甯佐清

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300 MVA短路試驗變壓器設(shè)計及繞組電動力分析

甯佐清

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文針對高低壓直流開關(guān)電器短路試驗用整流變壓器，分析了其運(yùn)行特點(diǎn)，提出了此類試驗變壓器的設(shè)計要點(diǎn)，并采用三維有限元方法分析了變壓器繞組在各聯(lián)接級別下軸向、輻向受力情況，本文對類似用途的特種變壓器設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

短路試驗 變壓器 繞組 仿真 電動力

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長，開關(guān)電器設(shè)備的使用量也在穩(wěn)步增長。而且電器設(shè)備的種類繁多，各種電器設(shè)備在設(shè)計定型時均需進(jìn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的型式試驗，試驗合格后才能最終投入運(yùn)行。其中，短路通斷能力試驗為各類電器設(shè)備型式試驗中的一個極為重要試驗環(huán)節(jié)，短路試驗變壓器作為開關(guān)電器設(shè)備短路通斷能力試驗的主要設(shè)備，其工作的可靠性對開關(guān)電器設(shè)備通斷能力試驗系統(tǒng)而言極其重要。本文以某中壓直流開關(guān)電器通斷能力試驗系統(tǒng)工程項目為背景，對此類短路試驗變壓器的設(shè)計和繞組電動力的分析進(jìn)行了相關(guān)論述，對類似用途的特種變壓器設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

1 300MVA短路試驗變壓器的主要技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)要求及工作方式

1.1 短路試驗變壓器結(jié)構(gòu)要求

短路試驗變壓器包含兩個器身，安裝在一個油箱內(nèi)，每個器身的二次繞組為兩個。

兩個器身的一次側(cè)接線方式相同，可通過D－Y轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行星——三角轉(zhuǎn)換以及電動無勵磁分接轉(zhuǎn)換。D接時最高輸入電壓為13.2 kV，Y接時最高輸入電壓為10 kV。

聯(lián)結(jié)組別分別為Dd0；Dd6；Dy1；Dy7。

1.2主要技術(shù)參數(shù)

短路試驗變壓器長期容量為8000 kVA，結(jié)構(gòu)容量為72000 kVA，沖擊試驗容量300 MVA。單個器身長期容量為4000 kVA，沖擊試驗容量為150 MVA。

短路試驗變壓器一次側(cè)額定電壓為13.2 kV，配電動無勵磁調(diào)壓開關(guān)，對二次電壓的調(diào)節(jié)范圍為：0；±5%；±10%；；＋15%；＋20%；＋25%；＋30%，共9個分接。當(dāng)變壓器高壓側(cè)分接位置為即0分接時，輸出交流電壓為741 V，任何分接時最高輸出電壓不大于889 V。

在額定頻率50 Hz時，單個器身以4 MVA為基準(zhǔn)容量時，全穿越阻抗電壓≤0.8%。

在額定頻率50 Hz時，單個器身以4 MVA為基準(zhǔn)容量時，半穿越阻抗電壓≥0.6%。

短路試驗變壓器自身短路功率因數(shù)≤0.15。

短路試驗變壓器鐵心的磁通密度不大于1.2T。

1.3短路試驗變壓器的工作方式

短時工作制：額定短路沖擊容量下，通0.6 s－停7 s－通0.6 s－停10 s－通0.6 s－停60 s－通0.6 s為一個循環(huán)。循環(huán)內(nèi)間隔時間變壓器空載運(yùn)行，每個試驗循環(huán)之間間隔30 min，每班8 h可進(jìn)行8個循環(huán)。

2 短路試驗變壓器的設(shè)計要點(diǎn)

2.1變壓器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

每臺短路試驗試驗變壓器分為兩個相同容量的器身（器身I及器身II），放置在同一個油箱內(nèi)。每個器身分別套裝調(diào)壓繞組、高壓繞組、兩組低壓繞組，單個低壓繞組額定容量為2000 kVA。兩個器身縱向并列安裝在同一個油箱內(nèi)，形成一個整體。見圖1。

圖1 兩個器身的布置圖

器身I連接成Dd0，Dd6；器身II連接成Dy1，Dy7。兩個器身的聯(lián)接圖見圖2，詳細(xì)連接圖見圖3。

每個器身有兩個二次繞組，二次繞組端子引出至油箱側(cè)面。在二次側(cè)分成兩個出線端子箱，出線端子按順序為a1；a2；b1；b2；c1；c2；a3；a4；b3；b4；c3；c4，共十二個端子，分別與四個整流單元連接。見圖4。

圖2 兩個器身的聯(lián)接圖

圖3 器身詳細(xì)連接圖

圖4 短路試驗變壓器與整流裝置連接圖

短路試驗變壓器每個器身一次側(cè)均帶有0；±5%；±10%；＋15%；＋20%；＋25%；＋30%，共9個分接。同時短路試驗變壓器一次側(cè)配備有D－Y轉(zhuǎn)換開關(guān)，一次側(cè)改接成Y形接法時，二次輸出電壓相應(yīng)降低√3 倍。

2.2鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計

鐵芯材質(zhì)選用30Q120高導(dǎo)磁硅鋼片，采用45°斜接縫，不斷軛結(jié)構(gòu)。因短路試驗變壓器運(yùn)行方式特殊，需承受電動力的反復(fù)沖擊，為了使變壓器具有良好的抗短路能力，鐵心采用了穿心螺桿的結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)鐵軛的夾緊力。鐵心為三相單框型式，鐵軛采用D形結(jié)構(gòu)。夾件采用板式結(jié)構(gòu)。在鐵心整體結(jié)構(gòu)中，采取了一些新的緊固措施和壓緊方式，以提高變壓器承受短路能力。

2.3引線結(jié)構(gòu)

短路試驗變壓器低壓繞組為雙并連續(xù)式，引出線采用銅母線焊接，在變壓器中部側(cè)面以套管引出。

2.4短路試驗變壓器繞組設(shè)計

短路試驗變壓器的短路阻抗要求≤0.8%，同時要求變壓器在單個低壓繞組（即2000 kVA）運(yùn)行時的半穿越短路阻抗≥0.6%；短路試驗變壓器的自身短路功率因數(shù)≤0.15。這就給變壓器的設(shè)計帶來了較大的困難。在滿足絕緣等級要求的情況下，充分滿足短路阻抗的限值，同時還必須滿足自身短路功率因數(shù)的限值。只能提高繞組的有效高度來滿足短路阻抗；同時增大導(dǎo)線的截面，盡最大可能降低短路阻抗的電阻分量。

3 短路試驗變壓器繞組電動力分析及工藝措施

短路試驗變壓器繞組由于需要承受比較大電動力，繞組的設(shè)計能否滿足短路試驗對電動力的要求是該類變壓器設(shè)計成功的關(guān)鍵，因此，我們針對繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維有限元模型計算分析，由于短路試驗變壓器為三相對稱結(jié)構(gòu)，仿真分析僅以A相為例。

3.1短路試驗變壓器繞組電動力分析

3.1.1 全穿越時，兩種聯(lián)接組別的繞組受力情況

1）幅向電動力比較

（a）Dd連接A相幅向力

(b) Dy連接A相幅向力

圖5幅向電動力比較

2）軸向電動力比較

(a) Dd連接A相軸向力

（b）Dy連接A相軸向力

圖6 軸向電動力比較

3.1.2 半穿越時，兩種聯(lián)接組別的繞組受力情況

為模擬整流裝置中某一個整流元件發(fā)生擊穿時的突發(fā)狀態(tài)，我們還對半穿越運(yùn)行時（即單個低壓繞組2000 kVA運(yùn)行）繞組受力進(jìn)行了分析。

1）幅向電動力比較

(a) Dd連接A相幅向力

(b) Dy連接A相幅向力

圖7 幅向電動力比較

2）軸向電動力比較

（a）Dd連接A相軸向力

(b）Dy連接A相軸向力

圖8軸向電動力比較

對比以上短路試驗變壓器在全穿越和半穿越情況下繞組所受電動力的分析，可以看出：在半穿越情況下，無論是Dd還是Dy聯(lián)接，其繞組所受的軸向力均為最大的，因此，在繞組制造過程中，需對軸向受力進(jìn)行處理。

3.2 短路試驗變壓器繞組制造工藝措施

根據(jù)上述短路試驗變壓器繞組電動力分析結(jié)論，繞組的制造需采取如下措施：

1）絕緣件制造方面

絕緣紙板條料采用HPB紙板制作并熱壓密化處理，密化壓力為20～30 MPa，溫度為90±10 ℃，時間不少于5 h。墊塊穿配時要加強(qiáng)對各撐條上墊塊總高度的控制，使各撐條上墊塊受力均勻，同一繞組的撐條高度互差控制在±1％以內(nèi)，同臺產(chǎn)品異相繞組撐條墊塊總高互差不大于1.5％。

鐵軛絕緣端圈上的墊塊應(yīng)分布均勻，位置公差為±2 mm，厚度要一致，公差控制在±1 mm。

2）繞組的繞制方面

把填充輻向尺寸的層間墊條、內(nèi)徑墊條和外徑墊條入烘干爐干燥，排除墊條內(nèi)的水分。

繞制繞組時，必須采用拉緊裝置拉緊導(dǎo)線，對全部導(dǎo)線進(jìn)行軸向和輻向壓緊，高壓線圈要對全部導(dǎo)線拉緊。繞制反餅臨時段時，也要使用拉緊裝置，以便使線匝平整。

為了保證線段圓整，絕緣撐條要沿圓周均勻分布，撐條間距偏差不超過±3 mm。在主撐條間加放臨時假撐條；

線圈出頭及端部線餅全部用具有熱縮性的收縮帶打竹節(jié)扣綁扎，并且要綁扎緊實牢固。特別是低壓和調(diào)壓螺旋式線圈，更要加強(qiáng)綁扎。并且線圈出爐后還要再次進(jìn)行緊固打結(jié)綁扎，保證綁扎帶不松動。

3）繞組干燥處理方面

線圈采用抽真空恒壓干燥，以保證繞組的軸向尺寸穩(wěn)定。

4）器身裝配與整體套裝方面

繞組套裝要緊實。繞組在下落過程中要能聽到繞組絕緣撐條與紙筒間的摩擦聲，尤其是內(nèi)側(cè)繞組要撐緊，各撐條均不得懸空。

各繞組撐條和油隙撐條沿輻向要相互對齊，偏差小于5 mm，繞組墊塊與上下端圈墊塊要相互對齊，偏差小于5 mm，保證軸向壓緊力的傳遞。

在對繞組進(jìn)行壓緊時，壓力不可低于3 MPa，各壓釘要均勻擰緊，不可擰緊一個完全到位，再擰緊第2個，以免造成繞組局部變形。

4 結(jié)束語

在設(shè)計開發(fā)短路試驗變壓器過程中，充分應(yīng)用了三維有限元模型對產(chǎn)品方案進(jìn)行了短路電流、短路電動力的分析研究，對產(chǎn)品的最終設(shè)計方案的確定提供了重要的依據(jù)。同時也為同類型產(chǎn)品設(shè)計方案的優(yōu)化提供了重要的設(shè)計經(jīng)驗。

[1] 崔立君. 特種變壓器理論與計算[M]. 上海：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 1996.

Design and Analysis of Winding Electric Power on Short Circuit Test Transformer of 300 MVA

Ning Zuoqing

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064,China)

TM402

A

1003-4862（2017）05-0074-04

2017-02-15

甯佐清（1975-）男，本科。研究方向：開關(guān)電器試驗系統(tǒng)設(shè)計。