300 MVA短路試驗變壓器設計及繞組電動力分析

甯佐清

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300 MVA短路試驗變壓器設計及繞組電動力分析

甯佐清

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

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

短路試驗 變壓器 繞組 仿真 電動力

0 引言

隨著經濟的快速增長，開關電器設備的使用量也在穩步增長。而且電器設備的種類繁多，各種電器設備在設計定型時均需進行相關標準規定的型式試驗，試驗合格后才能最終投入運行。其中，短路通斷能力試驗為各類電器設備型式試驗中的一個極為重要試驗環節，短路試驗變壓器作為開關電器設備短路通斷能力試驗的主要設備，其工作的可靠性對開關電器設備通斷能力試驗系統而言極其重要。本文以某中壓直流開關電器通斷能力試驗系統工程項目為背景，對此類短路試驗變壓器的設計和繞組電動力的分析進行了相關論述，對類似用途的特種變壓器設計具有一定的指導意義。

1 300MVA短路試驗變壓器的主要技術參數、結構要求及工作方式

1.1 短路試驗變壓器結構要求

短路試驗變壓器包含兩個器身，安裝在一個油箱內，每個器身的二次繞組為兩個。

兩個器身的一次側接線方式相同，可通過D－Y轉換裝置進行星——三角轉換以及電動無勵磁分接轉換。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。

聯結組別分別為Dd0；Dd6；Dy1；Dy7。

1.2主要技術參數

短路試驗變壓器長期容量為8000 kVA，結構容量為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額定電壓為13.2 kV，配電動無勵磁調壓開關，對二次電壓的調節范圍為：0；±5%；±10%；；＋15%；＋20%；＋25%；＋30%，共9個分接。當變壓器高壓側分接位置為即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≤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。循環內間隔時間變壓器空載運行，每個試驗循環之間間隔30 min，每班8 h可進行8個循環。

2 短路試驗變壓器的設計要點

2.1變壓器整體結構設計

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。每個器身分別套裝調壓繞組、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，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。兩個器身的聯接圖見圖2，詳細連接圖見圖3。

每個器身有兩個二次繞組，二次繞組端子引出至油箱側面。在二次側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 兩個器身的聯接圖

圖3 器身詳細連接圖

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配備有D－Y轉換開關，一次側改接成Y形接法時，二次輸出電壓相應降低√3 倍。

2.2鐵心結構設計

鐵芯材質選用30Q120高導磁硅鋼片，采用45°斜接縫，不斷軛結構。因短路試驗變壓器運行方式特殊，需承受電動力的反復沖擊，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構，以加強鐵軛的夾緊力。鐵心為三相單框型式，鐵軛采用D形結構。夾件采用板式結構。在鐵心整體結構中，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引線結構

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

2.4短路試驗變壓器繞組設計

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≤0.15。這就給變壓器的設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，繞組的設計能否滿足短路試驗對電動力的要求是該類變壓器設計成功的關鍵，因此，我們針對繞組結構進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構，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生擊穿時的突發狀態，我們還對半穿越運行時（即單個低壓繞組2000 kVA運行）繞組受力進行了分析。

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，需對軸向受力進行處理。

3.2 短路試驗變壓器繞組制造工藝措施

根據上述短路試驗變壓器繞組電動力分析結論，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，同臺產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、內徑墊條和外徑墊條入烘干爐干燥，排除墊條內的水分。

繞制繞組時，必須采用拉緊裝置拉緊導線，對全部導線進行軸向和輻向壓緊，高壓線圈要對全部導線拉緊。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扣綁扎，并且要綁扎緊實牢固。特別是低壓和調壓螺旋式線圈，更要加強綁扎。并且線圈出爐后還要再次進行緊固打結綁扎，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，尤其是內側繞組要撐緊，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 結束語

在設計開發短路試驗變壓器過程中，充分應用了三維有限元模型對產品方案進行了短路電流、短路電動力的分析研究，對產品的最終設計方案的確定提供了重要的依據。同時也為同類型產品設計方案的優化提供了重要的設計經驗。

[1] 崔立君. 特種變壓器理論與計算[M]. 上海：科學技術文獻出版社, 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：開關電器試驗系統設計。