三相雙繞組高阻抗變壓器設計研究

翟慧慧　杜世鵬　葛為民

摘 要

本文在介紹高阻抗變壓器特點的基礎上，揭示了高阻抗變壓器在設計過程中存在的主要問題，分析了按傳統方法設計高阻抗變壓器所造成的阻抗和負載損耗偏差的原因，并依據高阻抗變壓器的特點，對阻抗和負載損耗的計算方法提出了相應的改進意見。

關鍵詞

變壓器;阻抗;負載;偏差;設計

中圖分類號： TN784 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.050

0 引言

電力變壓器在電力系統中運行，發生短路是人們竭力避免而又不能絕對避免的，短路時巨大的過電流產生的機械力，對電力變壓器危害極大，因此，國家標準GB1094和國際標準IEC76均對電力變壓器的承受短路能力做了相應的規定，然而，近年來對全國電力變壓器事故統計分析表明，因電網發生故障，變壓器本身抗短路能力不夠造成變壓器損壞并導致電網停電的事故屢有發生，而且近年來呈逐漸上升態勢。

為了有效地提高變壓器的抗短路能力，近幾年普遍青睞于應用高阻抗變壓器，盡管高阻抗變壓器也有一定的負面影響，如功耗有所增加而效率有一定程度的下降，但優點仍十分明顯，具體表現在如下方面：（1）降低短路電流，增強抗短路能力;（2）熱穩定性好;（3）降低投資成本。

總之，使用高阻抗變壓器，能提高電力系統的穩定性，因此，目前正在越來越多地使用高阻抗變壓器。

1 高阻抗變壓器設計中存在的問題

目前，三相雙繞組高阻抗變壓器的設計和研究還停留在普通型電力變壓器的基礎上，因為人們普遍基于這樣的思考：三相雙繞組高阻抗變壓器的工作原理、結構與普通型變壓器相同。因此，在設計高阻抗變壓器時，無論是設計公式的應用，還是修正系數的選取，均仍按普通型變壓器的設計思路進行，然而按此設計而得出的結果卻出人意料——阻抗和負載損耗的實測值均與設計值有較大的偏差，即阻抗實測值比設計值低得多，而負載損耗實測值卻比設計值高得多。

隨著此類高阻抗變壓器設計型號和數量的增加，我們發現這種不能被接受的偏差普遍存在，而且稍有不慎，就會出現不合格產品，使企業蒙受巨大的經濟損失，即使偏差沒有超出國家標準規定范圍，但這種偏差帶來的抗短路能力和效率的下降等不利因素是顯而易見的。

通過分析和研究，我們發現問題出在設計思路和設計方法上。

2 原因剖析和設計研究

2.1 阻抗方面

導致三相雙繞組高阻抗變壓器阻抗偏低的根本原因，是此類變壓器的電抗修正系數與普通型變壓器的電抗修正系數不一樣。

高阻抗變壓器由于繞組外形比較矮胖，即長徑比較小，從理論分析和實例驗證中均可以得出產生阻抗值偏低的主要原因是由于使用了不當的電抗修正系數。即三相雙繞組高阻抗變壓器的電抗修正系數應修改為：k=1+β2ρ2h2/12ρ1τδ×104，（其中，h為繞組電抗高度;ρ1和ρ2分別為縱向和橫向的洛氏系數;τ為繞組的漏磁寬度;δ為漏磁空道的折算寬度）。

應該指出的是，上面的阻抗設計修正系數針對的不僅僅是高阻抗變壓器高壓繞組調壓區在中部的情況，對于高阻抗變壓器高壓繞組調壓區在兩端或在一端的情況，此修正系數同樣適用。

2.2 負載損耗方面

通過分析和研究，并經許多實例驗證，可以得出如下結論：

線圈的電阻損耗分析：三相雙繞組高阻抗變壓器的線圈電阻損耗可以按普通型變壓器電阻損耗公式來計算，并能獲得比較準確的實際損耗值;

引線損耗分析：可以按普通型變壓器經驗公式計算，且不會產生較大的偏差;

縱向渦流損耗分析：按普通型變壓器的公式計算，如果在中小容量的變壓器中，兩者差距不大。但在普通型變壓器設計時，我們通常忽略橫向漏磁在線圈中產生的渦流損耗，因此，在大容量高阻抗變壓器中，由于漏磁通的增大，因此，不能忽略橫向漏磁在線圈中產生的渦流損耗。

影響變壓器橫向漏磁的因素有兩個：一是不平衡安匝，二是漏磁場端部邊界的彎曲效應。傳統的僅由不平衡安匝來計算橫向漏磁的計算方法在三相雙繞組高阻抗變壓器設計中是錯誤的，由此導出的橫向渦流損耗的計算公式誤差也極大。因此，建議工程上對于上述部分采用場的方法進行計算，而在中小容量的高阻抗變壓器中，橫向漏磁產生的渦流損耗不大。

環流損耗的分析：環流損耗只有在繞組不完全換位時產生，而且其計算公式是在簡化漏磁場的前提下導出的，有很大的局限性和近似性。由于變壓器縱向磁場沿線圈的軸向分布不等以及在線圈端部形成彎曲，它對環流的影響是不能忽略的。而高阻抗變壓器漏磁場較大，因此，應考慮實際漏磁場分布來計算線圈的環流損耗，以提高計算的準確性。

傳統觀點認為，橫向漏磁不產生環流損耗，可是，我們研究發現，變壓器橫向漏磁在雙螺旋以及多螺旋式繞組中產生環流損耗，對于大容量變壓器或高阻抗變壓器，橫向漏磁產生的環流損耗占到該繞組電阻損耗的5%～10%，因此，在設計大容量高阻抗變壓器時，建立“橫向漏磁也在繞組中產生環流損耗”的概念是十分必要的。

雜散損耗分析：通過分析可以得到，三相雙繞組高阻抗變壓器的雜散公式和普通型變壓器的雜散公式在形式上類似，但具體的參數值并不相同。因為，高阻抗變壓器一般來說比較矮胖，因此，其漏磁校正系數不能像普通型變壓器那樣忽略不計。另外，兩者在經驗系數的選取上也有較大的差別。普通型變壓器雜散公式中的經驗系數，是通過對普通型變壓器試驗反推出來的統計平均值，因此不能用此統計值作為高阻抗變壓器雜散損耗的經驗系數，否則，將造成很大的誤差，這也是以往用普通型變壓器的雜散公式來計算中小容量高阻抗變壓器雜散損耗所造成的負載損耗偏差的主要原因。

3 結語

盡管從原理和結構上說，高阻抗變壓器與普通型變壓器沒有本質上的區別，因此，高阻抗變壓器設計時仍沿用普通變壓器的相關理論和公式，但在使用相關理論和公式時，在阻抗修正系數和負載損耗等方面應進行適當的調整。

參考文獻

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