本文主要研究了電力變壓器立體卷鐵芯的特點。把平面疊鐵芯和立體卷鐵芯在結構、工藝、電磁等方面進行了對比分析，結果表明，立體卷鐵芯變壓器具有空載電流小、空載損耗低、運行噪音低、節約材料的優點。因此，立體卷鐵芯變壓器具有明顯的節能優勢和廣闊的應用前景。
2014年，工業和信息化部，質檢總局決定組織實施全國配電變壓器能效提升計劃。按照新標準，我國在網運行的配電變壓器，絕大多數都不是高效能的，推廣高效節能變壓器勢在必行。
從某種意義上說，鐵芯節能技術的開發是配電變壓器高效節能的核心。本文通過對立體卷鐵芯與疊鐵芯的對比分析，探討立體卷鐵芯配電變壓器的節能優勢。
1立體卷鐵芯的發展歷程
配電變壓器的發展經歷了一百多年的歷史，鐵芯技術不斷優化促進了變壓器性能提升和改善。我國在20世紀60年代開始研制立體結構的變壓器，但限于材料和技術原因，到20世紀90年代末，國內才研發出結構合理、性能滿足的立體卷鐵芯配電變壓器變壓器。目前，全球首臺最大容40000kVA卷鐵芯變壓器由特變電工衡陽變壓器有限公司與廣東海鴻有限公司合作研制成功，實現了立體卷鐵芯變壓器的又一次突破。
2疊鐵芯與立體卷鐵芯
2.1疊鐵芯與立體卷鐵芯結構對比
疊鐵芯通常是三相三柱式結構，是由三個芯柱及上下鐵軛組成的平面布置型結構。立體卷鐵芯是拼立式結構，由三個尺寸完全相同的鐵芯單框組成，拼合后的三個鐵芯柱上截面呈等邊三角形，如圖1。
由圖可知：一般疊鐵芯芯柱截面和鐵軛截面相等，立體卷鐵芯的鐵軛截面小于芯柱截面。立體卷鐵芯的鐵軛重量為六個半軛重，疊片式為四個全軛重，在同等情況下立體卷鐵芯軛重比疊鐵芯輕大約25%。同時，立體卷鐵芯柱軛為圓弧過渡，疊鐵芯為90°直角過渡，進一步減少了立體卷鐵芯的重量。綜上所述，立體卷鐵芯具有重量輕，體積小的優點。據數據記載，相同參數下立體卷鐵芯與疊鐵芯相比，鐵芯重量下降約18%變壓器，現以100kVA和400kVA兩種容量變壓器為例，做進一步對比分析，見表1變壓器。
表1相同參數下立體卷鐵芯與疊鐵芯的質量對比
2.2疊鐵芯與立體卷鐵芯工藝對比
平面疊鐵芯是由縱剪生產線和橫剪生產線，將硅鋼帶加工成一定形狀的硅鋼片，再將硅鋼片按一定方式疊成變壓器。疊鐵芯橫截面呈階梯型。立體卷鐵芯的每個單框由經開料機曲線剪切開料形成的若干根硅鋼帶薄片連續卷繞而成，卷繞后呈梯形狀，每個單框橫截面接近半圓形，整裝拼合后的橫截面呈接近整圓的準多邊形，鐵芯截面見圖2。
從工藝方面來說，立體卷鐵芯相較于疊鐵芯有以下三點優勢：
1、無廢料加工：疊鐵芯為了增強機械強度，在制作過程中采用不斷軛鐵芯片，其鐵軛片在生產過程中需要在中柱位置沖V形角，沖出的V形角就是產生的硅鋼片廢料；而立體卷鐵芯用開料機將每段硅鋼片一分為二成相同尺寸的梯形料帶，加工套裁后直接卷繞呈梯形，這種開料技術達到了無廢料加工，材料利用率100%。
2、填充系數高：疊鐵芯的芯柱截面積呈梯形狀，截面填充系數為0.89~0.925變壓器。立體卷鐵芯芯柱橫截面呈接近整圓形的準多邊形，截面填充系數可達0.95~0.97變壓器，大大提高了填充系數。
3、可機械化生產和產品穩定性高：由于疊鐵芯本身結構設計的局限性，其疊裝工藝采用人工疊片，增加了制作的成本和時間，產品質量參差不齊。立體卷鐵芯采用專用設備卷制，卷繞更緊密結實，其標準化的流水線生產不僅減少了手工操作帶來的不穩定性，也提高了生產的效率。
2.3疊鐵芯與立體卷鐵芯電磁分析
三相變壓器的磁路可以歸納為兩種類型:（1）各相磁路回路彼此相關聯（2）各相磁路彼此獨立互不影響。
通過電磁分析，兩種變壓器鐵芯磁通分布和相量圖如圖3。
立體卷鐵芯的磁通分布歸為（2）類。A-B，A-C，B-C三相之間的耦合磁路一致且最短，磁路和磁通都分別平衡。三相電壓施加到變壓器時，產生的磁壓降一致，勵磁電流平衡。
3立體卷鐵芯變壓器性能優勢
立體卷鐵芯變壓器鐵芯結構的優化設計，必然會改善和提高整個變壓器產品性能。歸納為以下四點優勢。
3.1空載損耗低
由空載損耗計算公式P0=K1P1G變壓器,
式中：P1—鐵芯硅鋼片單位損耗（W/kg)：
G—鐵芯總重量（kg）；
K1—空載損耗工藝附加系數。
對于某一給定的硅鋼片而言，在一定頻率下,
K1取決于材質和制造工藝,這兩個數據均可由查表得。由公式可知：變壓器空載損耗與鐵芯的重量成正比，結合2.1，同等情況下立體卷鐵芯重量比疊鐵芯減少18%左右，因此立體卷鐵芯變壓器的空載損耗也大大降低。
3.2空載電流小
疊鐵芯變壓器的鐵芯疊裝有接縫，形成了許多空氣隙，局部地方的磁路方向和硅鋼片導磁方向不一致，使疊鐵芯的損耗和空載電流增大。
立體卷鐵芯由專門的鐵芯卷制機卷繞，壓力均勻緊實，沒有接縫，且制作過程中退火工藝消除機械應力，使硅鋼片晶格重新取向，提高導磁率，恢復了卷鐵芯原有的磁性能，空載電流大大降低。
空載電流計算公式：
?。嚎蛰d電流無功分量（%）；
?。嚎蛰d電流有功分量（%）。
空載電流有功分量計算公式：
?。鹤儔浩骺蛰d損耗（W）；
?。鹤儔浩黝~定容量（kVA）。
空載電流無功分量計算公式：
?。鸿F芯柱重量（kg）；
?。鸿F軛重量（kg）；
?。鸿F芯角重重量(kg）；
?。鸿F芯轉角部分勵磁電流增加系數；
?。鸿F芯柱凈截面（cm2)；
?。鸿F芯接縫總數；
?。鸿F芯單位磁化容量（VA/kg）；
?。航涌p磁化容量（VA/cm2）；
?。侯~定容量（kVA）。
由上述公式變壓器分析：立體卷鐵芯沒有接縫和角重，總重量比疊鐵芯輕，空載損耗比疊鐵芯小，故空載電流遠遠小于疊鐵芯。
3.3運行噪音低
變壓器本體噪音水平的高低，已成為衡量各制造廠設計能力和生產水平的重要指標之一。疊鐵芯硅鋼片接縫處和疊片之間不夠緊密，變壓器在運行過程中容易在電磁力的作用下產生振動。立體卷鐵芯是由專用設備拉緊繞制，卷片緊實可靠，致使片材振幅下降，根據計算，立體卷鐵芯約比疊鐵芯噪聲下降7~10分貝。
3.4節約材料
立體卷鐵芯變壓器節材是從硅鋼片，銅材，油以及油箱四個方面改善。
1、硅鋼片和銅材：立體卷鐵芯芯柱內圓面積的填充系數比疊鐵芯高4%~6%。在有效面積相同時，立體卷鐵芯芯柱直徑會小于疊鐵芯。結合第2.2中無廢料加工及重量輕的特點，立體卷鐵芯比疊鐵芯平均節約23%材料，線圈導線長度減少2%~3%變壓器。
2、油和油箱：立體卷鐵芯直徑和線圈尺寸小，在裝配變壓器過程中，注入變壓器油和油箱制作的材料也相應減少。
4立體卷鐵芯變壓器前景優勢
在我國實施的配電變壓器能效提升計劃中，多次提及堅持過程節能和產品節能相結合的原則。立體卷鐵芯變壓器符合這個原則，具有低損耗，低成本，低噪音，節能節材等優點。提高了輸電質量和供電的可靠性，是有利于環保的綠色節能設備，它的使用，給電力企業和非電力企業都帶來了巨大的經濟效益。立體卷鐵芯變壓器在配電變壓器中已然成為了主流產品。
5結論
隨著鐵芯技術日益成熟，工藝不斷完善，立體卷鐵芯的節能優勢和經濟優勢將更加突出，與傳統疊鐵芯相比具有很大的競爭力和發展。
