huán)，若能一同走出國門，將通過降低空載能耗大幅降低高鐵運營成本，這是其他國際競爭對手無法比擬的優(yōu)勢;而將降低的空載能耗換算成節(jié)煤指標(biāo)，對任何一個用戶都具有很強的吸引力。這對于扭轉(zhuǎn)以高鐵為名片的中國制造業(yè)形象來說大有裨益。
專家同時表示，就變壓器產(chǎn)業(yè)本身來說，卷鐵芯牽引變壓器的研制成功對于提升中國變壓器產(chǎn)品水平，促進具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電氣化設(shè)備出口具有積極意義。據(jù)了解，從技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品生命周期的規(guī)律分析，至少在5~8年內(nèi)，卷鐵芯牽引變壓器在鐵路市場中將處于領(lǐng)先行業(yè)對手一代技術(shù)的地位。
開創(chuàng)全新研發(fā)模式
作為第一個吃螃蟹的人，常州太平洋從研制220kV卷鐵芯牽引變壓器之初，就面臨著諸多困難。其中一大難題就是“工業(yè)母機”的制造。
目前，國內(nèi)疊片式變壓器大行其道，原因要追溯到三十年前改革開放時期，德國喬格公司抓準(zhǔn)中國大規(guī)模更換變壓器的時機，向中國出口了上千條疊片式變壓器生產(chǎn)線。隨著喬格生產(chǎn)線的大批涌入，中國形成了較為固定的疊片式變壓器生產(chǎn)工藝，國內(nèi)近千家變壓器制造廠家均采用這種工藝。
相比之下，卷鐵式變壓器就弱勢很多。受制于特種加工設(shè)備缺乏、電磁場強模擬計算困難等諸多技術(shù)問題困擾，高電壓、大容量卷鐵芯變壓器制造領(lǐng)域長期沒有突破性進展。目前，國內(nèi)外廠家只有生產(chǎn)10kV級的卷鐵芯配電變壓器的能力，35kV級卷鐵芯變壓器的設(shè)計制造技術(shù)也僅僅掌握在少數(shù)廠家手里。
因此，“要制造大型卷鐵變壓器完全沒有成功經(jīng)驗可供借鑒，一切都是從零開始。”常州太平洋電力設(shè)備公司創(chuàng)建人高國凱對記者說，其中首先要解決的就是制造卷鐵變壓器所需的大型折線開料機、卷繞機、閉環(huán)式立式繞線機等生產(chǎn)設(shè)備的研制。
高國凱介紹，剛開始變壓器鐵芯在卷繞過程中，遇到了嚴(yán)重的脹裂不均勻的問題。經(jīng)反復(fù)試驗發(fā)現(xiàn)，造成脹裂的一個重要原因是硅鋼片開料時在邊緣留下的毛刺。為此，技術(shù)人員絞盡腦汁修改開料機的設(shè)計，最終以兩個小小的滾輪解決了這個問題。“我們一直在摸索著前進，不停地遇到問題、解決問題。”
據(jù)了解，常州太平洋是目前國內(nèi)外惟一掌握了220kV級卷鐵芯變壓器的設(shè)計、制造技術(shù)和惟一具備獨立研發(fā)項目產(chǎn)品專用加工設(shè)備的單位。
成就的取得，離不開一個開放的態(tài)度。實際上，常州太平洋作為一個生產(chǎn)35千伏電器產(chǎn)品的民營企業(yè)，在研發(fā)生產(chǎn)大型卷鐵變壓器上并沒有過多優(yōu)勢，所幸他們沒有閉門造車，而是按照當(dāng)前時興的“花錢買服務(wù)”的方式，請來了沈陽變壓器研究院的專家做技術(shù)把關(guān)人，又請來了常州西電變壓器有限責(zé)任公司的實驗人員和裝配車間為變壓器生產(chǎn)做支撐，可謂是開創(chuàng)了一種新的研發(fā)模式。
