王春鋼 劉力強(qiáng) 杜振斌,2

（1. 保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071056； 2. 河北省輸變電裝備電磁與結(jié)構(gòu)性能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），河北 保定 071056）

0 引言

單相大容量發(fā)電機(jī)主變壓器是發(fā)電廠的重要設(shè)備之一，其常見的結(jié)構(gòu)型式有單柱雙繞組、單柱三繞組和雙柱雙繞組，其可靠性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)于發(fā)電廠的運(yùn)行及電網(wǎng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。隨著近年來發(fā)電機(jī)組容量的不斷提升，主變壓器的容量也在不斷突破，合理的結(jié)構(gòu)選型對(duì)于主變壓器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

三峽烏東德項(xiàng)目主變壓器運(yùn)輸條件極其不便，需采用鐵路和公路聯(lián)合運(yùn)輸?shù)姆绞?，主變壓器的設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮鐵路運(yùn)輸時(shí)的尺寸限制及公路運(yùn)輸時(shí)盡量減輕運(yùn)輸質(zhì)量的要求，在此限定條件下三種常見結(jié)構(gòu)型式主變壓器的性能和特點(diǎn)極其明顯，本文以該項(xiàng)目主變壓器技術(shù)參數(shù)為例對(duì)三種結(jié)構(gòu)的主變壓器進(jìn)行分析[1-16]。

1 基本參數(shù)

變壓器型式：?jiǎn)蜗酂o勵(lì)磁調(diào)壓強(qiáng)迫油循環(huán)水冷卻電力變壓器。

額定容量：315/315MV·A。

聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)：Ii0（三相組YNd11)。

短路阻抗：15%～17%。

2 基本結(jié)構(gòu)型式

單柱雙繞組結(jié)構(gòu)由于簡(jiǎn)單而在發(fā)電機(jī)變壓器設(shè)計(jì)中被普遍采用。當(dāng)變壓器容量較大，短路阻抗較小，且對(duì)運(yùn)輸高度有限制時(shí)，單柱雙繞組結(jié)構(gòu)不再適用，通常采用單柱三繞組結(jié)構(gòu)或雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)。

2.1 單柱雙繞組結(jié)構(gòu)

主變壓器為單相三柱式鐵心，在鐵心的主柱上有低壓繞組和高壓繞組兩個(gè)繞組，低壓繞組通常為單層或是雙層螺旋式結(jié)構(gòu)，為降低變壓器器身端部絕緣水平，簡(jiǎn)化器身端部絕緣結(jié)構(gòu)，高壓繞組通常采用中部出線結(jié)構(gòu)，繞組的首端采用內(nèi)屏蔽式或是糾結(jié)式來其改善其沖擊性能。單柱雙繞組結(jié)構(gòu)器身示意圖如圖1所示。

圖1 單柱雙繞組結(jié)構(gòu)器身示意圖

2.2 單柱三繞組結(jié)構(gòu)

單柱三繞組結(jié)構(gòu)是將高壓繞組拆成兩部分，從鐵心側(cè)由內(nèi)向外依次為內(nèi)高壓繞組、低壓繞組、外高壓繞組，內(nèi)高壓繞組與外高壓繞組串聯(lián)構(gòu)成高壓繞組，內(nèi)高壓繞組通常采用螺旋式結(jié)構(gòu)，鐵心、外高壓繞組、低壓繞組與單柱雙繞組結(jié)構(gòu)相同。單柱三繞組結(jié)構(gòu)器身示意圖如圖2所示。

圖2 單柱三繞組結(jié)構(gòu)器身示意圖

2.3 雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)

雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)變壓器是利用單柱容量減半的方式來滿足運(yùn)輸尺寸要求，鐵心采用單相四柱式，設(shè)有兩個(gè)主柱，在每個(gè)主柱上均有低壓和高壓兩個(gè)繞組，繞組結(jié)構(gòu)與單柱雙繞組結(jié)構(gòu)相同，兩個(gè)柱的高壓和低壓繞組采用并聯(lián)或串聯(lián)結(jié)構(gòu)。雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)器身示意圖如圖3所示。

圖3 雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)器身示意圖

3 結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

三種結(jié)構(gòu)由于繞組數(shù)量、單柱容量的不同，其鐵心直徑、運(yùn)輸尺寸、運(yùn)輸質(zhì)量等均不相同，相同效率下經(jīng)濟(jì)性也有所差異，變壓器的漏磁控制、絕緣設(shè)計(jì)也各有不同，三種結(jié)構(gòu)性能參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 三種結(jié)構(gòu)性能參數(shù)對(duì)比

3.1 變壓器鐵心尺寸

變壓器鐵心直徑與單柱電磁容量直接相關(guān)，以示例工程主變壓器為例，其單柱電磁容量即為變壓器單柱容量，若采用單柱雙繞組結(jié)構(gòu)，需設(shè)計(jì)成較大鐵心直徑和較高的軸向高度才能滿足要求，鐵心直徑需要在1 500mm以上，鐵心窗高在2 700mm以上。對(duì)于更大容量的變壓器，由于當(dāng)鐵心尺寸增大至一定程度后，對(duì)于變壓器鐵心的綁扎、緊固及變壓器運(yùn)輸、運(yùn)行過程中的緊固等都將提出更高的要求，因此該結(jié)構(gòu)的選用受到一定限制。

4，你們的尕什么我們的尕娃哈什么了！(你的孩子某某打了我們的孩子。有兩個(gè)“什么”，前者是指打人的孩子，后者是代指“打”的意思)

單相三繞組結(jié)構(gòu)由于高壓繞組分裂成了內(nèi)高壓和外高壓兩部分，變壓器的單柱等效容量需要進(jìn)行折算，折算公式為

式中：S′為變壓器的等效單柱容量；W1為內(nèi)高壓和外高壓兩個(gè)繞組匝數(shù)中的最大值；WH為內(nèi)高壓和外高壓繞組的匝數(shù)和；SN為變壓器的額定容量。

由式（1）可以看出，當(dāng)內(nèi)、外高壓匝數(shù)比例分別為高壓繞組總匝數(shù)的20%和80%時(shí)，變壓器的等效容量將降低至額定容量的80%，由于變壓器鐵心直徑的比值與容量比關(guān)系見式（2），因此單柱三繞組結(jié)構(gòu)鐵心直徑約為單柱雙繞組結(jié)構(gòu)的95%，在保證阻抗的情況下，采用該結(jié)構(gòu)的鐵心窗高可比單柱雙繞組結(jié)構(gòu)降低約10%。

式中：k為鐵心直徑的比值。

雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)是將變壓器設(shè)計(jì)在兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的主柱上，兩個(gè)主柱的容量均為變壓器額定容量的1/2，由式（2）可知其鐵心直徑約為單柱雙繞組結(jié)構(gòu)的85%左右，對(duì)于限定高度和寬度尺寸下變壓器的設(shè)計(jì)將更容易實(shí)現(xiàn)。

3.2 變壓器的運(yùn)輸方案

1）運(yùn)輸尺寸方面：?jiǎn)沃p繞組結(jié)構(gòu)單柱容量大，因而其運(yùn)輸高度通常很難降低，示例工程采用此結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸高度達(dá)到4.58m；而單柱三繞組結(jié)構(gòu)由于在變壓器器身的幅向上多了一個(gè)繞組，因而其寬度是三種結(jié)構(gòu)中最寬的，比單柱雙繞組結(jié)構(gòu)寬了約0.36m左右，但運(yùn)輸高度降低了0.46m；三種結(jié)構(gòu)中雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)運(yùn)輸寬度和運(yùn)輸高度最小，但是此結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸長(zhǎng)度比其他兩種結(jié)構(gòu)長(zhǎng)約3m。

2）運(yùn)輸質(zhì)量方面：?jiǎn)沃@組結(jié)構(gòu)由于其鐵心直徑和鐵心窗的高度均小于單柱雙繞組結(jié)構(gòu)，對(duì)于運(yùn)輸有限重要求時(shí)，采用此結(jié)構(gòu)更容易減輕變壓器的運(yùn)輸質(zhì)量，示例方案運(yùn)輸質(zhì)量比單柱雙繞組結(jié)構(gòu)降低了約9.6%，而雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)是三種結(jié)構(gòu)中運(yùn)輸質(zhì)量最大的，比單柱雙繞組結(jié)構(gòu)運(yùn)輸質(zhì)量增加約4.6%。

3）運(yùn)輸車型方面：?jiǎn)沃p繞組結(jié)構(gòu)由于其運(yùn)輸高度的原因只能采用落下孔車運(yùn)輸；單柱三繞組結(jié)構(gòu)其運(yùn)輸高度和質(zhì)量均有效降低，可以采用180t凹底車進(jìn)行運(yùn)輸；而雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)由于運(yùn)輸質(zhì)量的原因需要采用210t凹底車進(jìn)行運(yùn)輸。三種結(jié)構(gòu)中單柱三繞組結(jié)構(gòu)運(yùn)輸成本最低。

3.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

當(dāng)變壓器的鐵心磁通密度和效率均保持不變時(shí)，單柱三繞組結(jié)構(gòu)由于鐵心直徑和高度均遠(yuǎn)小于單柱雙繞組結(jié)構(gòu)，其鐵心硅鋼片的用量有效減少，有效提升了變壓器的空載性能，其空載損耗降低了約9.5%，而雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)和單柱雙繞組的空載損耗基本相當(dāng)。

4 結(jié)構(gòu)可靠性分析

隨著發(fā)電機(jī)主變壓器容量的增大，變壓器結(jié)構(gòu)的可靠性變得尤為重要，其中漏磁控制和防止局部過熱、絕緣設(shè)計(jì)、引線設(shè)計(jì)、組部件選型等均需要重點(diǎn)考慮。

4.1 變壓器的漏磁控制

三種結(jié)構(gòu)的漏磁分布各不相同，雙繞組結(jié)構(gòu)漏磁通分布如圖4（a）、圖5（a）所示，典型的雙繞組結(jié)構(gòu)僅有一個(gè)縱向漏磁組，而單柱三繞組結(jié)構(gòu)由于高壓繞組幅向分裂為內(nèi)、外兩部分，根據(jù)磁勢(shì)平衡定律，低壓繞組的磁勢(shì)與兩部分高壓繞組的磁勢(shì)平衡，具有兩個(gè)縱向漏磁組，分別如圖4（b）、圖5（b）所示。

圖4 漏磁分布示意圖

圖5 漏磁分布斷面矢量圖

利用漏磁場(chǎng)仿真分析軟件對(duì)三種結(jié)構(gòu)漏磁分布進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示，由于單柱雙繞組結(jié)構(gòu)的單柱容量為變壓器額定容量，因此其漏磁通密度是三種結(jié)構(gòu)中最高的，由仿真計(jì)算可以看出其主空道縱向漏磁通密度約為0.37T，如圖6（a）所示； 而單柱三繞組結(jié)構(gòu)雖然其單柱容量與單柱雙繞組結(jié)構(gòu)相同，但是由于存在兩個(gè)縱向漏磁組的原因其最大縱向漏磁通密度僅為單柱雙繞組結(jié)構(gòu)的85%左右，如圖6（b）所示；雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)漏磁分布與單柱雙繞組結(jié)構(gòu)相似，但是由于單柱容量降低了1/2，因此其縱向漏磁通密度約為單柱雙繞組結(jié)構(gòu)的75%，如圖6（c）所示。三種結(jié)構(gòu)中雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)漏磁最小，對(duì)于大容量變壓器的漏磁控制最容易實(shí)現(xiàn)，而單柱雙繞組結(jié)構(gòu)漏磁控制難度最大。

圖6 三種典型結(jié)構(gòu)漏磁分布仿真結(jié)果

4.2 變壓器的絕緣設(shè)計(jì)

單柱雙繞組結(jié)構(gòu)和雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)均為典型發(fā)電機(jī)主變壓器結(jié)構(gòu)，變壓器繞組內(nèi)部的絕緣特性基本相同，所不同的是雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)還需要考慮雙柱間的連接引線的絕緣設(shè)計(jì)，而單柱三繞組結(jié)構(gòu)由于高壓繞組分裂為兩部分，其絕緣設(shè)計(jì)需要特殊 考慮。

由于感應(yīng)耐壓試驗(yàn)時(shí)繞組中的電位與繞組的匝數(shù)成正比，雙繞組變壓器的高壓繞組從首端至繞組末端沿線餅線性降低，如圖7（a）所示。而三繞組結(jié)構(gòu)由于內(nèi)外高壓繞組匝數(shù)比的不同，在每個(gè)繞組上呈線性降低，內(nèi)、外高壓繞組連接引線處的電位與兩個(gè)繞組匝數(shù)的比例有關(guān)，如圖7（b）所示。當(dāng)內(nèi)高壓繞組匝數(shù)較多時(shí)，其連接電位會(huì)升高得多，繞組端部的絕緣設(shè)計(jì)和連接引線處的絕緣設(shè)計(jì)需要按此電位進(jìn)行考慮。

圖7 感應(yīng)耐壓試驗(yàn)時(shí)繞組中電位分布

利用變壓器波過程計(jì)算軟件對(duì)三種結(jié)構(gòu)在雷電沖擊入波時(shí)繞組上的電位進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 高壓首端入波繞組對(duì)地電位分布

圖9 高壓中性點(diǎn)入波繞組對(duì)地電位分布

高壓首端雷電沖擊入波時(shí)雙繞組結(jié)構(gòu)的對(duì)地電位在繞組中部會(huì)略有振蕩，可達(dá)到首端入波點(diǎn)電位的約85%，如圖8（a）所示；而三繞組結(jié)構(gòu)的外高壓繞組上的振蕩電位會(huì)低一些，約75%，內(nèi)外高壓繞組連接引線處的電位約為首端入波點(diǎn)電位的10%，如圖8（b）所示。

中性點(diǎn)入波時(shí)雙繞組結(jié)構(gòu)各線餅的電位從繞組末端向首端沿線餅振蕩降低，如圖9（a）所示，而三繞組結(jié)構(gòu)卻是在內(nèi)高壓繞組上從末端向首端沿線餅振蕩升高，最高電位達(dá)到入波點(diǎn)電位的190%，而內(nèi)、外高壓連接引線處的電位也達(dá)到入波點(diǎn)的180%左右，如圖9（b）所示。因此三繞組結(jié)構(gòu)中外高壓繞組末端的對(duì)地沖擊絕緣水平要比雙繞組結(jié)構(gòu)高 得多。

需要說明的是，三繞組結(jié)構(gòu)內(nèi)、外連接引線和繞組中振蕩電位的大小與繞組的匝數(shù)比有關(guān)，如圖10所示，當(dāng)內(nèi)、外高壓繞組匝數(shù)比例變化時(shí)，振蕩電位的大小需要結(jié)合實(shí)際方案進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

圖10 三繞組結(jié)構(gòu)內(nèi)外連接引線和繞組中振蕩電位與 繞組匝數(shù)比的關(guān)系

4.3 分接引線絕緣設(shè)計(jì)和分接開關(guān)選型

由于三種結(jié)構(gòu)都是采用分接段進(jìn)行調(diào)壓的，雙繞組結(jié)構(gòu)的分接段設(shè)置在高壓繞組的末端，而三繞組結(jié)構(gòu)的分接段設(shè)置在外高壓繞組的末端，由于外高壓繞組中性點(diǎn)雷電沖擊絕緣水平和工頻耐壓水平均比雙繞組結(jié)構(gòu)高，因此三繞組結(jié)構(gòu)分接引線的絕緣水平要比雙繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，分接開關(guān)的絕緣水平也比雙繞組結(jié)構(gòu)高。

5 結(jié)論

由三種結(jié)構(gòu)對(duì)比可得出：

1）單柱雙繞組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可優(yōu)先選用，但對(duì)于大容量、小阻抗變壓器運(yùn)輸高度受限時(shí)，該結(jié)構(gòu)很難滿足要求，可采用單柱三繞組或雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)。

2）單柱三繞組結(jié)構(gòu)雖然絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是其在經(jīng)濟(jì)性和小型化方面明顯優(yōu)于雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)。

3）雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)雖然經(jīng)濟(jì)性較差，但在降低運(yùn)輸寬度和高度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，超大容量變壓器可考慮采用此種結(jié)構(gòu)。