曾令寶，王仁，李正緒

（廣州西門子變壓器有限公司，廣州 510530）

0 引言

近年來，隨著電力需求的日益增加，發(fā)電機組的裝機容量不斷增大，與之配套的發(fā)電機變壓器的容量也越來越大。通常大容量發(fā)電機變壓器多為三相一體雙線圈結構，其額定容量大于或等于500 MVA，低壓額定線電壓在18～24 kV，低壓線電流通常大于14 kA。對于大電流的低壓引線而言，由于變壓器的器身尺寸通常大于常規(guī)電力變壓器，從而增加了低壓引線的設計長度。假設在同等電流密度條件下，其本身的直流電阻損耗就比較大，再加上交變電流產生的強大漏磁場引起的附加損耗和雜散損耗，如果方案選擇不合適，很容易由局部損耗過高，而引起引線溫升高于標準限值，從而降低引線夾持件、引線絕緣和變壓器油的機械強度或電氣性能。因此，選擇合適的低壓引線方案十分必要。

各文獻有很多關于變壓器線圈漏磁場仿真計算［1－3］、大電流低壓引線結構改進［4］及大電流低壓引線周圍磁場和損耗的計算［5－10］，但是在保持其他外界條件不變的情況下，單獨通過改進低壓引線的材料和結構來達到降低損耗的研究卻不多。本文在以上研究的基礎上，專門分析計算低壓引線材料和結構的不同，導致最終損耗的不同。

常規(guī)電力變壓器的低壓引線材料通常采用包絕緣的電纜、銅排、銅棒及銅管等。而對于大容量三相發(fā)電機變壓器的低壓引線，為了限制引線溫升，低壓引線材料通常不宜采用電纜、銅棒和銅管（如用類材料，需要使用多根電纜、銅棒或銅管，需要增加較多變壓器內部空間，造成變壓器成本浪費），采用多根銅排并聯或者改用CTC導線作為低壓引線，效果會更好。

1 設計原理

變壓器的負載損耗計算公式如下：

式中：Pw為變壓器的負載損耗，kW；Pwr為變壓器各繞組的電阻損耗，kW；Plr為變壓器各引線的電阻損耗，kW；Pwf為漏磁場在各繞組中產生的附加損耗，kW；Plf為漏磁場在各引線產生的附加損耗，kW；Psf為漏磁場在金屬結構件中產生的雜散損耗，kW。

對于小容量的配電變壓器，負載損耗主要是繞組和引線的電阻損耗，漏磁場引起的附加損耗和雜散損耗比例很小，可以忽略不計；對于大容量的電力變壓器，繞組和引線的電阻損耗仍然是負載損耗的主要部分，但是漏磁場引起的附加損耗和雜散損耗比例增大，不可以忽略不計［11］。

按照式（1）計算可知，要計算出總的負載損耗，需要算出各部分的損耗，相加即得出總的負載損耗；為盡可能地減小總的負載損耗，需要想辦法減小式（1）中各分項的損耗。當變壓器各部件的參數和結構型式已經確定后，變壓器漏磁場在空間各位置的分布也就確定下來。根據三維建模和Magnet 電磁仿真有限元分析，可以計算出漏磁場在空間各位置的漏磁通密度，即可算出漏磁場在各位置產生的附加損耗和雜散損耗。

本文是在上述前提下，針對變壓器各部件的參數和結構型式已經確定、僅僅只是改變低壓引線的規(guī)格和結構，來對比低壓引線選用銅排和CTC導線的優(yōu)缺點；此時變壓器的漏磁場不會由于低壓引線方案的不同而發(fā)生改變，當選取的銅排和CTC導線電密一樣時，兩者的電阻損耗也基本一樣，僅兩者由于漏磁產生的附加損耗會有所不同。

由于引線上漏磁分布變化相對較小，為了簡化問題，可以取均值作為參考。引線附加損耗計算公式［12］為：

式中：Plf為漏磁場在引線中產生的附加損耗，W；ρd為導線的電阻系數，Ω·mm2／ m；γd為導線的密度，kg／ m3；Gd為導線的質量，kg；a為導線或銅排的輻向厚度，mm；f為變壓器的額定頻率，Hz；Bx為漏磁通密度，T。

其中：

式中：b為導線或銅排軸向的寬度，mm；l為導線的長度，mm。

本文以一臺SFPZ－1000000 ／ 400 三相發(fā)電機變壓器為例，通過三維建模和Magnet進行有限元分析，計算和對比采用多根并聯銅排和采用多根并聯CTC導線的附加損耗，從而達到選取合適低壓引線方案的目的。

2 變壓器產品信息

變壓器基本參數如表1 所示。

表1 變壓器基本參數

低壓引線接線原理如圖1 所示，結構連接如圖2 所示。

圖1 低壓引線接線原理

圖2 低壓引線結構連接

3 漏磁場模擬分析及引線附加損耗計算

3.1 低壓引線方案

考慮發(fā)電機變壓器容量大、低壓引線電流大、低壓引線處于線圈器身上方漏磁場較大的區(qū)域，靠近變壓器油箱的頂部，變壓器油中溫升較高，低壓引線的電密需要通過計算并保留較大裕度來選取。

（1）方案1：低壓引線使用多根并聯銅排

此方案低壓引線采用多根并聯銅排連接，連接示意圖如圖3三維模型所示。下部豎直方向與線圈連接段（1 所示箭頭處）和水平方向銅排（2所示箭頭處）中流過的是相電流（13889 A），匯集到連接套管的豎直引線段后為線電流（24057 A）。

圖3 低壓引線銅排連接

（2）方案2：低壓引線使用多根并聯CTC導線

此方案低壓引線采用多根并聯CTC導線連接，連接示意圖如圖4 三維模型所示。下部豎直方向與線圈連接段（1 所示箭頭處）和水平方向（2 所示箭頭處）以及上部連接套管的CTC導線中流過均是相電流（13889 A），進入套管后方為線電流（24057 A）。

圖4 低壓引線CTC導線連接

3.2 漏磁場模擬及引線附加損耗計算

由于在引線各位置的漏磁通不相同，2 種方案均選取圖中1（豎直方向和線圈連接段引線）和2（水平方向引線）2 個位置，計算其漏磁通和引線的附加損耗，加以比較。

（1）方案1 位置1 處漏磁場模擬如圖5 所示，引線損耗計算如表1 所示。

圖5 為使用MagNet模擬計算出方案1 位置1 處截面的磁力線分布，表1 為將圖5 的漏磁場分解為x軸方向和y軸方向的2個分量，分別計算出2 個方向的漏磁場，根據式（2）計算出所有并聯銅排2 個方向的附加損耗，相加計算出此處單位長度的總損耗。

圖5 圖3 中位置1 處漏磁場模擬

表1 方案1 位置1 處漏磁及引線附加損耗計算值

（2）方案2 位置1 處漏磁場模擬，如圖6 所示，引線損耗計算如表2 所示。

圖6 為使用MagNet模擬計算出方案2 位置1 處截面的磁力線分布，表2 為將圖6 的漏磁場分解為x軸方向和y軸方向的2個分量，分別計算出2 個方向的漏磁場，根據式（2）計算出2個方向所有并聯CTC導線的附加損耗，相加計算出此處單位長度的總損耗。

圖6 圖4 中位置1 處漏磁場模擬

表2 方案2 位置1 處漏磁及引線附加損耗計算值

（3）方案1 位置2 處漏磁場模擬，如圖7 所示，引線損耗計算如表3 所示。

圖7為使用MagNet模擬計算出方案1位置2處截面的磁力線分布，表3為將圖7的漏磁場分解為x軸方向和y軸方向的2個分量，分別計算出2個方向的漏磁場，根據式（2）計算出2個方向所有并聯銅排的附加損耗，相加計算出此處單位長度的總損耗。

圖7 圖3 中位置2 處漏磁場模擬

表3 方案1 位置2 處漏磁及引線附加損耗計算值

（4）方案2 位置2 處漏磁場模擬，如圖8 所示，引線損耗計算如表4 所示。

圖8 為使用MagNet模擬計算出方案2 位置2 處截面的磁力線分布，表4 為將圖8 的漏磁場分解為x軸方向和y軸方向的2個分量，分別計算出2 個方向的漏磁場，根據式（2）計算出2個方向所有并聯CTC導線的附加損耗，相加計算出此處單位長度的總損耗。

圖8 圖4 中位置2 處漏磁場模擬

表4 方案2 位置2 處漏磁及引線附加損耗計算值

根據計算結果的對比，可以看出在1 和2 處漏磁場引起的附加損耗CTC導線遠小于銅排，由于磁場在空間中是連續(xù)的，可以計算出整個CTC導線的附加損耗遠小于銅排的附加損耗。

4 結束語

本文通過工程制圖軟件對低壓引線設計的2 種方案分別進行三維建模，采用MagNet 電磁仿真軟件進行磁場的有限元分析，在相同漏磁場的條件下，計算出2 種不同方案低壓引線的渦流損耗，并加以對比，可以很清晰地看出使用多根并聯CTC導線的損耗遠小于多根并聯銅排的損耗。大容量發(fā)電機變壓器為減小漏磁產生的損耗，除繞組使用CTC導線、增加油箱夾件的屏蔽等措施外，設法減小低壓引線的附加損耗也是減小總損耗的重要手段，采用CTC導線作為低壓引線正是一種比較好的方法。

但是由于CTC導線的硬度和剛度均弱于銅排，使用多根并聯CTC導線時引線的夾持、固定以及制作安裝都會較銅排復雜，材料成本和生產成本也會相應增加，因此在設計低壓引線時，需進行綜合考慮和對比，選擇合適和經濟的方案。