小阻抗、大電流變壓器短路阻抗設計淺析

王麗丹 劉洋 汪斌

摘 要：本文從變壓器短路阻抗的定義及構成因素入手，詳細分析了不同短路阻抗產品的設計方法和不同構成要素對短路阻抗的影響趨勢，并通過對具體小阻抗試驗變壓器產品阻抗的分析計算及與試驗結果的比對，分析證實了大電流引線電感對變壓器阻抗的影響，提出了采用同相逆并聯的方法抵消其產生的交變磁通的可行性。

關鍵詞：小阻抗；大電流；同相逆并聯

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.178

1 概述

本項目YD-4100/10的單相大電流試驗變壓器，用于產品做突發短路試驗時，給試品提供短路電流。要求試驗變壓器的短路阻抗小于2%，以降低整個試驗系統的短路阻抗，提高短路電流。

由于本產品的短路阻抗要求特別小，短路阻抗的正偏差對系統影響顯著；采取合理的器身結構和引線結構，正確分析并精確計算變壓器短路阻抗成為本產品設計的重點和難點。

2 產品設計要點

2.1 產品性能參數

型號：YD-4100/10；

額定電壓：初級額定電壓12kV；

2個次級繞組W1、W2，額定電壓2×240=480V ；

額定電流：205/8542A；

額定適時試驗工作制：每次最大短路工作容量為52MVA，通電5秒，間歇30分鐘，通電5秒，間歇30分……，每天共進行16個工作循環；

短路阻抗：≤2%（對于4100kVA）。

2.2 產品結構特點

對于小短路阻抗、大電流試驗變壓器，采用合理的器身結構、全面分析短路阻抗的構成因素和對短路阻抗影響，是設計小短路阻抗變壓器的關鍵。

變壓器短路阻抗通常由阻抗分量和電抗分量組成，即Uk=Ur+jUx；此處的電阻分量不僅僅指的是線圈和引線的直流電阻引起的，而是在短路狀態下變壓器所消耗的能量，集中的反應在短路電阻上，是一個等效值，它包含了漏磁通在結構件中的損耗，也包括大電流引線等在結構件中的雜散損耗。常規變壓器阻抗計算僅計算繞組的電抗分量，其電阻分量很小，可以忽略不計，但對于該產品來說，恰恰其電阻分量占有很大的比重，要合理分析，不可忽視。

對于此類產品低壓電壓極低、繞組匝數少、電流大、線圈采用雙餅結構，產品采用單相、雙器身結構，兩個器身完全相同，單器身又采用兩柱并聯的結構增加漏磁組數增加降低繞組電抗分量。其次在計算短路阻抗時，由于短路阻抗小，要充分考慮短路電阻對短路阻抗的影響，包括低壓大電流引線自身電阻及其所產生的漏磁通，還有外部短路銅排自身電阻及其所產生的漏磁通。

雙餅式低壓繞組工藝簡單，結構設計時也容易滿足磁勢平衡及大電流引線的引出，變壓器低壓側每相采用兩塊豎置銅排，將每相的首末端分成了兩個支路。兩個支路電流的大小相等、方向相反，盡量減小兩銅排的間距，使其產生的交變磁通相互抵消，同相逆并聯效果更好；這樣不僅減小了銅排之間的互感，也大大減小引線銅排帶來的短路電阻分量對短路阻抗的占比。

3 量化引線電感對阻抗的影響

（1）變壓器的阻抗通常采用相對漏磁組進行計算，計算值為Ux%=1.766%，再乘以預估的引線電阻分量的占比1.07后為Ux%=1.89%，同時計算出的負載損耗Pk為11.56kW，那么電阻分量：Ur% = Pk/（S*10） = 0.28%，在公式Uk=Ur+jUx中，電阻分量是有功分量，而電抗分量是無功分量，二者相位差為90°，故短路阻抗1.92%。雖然計算時考慮了引線的影響，但對應實測值2.36%，此方法只計算繞組部分的阻抗，無法完全考慮到引線及外部短路銅排的電抗占比。

（2）為了精確的計算引線及外部短路銅排的電抗占比，本產品采用了三維有限元法對變壓器漏磁場進行了仿真分析。

1）圖2是對變壓器鐵心、繞組以及引線銅排等建立的三維模型，為了看清內部結構，油箱先設為不可見。計算變壓器短路感抗的漏磁場模型由鐵心，高、低壓繞組組成，同柱的高低壓繞組滿足磁勢平衡，同時將繞組匯流的低壓引線銅排、低壓出線端子以及外部短路銅排的連接引入磁場圖。

2）經過仿真計算，變壓器自身條件下帶模擬短路引線的短路阻抗模擬計算值為2.05%，與利用VIT驗證的阻抗1.89%比較偏大0.16%（VIT驗證無法考慮引線銅排的電抗影響）。不能消除短路引線的電阻和漏抗，只能是盡量降低短路引線的電阻和漏抗，因此變壓器自身的阻抗為<2.05%。

3）在采用專用的并聯短路銅排（如圖2）模擬的情況下，模擬驗算的值為2.28%，這與并聯試驗的實測值2.36%接近，此時并聯時外部短路用短接片的阻抗應是>0.23%。這表明短路引線的電阻和電抗影響變壓器的阻抗測量。

（3）后來通過改變繞組電抗實現變壓器阻抗小于2%。

4 小結

（1）設計小阻抗變壓器時，增加繞組的漏磁組數以降低繞組電抗分量。

（2）設計小阻抗變壓器時，不能簡單的利用傳統方法計算短路阻抗，此方法只計算了繞組部分的短路阻抗，但不能充分考慮內部引線、出線端子及外部短路銅排的電阻分量的占比。

（3）產品的引線銅排在布置時應充分利用同相逆并聯的原理，將變壓器每相的首末端分成了兩個支路，兩個支路電流的大小相等、方向相反，盡量減小兩銅排的間距，使其產生的交變磁通相互抵消，這樣不僅減小了銅排之間的互感，也大大減小銅排本身的短路阻抗。

后期另外一臺產品設計時，由于與本臺產品引線結構相近，利用本產品的阻抗進行歐姆值的折算，考慮銅排電流和長度的影響反推帶入該產品，實測值與計算值偏差很小。