淺談長圓形鐵芯油浸式變壓器的優(yōu)缺點

劉文娟

（廣州駿發(fā)電氣有限公司，廣東廣州 511400）

淺談長圓形鐵芯油浸式變壓器的優(yōu)缺點

劉文娟

（廣州駿發(fā)電氣有限公司，廣東廣州 511400）

為了降低油浸式變壓器成本，節(jié)約變壓器的鐵芯、鋼材及油的用量，建立長圓形截面鐵芯的結(jié)構(gòu)模型，通過分析實例對比圓形截面鐵芯結(jié)構(gòu)提供確切的節(jié)材數(shù)據(jù)，并結(jié)合變壓器短路計算分析長圓形截面鐵芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。

長圓形鐵芯；油浸式變壓器；數(shù)學(xué)模型；成本；短路電動力

0 引言

近十幾年來變壓器從S9→S10→S11→S13→非晶合金變壓器，不斷升級，每升一級要求變壓器的空載損耗下降百分之十幾，同時變壓器的價格在激烈的市場競爭下也要求不斷壓縮。為達(dá)到空載損耗的目標(biāo)值可以采用低損耗的硅鋼片或者是采用非晶合金，也可以通過增大鐵芯截面積來降低磁通密度。為達(dá)到省材目的，可在變壓器的結(jié)構(gòu)上優(yōu)化，以變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)為例，鐵芯的截面又分了矩形截面、多級圓形截面、多級橢圓形截面及多級長圓形截面。目前廣泛應(yīng)用的是疊積式圓形截面[1-2]，而在一些小型變壓器中采用長圓形截面的鐵芯可使鐵軛高度降低，從而降低整臺變壓器鐵芯高度，節(jié)省硅鋼片、油箱等鋼材及變壓器油的用量，降低空載損耗。而這種結(jié)構(gòu)的鐵芯到底可以節(jié)材多少？其對變壓器整體電氣機(jī)械等性能上有何影響？以下將通過實例來解答。

1 數(shù)學(xué)模型建立

長圓形截面的鐵芯（如圖1所示）是在圓形截面鐵芯的基礎(chǔ)上將主級厚度增加，從而增大鐵芯截面積。由圖1可看出，長圓形截面鐵芯由兩個半圓和一個矩形構(gòu)成，圖1中δ1為主級厚度，δi為第i級厚度，B1為主級片寬，Bi為第i級片寬；長圓形截面鐵芯中半圓的半徑R等于主級片寬B1，其余各級片寬及疊厚則類似圓形截面中各級的計算：

圖1 長圓形截面的鐵芯

注：先按半徑R選定半圓部分級數(shù)和片寬，再根據(jù)上式計算出δi；主級厚δ1可根據(jù)實際計算截面積的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

鐵芯截面積的計算同圓形截面鐵芯的計算[3-4]：

式中：A為鐵芯有效截面積， fd為迭片系數(shù)。

變壓器線圈套在長圓形截面的鐵芯上，則線圈的形狀也必須是長圓形結(jié)構(gòu)，在計算線圈導(dǎo)線匝長時應(yīng)該按長圓形截面的總周長算，包括兩段圓弧和兩段直線部分：

L=2πR+2δ1，其中對應(yīng)圓形截面的等效半徑R'=L/(2 π)。

阻抗及散熱面積的計算同《變壓器設(shè)計手冊》上圓形截面的計算，只是在計算絕緣半徑時是按照長圓形周長等效的半徑R'進(jìn)行計算，在此不再贅述。

2 實例分析

基于上述數(shù)學(xué)模型，以一臺10 kV級S11型500 kVA全密封油變?yōu)槔?，分析?yīng)用長圓形截面鐵芯與圓形截面鐵芯的性價比情況。

表1 兩種鐵芯結(jié)構(gòu)的各級片寬及疊厚對比

在滿足相同的損耗值、阻抗、溫升限值；采用相同硅鋼片牌號，一樣的主絕緣距離情況下兩者所用的材料對比如表2所示：

表2 兩種鐵芯結(jié)構(gòu)的變壓器所用材料對比

其中銅材價格65元/kg，硅鋼片價格17元/ kg，鋼材價格10元/kg，油價格10/kg

從上表可以看出應(yīng)用長圓形截面的變壓器可大大節(jié)省硅鋼片用量、變壓器總鋼材用量及總油量，而線圈銅材用量相對圓形截面變壓器的要稍多?？傮w上來講，長圓形截面鐵芯結(jié)構(gòu)確實有較好的節(jié)材效果。

以上數(shù)據(jù)是在滿足變壓器相同性能參數(shù)的情況得到的分析結(jié)果，但采用這種長圓形截面鐵芯結(jié)構(gòu)也存在一些缺點，在變壓器的動穩(wěn)定性能上，長圓形截面的結(jié)構(gòu)要差于圓形結(jié)構(gòu)。

變壓器在短路狀態(tài)下，會產(chǎn)生強(qiáng)大的漏磁場，漏磁場與短路沖擊電流相互作用，使線圈收到很大的短路電動力。短路電流下變壓器的縱軸磁場使繞組產(chǎn)生輻向力，而橫軸磁場使繞組產(chǎn)生軸向力[5-6]。軸向電動力使繞組向中間壓縮，線匝相互擠壓可能損壞匝絕緣；而輻向電動力使繞組擴(kuò)張或壓縮，可能失去穩(wěn)定性而造成相間絕緣損壞。高壓繞組處在外層，受軸向拉伸應(yīng)力和輻向擴(kuò)張應(yīng)力；低壓繞組處在內(nèi)線柱，受軸向和輻向壓縮應(yīng)力。

（1）對外繞組：橫向電動力使導(dǎo)線受拉應(yīng)力。拉應(yīng)力過大，導(dǎo)線被拉長，繞組直徑擴(kuò)大，發(fā)生永久變形；導(dǎo)線匝絕緣同時也被拉長以致匝絕緣破裂，形成匝間短路，引起弧光將繞組燒壞。

（2）對內(nèi)繞組：橫向電動力使導(dǎo)線受壓應(yīng)力。內(nèi)繞組內(nèi)壁是由撐條支撐的，壓應(yīng)力過大，兩撐條間導(dǎo)線作為受壓力的梁彎曲過大，而發(fā)生永久變形。

以最不利的三相對稱出口短路情況分析繞組的所受的電動力情況，并認(rèn)為短路發(fā)生在端電壓經(jīng)過零值的瞬間。當(dāng)短路電抗Xd遠(yuǎn)大于短路等效電阻Rd時，短路電流為：

Ld—變壓器短路漏電感，

Idv—穩(wěn)態(tài)短路電流有效值，

U—變壓器繞組端電壓有效值；

Zd—變壓器短路阻抗。

由此求得導(dǎo)線的短路電磁力（軸向或輻向）之值：

B0—與短路電流穩(wěn)態(tài)值對應(yīng)的磁密值；

R—導(dǎo)線環(huán)的等效半徑。

從上面式中可看出，短路電流和磁密一定的條件下，導(dǎo)線環(huán)也即是線圈的等效半徑越大所受短路電動力也越大，而由表1中的對比數(shù)據(jù)可知，長圓形截面結(jié)構(gòu)的等效半徑要大于圓形截面結(jié)構(gòu)的，則在同樣的短路情況下其所承受的短路電動力也就更大。另外，由圖2可看出長圓形結(jié)構(gòu)在其直線段部分因?qū)Ь€張力不夠繞制時直線部分相對圓弧部分要松散，在承受短路沖擊電動力時線圈更容易產(chǎn)生位移松散變形，從而導(dǎo)致變壓器絕緣距離改變，最終使變壓器發(fā)生故障。

圖2是長圓形結(jié)構(gòu)繞組在突發(fā)短路情況下各線圈所承受輻向電動力的示意圖。

圖2 各線圈所受短路電動力分析圖

3 結(jié)束語

從節(jié)材上來看，采用長圓形截面的鐵芯結(jié)構(gòu)確實具有不錯的效果。因此，目前長圓形截面的鐵芯正廣泛地應(yīng)用于中小型油浸式變壓器的設(shè)計中，并且也在逐步地運用到干式變壓器上。而在采用新結(jié)構(gòu)時，也不得不去面對它存在的一些弊端，并通過提高工藝水平，采取必要的防護(hù)措施來盡量降低這些弊端可能給變壓器運行帶來的危害。

［1］王寶珊.變壓器設(shè)計手冊［M］.沈陽：沈陽出版社，2009.

［2］尹克寧.變壓器設(shè)計原理［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［3］變壓器雜志編輯委員會.變壓器技術(shù)大全·上卷［M］.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

［4］變壓器制造技術(shù)叢書編審委員會.變壓器鐵芯制造工藝［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［5］張揚，馬成廉.變壓器承受短路能力的分析計算［A］.中國電機(jī)工程學(xué)會第十屆青年學(xué)術(shù)會議［C］.吉林，2008.

［6］王春玲，富強(qiáng).電力變壓器線圈短路力計算與分析［J］.沈陽工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2006（4）：137.

Discussion of the Pros and Cons of the Oblong Core Oil-Immersed Transformer

LIU Wen-juan
（Guangzhou Junfa Electric Co.，Ltd，Guangzhou 511400，China）

In order to reduce the costs of oil-immersed transformer，and saving Silicon core material，steel and oil，we establish the oblong core structure model.By calculating the example in contrast with circular core structure transformer，we get precise data that how much the oblong core transformer can save.Then，via analyzing the short-circuit electromagnetic force of transformer，discuss the pros and cons of the oblong core transformer.

oblong core；oil-immersed transformer；mathematical model；costs；short-circuit electromagnetic force

TM411

A

1009－9492(2014)03－0078－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.024

劉文娟，女，1987年生，江西樟樹人，大學(xué)本科。研究領(lǐng)域：變壓器設(shè)計與制造。

(編輯：向 飛)

2013－09－13