高屈服極限導線在變壓器中的應用

方海彬 李靜

摘 要：隨著電網、電站電壓的升高和容量的增加，大型電力變壓器因外部短路引起的繞組損壞事故也明顯增多。為了提高變壓器的抗短路能力，需要通過提供高導線自身的屈服強度來提高變壓器的抗短路能力。

關鍵詞：高屈服極限導線；短路耐受能力；經濟性；試驗

中圖分類號：TM412 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）11-0089-01

1 引 言

電力變壓器作為電力系統的主要設備之一，其運行的可靠性對整個系統的安全至關重要。據國家電網公司統計分析，從1995～1999年，全國110kV及以上電壓等級電力變壓器發生短路損壞事故125臺次，容量7996MVA，占事故總容量的37.5%，占變壓器總事故臺次的44.0%。由此可以看出，電力變壓器短路強度不夠已成為電力變壓器損壞的主要原因之一。目前，如何提高產品的抗短路能力依然是一個值得深入研究和認真對待的技術難題。

提高變壓器承受短路的能力，主要有兩個途徑：①通過改善變壓器的漏磁分布，減小由過電流引起的短路力對變壓器的損傷；②提高變壓器繞組自身的短路耐受能力。變壓器繞組的損壞事故是在軸向短路力和幅向短路力的共同作用下發生的，但是由于幅向短路力的數值通常要比軸向短路力的數值大的多，因此提高變壓器的幅向耐受力是提高變壓器抗短路能力的有效途徑。國際大電網會議論文中經常采用的計算繞組幅向失穩平均臨界應力的計算公式如下：

由此式可以看出增大導線的尺寸和彈性模量是提高繞組幅向失穩平均臨界應力的有效手段目前我公司主要是通過提高導線的尺寸，來提高變壓器的抗短路能力，根據我公司多年的實踐經驗控制繞組的電流密度就可以保證導線尺寸使繞組不會因幅向失穩而損壞。目前我公司提高抗短路能力的通常做法是降低繞組中的電流密度，這樣使得繞組體積、重量增大，溫升和負載損耗偏低，變壓器在正常運行時存在嚴重的性能過剩。本試驗時希望通過提供高導線自身的屈服強度來提高變壓器的抗短路能力。使變壓器體積、重量減小，也降低成本。

2 設計方案對比及理論證明

以SFSZ10-240000/220變壓器為例，將低壓線圈采用高屈服極限導線的設計方案與原方案進行對比如下：

方案改進后的有利因素：

總成本節約30多萬元；

變壓器空載損耗降低5kW；

變壓器的器身重和總重量可降低約10t左右。

更改后也存在一些不利影響：

線圈繞制難度增大；

低壓線圈電密增加，繞組溫升也隨之提高，需適當增加線圈油道；

由于低壓采用網包線，則中-低（高-低）線圈之間距離需適當增加；

低壓線圈導線成本將有所提高。

總之，變壓器低壓線圈采用高屈服極限（σ0.2>220MPa）的半硬銅導線繞制，在提供變壓器性能參數和降低產品成本方面還是非常有利的。

為了驗證屈服強度σ0.2>220MPa的半硬銅導線在繞制線圈中可能出現的問題和導線自身的性能特點做了如下試驗。

3 導線的實際應用試驗

3.1 線圈繞制試驗

分別采用：

線圈繞制過程中只有出頭和換位處稍有困難，需增加相應的工裝工具，線圈整體表面平整緊實，效果很好。經過本次繞制試驗為今后采用屈服強度σ0.2>220MPa的半硬銅導線繞制線圈提供一下建議：

在導線選擇時單根導線尺寸不要大于1.55×8，組合根數不要大于39；

線圈內徑尺寸不宜太小，通常不小于？準940；

線圈要采用幅向一根并繞，軸向可采用多根并繞；

采用此種導線繞制單螺旋幅向一根并繞的線圈時，幅向的繞制系數取1.02即可。

3.2 導線的拉斷試驗

本試驗利用萬能試驗機進行的，拉斷試驗是測試換位導線中單根導線在不同情況下的拉斷力。分別在屈服強度σ0.2=220MPa和屈服強度σ0.2=260MPa中各取5個單根導線，將每根均勻截成三段，并分別做好標記，分別對導線在常態（20℃）、熱態（105℃）和經氣相干燥處理后（20℃）三種狀態下導線拉斷力和伸長率進行對比。

在試驗過程中遇到了一些問題，由于試驗設備功能和精度的問題，試驗并沒有直接獲得導線的屈服強度和導線的應力-應變曲線，只得到了拉斷力、伸長率和應力-形變曲線，通過應力-形變曲線利用圖解的方法可以間接得到導線的屈服強度（見試驗數據表）但由于誤差較大參考性不強。而整根換位導線的剛性彎曲強度和粘合強度受試驗設備所限無法進行。

試驗結果與理論分析基本一致。

4 結束語

總之，通過提供高導線自身的屈服強度來提高變壓器的抗短路能力的方法對降低成本和提高變壓器性能方面都有非常明顯的優勢，也是未來變壓器發展的方向。

收稿日期：2018-3-14