甯佐清

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300 MVA短路試驗(yàn)變壓器設(shè)計(jì)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(yàn)用整流變壓器，分析了其運(yùn)行特點(diǎn)，提出了此類試驗(yàn)變壓器的設(shè)計(jì)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(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

短路試驗(yàn) 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(jì)定型時均需進(jìn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的型式試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后才能最終投入運(yùn)行。其中，短路通斷能力試驗(yàn)為各類電器設(shè)備型式試驗(yàn)中的一個極為重要試驗(yàn)環(huán)節(jié)，短路試驗(yàn)變壓器作為開關(guān)電器設(shè)備短路通斷能力試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)系統(tǒng)工程項(xiàng)目為背景，對此類短路試驗(yàn)變壓器的設(shè)計(jì)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(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 300MVA短路試驗(yàn)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(yàn)變壓器結(jié)構(gòu)要求

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

短路試驗(yàn)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(yàn)變壓器自身短路功率因數(shù)≤0.15。

短路試驗(yàn)變壓器鐵心的磁通密度不大于1.2T。

1.3短路試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)變壓器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1變壓器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

每臺短路試驗(yàn)試驗(yàn)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?yàn)閍1；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(yàn)變壓器與整流裝置連接圖

短路試驗(yàn)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(yàn)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(jì)

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(yàn)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(yàn)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(yàn)變壓器繞組設(shè)計(jì)

短路試驗(yàn)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(yàn)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(jì)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(yàn)變壓器繞組電動力分析及工藝措施

短路試驗(yàn)變壓器繞組由于需要承受比較大電動力，繞組的設(shè)計(jì)能否滿足短路試驗(yàn)對電動力的要求是該類變壓器設(shè)計(jì)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(jì)算分析，由于短路試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)變壓器繞組制造工藝措施

根據(jù)上述短路試驗(yàn)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(shí)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(shí)。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(jì)開發(fā)短路試驗(yàn)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(jì)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(jì)方案的優(yōu)化提供了重要的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

[1] 崔立君. 特種變壓器理論與計(jì)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(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。