模塊化變電站主變的改進設計研究

摘要：模塊化變電站是在電網(wǎng)緊急狀態(tài)下轉(zhuǎn)移應急負荷的一種便捷方式，傳統(tǒng)主變結(jié)構(gòu)形式已不能符合模塊化變電站應急部署要求，急需進行改進設計，以適應模塊化變電站應急使用。現(xiàn)針對整體方案、結(jié)構(gòu)與材料、引出線、散熱循環(huán)等技術要點對模塊化車載應急變電站用主變壓器實施改進設計。

關鍵詞：模塊化;應急變電站;主變壓器;改進設計

0? ? 引言

模塊化應急變電站采用車載形式，傳統(tǒng)車載變因體積受組裝和運輸限制，其容量一般在20 MVA左右，而通用設計的110 kV變壓器容量一般在50 MVA，顯然傳統(tǒng)車載變不能與國網(wǎng)通用設計相配套。為此，需要在主變壓器的結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新改進，實現(xiàn)與國網(wǎng)通用設計相配套。本次改進主要針對目前車載變存在的如下缺點：

（1）變壓器安裝調(diào)試時間及高、低壓進出線接口連接時間過長，達不到應急需要。

（2）變壓器容量達不到應急需要，需提高容量，實現(xiàn)與國網(wǎng)通用設計相配套。

（3）目前車載移動變技術形式不統(tǒng)一，沒有統(tǒng)一的標準模塊，國網(wǎng)公司未能形成通用設計標準和通用設備。

1? ? 整體方案

此次設計就110 kV大容量模塊化車載應急變壓器的結(jié)構(gòu)進行了研究，對變壓器外部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、抗震性能及如何實現(xiàn)快速接入負荷提出了新的設計方案并進行了驗證分析，以使移動站用變壓器容量提升至50 MVA，并通過仿真分析驗證了產(chǎn)品的電氣性能、結(jié)構(gòu)性能，以確保產(chǎn)品在運輸過程中性能穩(wěn)定可靠。整體方案采用模塊化、標準化、通用化設計，產(chǎn)品具備移動方便、安裝快捷、占地面積小、機動靈活、易于深入負荷中心、可迅速投入使用等特點，實現(xiàn)了與國網(wǎng)通用設計相配套，滿足了應急需要。整體效果如圖1所示。

2? ? 關鍵技術及解決情況

2.1? ? 整體布置

模塊化車載應急變電站用主變壓器由于其運輸方式為公路運輸，同時其設計特點為現(xiàn)場免維護，因此在整體布置設計時需特殊考慮。為滿足公路運輸寬度尺寸限制，將傳統(tǒng)散熱布置結(jié)構(gòu)變?yōu)榉煮w散熱，散熱器與變壓器主體采用“一”字型布置，散熱器與變壓器主體通過輸油管路連接，散熱器數(shù)量20組，選用強迫油循環(huán)風冷卻器。

2.2? ? 鐵芯

鐵芯采用優(yōu)質(zhì)冷軋晶粒取向高導磁硅鋼片，45°全斜接縫、拉板結(jié)構(gòu)、無孔綁扎鐵芯式，硅鋼片疊積采用一片一疊階梯接縫，可有效降低空載損耗和空載電流。

鐵芯拉板采用無磁鋼板，并開隔磁槽，防止漏磁造成的局部過熱。鐵芯采用三相五柱式，較之三相三柱式結(jié)構(gòu)，鐵芯高度降低量達到18%。同時芯柱采用TENAX捆帶綁扎，上下鐵軛側(cè)梁使用鋼質(zhì)拉帶加強拉緊結(jié)構(gòu)，鐵芯整體使用聚氨酯粘合劑刷涂固化，增加片間強度，降低變壓器鐵芯噪聲水平。

2.3? ? 引線

在變壓器內(nèi)部，低壓引線銅排從低壓側(cè)鐵芯上端引向低壓出線端，引線銅排間連接、銅排與出線裝置連接均采用軟連接，銅排均采用大彎角折彎。高壓引線使用高密度層壓木制作的導線夾固定，夾持間距為300～400 mm。同時在高壓引線導線夾距油箱側(cè)增加兩層間距為7 mm的1.5 mm紙板來改變局部電場分布，減少高壓引線對箱壁絕緣距離。

根據(jù)ANSYS仿真分析結(jié)果，箱壁近處電場強度2 469.77 V/mm，此電場強度遠小于變壓器油擊穿電壓，該處場強滿足設計要求。

2.4? ? 器身

在繞組上下部設計有整體大壓板，具有足夠的強度和剛度。壓板上部每相布置四個彈簧壓釘壓緊線圈及絕緣件。線圈底部絕緣件開紙板槽，定位器身中絕緣紙板位置，防止器身絕緣結(jié)構(gòu)偏移、變形而導致的變壓器性能水平降低，同時保證油道暢通。

線圈間主絕緣結(jié)構(gòu)根據(jù)多年的科研成果和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗設計。仿真分析得出主絕緣電場分布和各部的場強，并預留一定的裕度，使設計合理，保證產(chǎn)品的絕緣可靠性。根據(jù)器身的ANSYS仿真分析結(jié)果，高壓線圈端部拐角處電壓強度最高，其值為3.483 kV/mm，場強滿足設計要求。

器身上部使用鐵芯與箱蓋深入式撐板撐緊結(jié)構(gòu)，鐵芯夾件設計兩個160 mm×200 mm的方形金屬固定座，該固定座內(nèi)部采用加強板連接結(jié)構(gòu)，油箱預留兩個升高座深入配合位置。

器身下部采用縱向、橫向擋塊壓緊式結(jié)構(gòu)，同時器身與下節(jié)油箱為定位釘多方位多點固定。根據(jù)設計方案，器身重量為36 100 kg，變壓器運輸過程中加速度不大于3g，SoildWorks仿真分析結(jié)果顯示，定位釘最大變形量為3.293×10-6 m，遠小于定位釘材料屈服強度，滿足結(jié)構(gòu)設計要求。

2.5? ? 冷卻器及進出線裝置

此次方案使用強迫油循環(huán)風冷卻器取代傳統(tǒng)散熱器，在滿足變壓器溫升要求的同時大幅減小了變壓器外形尺寸及變壓器油的使用量，減少了變壓器的重量。

在變壓器外部連接中廣泛使用快速接頭來保證變壓器現(xiàn)場的快速連接，該快速接頭由兩端法蘭及中部波紋聯(lián)管組成，具有可調(diào)節(jié)性，對現(xiàn)場具有位置偏差的管接頭有良好的連接性和密封性，便于現(xiàn)場迅速安裝調(diào)試，使變壓器快速投入使用。

變壓器進、出線及本體整體采用“一”字型布置，將高壓、中性點及低壓分別引至變壓器兩個長軸端，引出裝置可采用插拔式電纜接頭也可采用油紙電容式套管，避免安裝架空線裝置，可大幅縮小變壓器外部電氣絕緣距離。

2.6? ? 油箱及儲油柜

本方案油箱采用鐘罩式結(jié)構(gòu)，上下節(jié)油箱通過自鎖螺栓連接。鐘罩箱沿法蘭采用雙密封結(jié)構(gòu)，外層密封橡膠是阻止?jié)B漏油的第二道防線，能有效隔開外部環(huán)境陽光、大氣、紫外線等，使內(nèi)部密封圈的彈性壽命延長，增加密封可靠度。同時油箱加強結(jié)構(gòu)分布合理，使油箱能承受全真空（殘壓小于133 Pa）及0.1 MPa的正壓;油箱箱沿加限位方鋼，保證密封墊的彈性壓縮量，使密封面能有效密封，從而保證產(chǎn)品在各種路況運輸中不出現(xiàn)滲漏油的現(xiàn)象。

儲油柜為“方扁形”設計，同時將氣體繼電器安裝位置設計于儲油柜側(cè)端，有效降低了變壓器整體高度以及變壓器整體重心高度，滿足公路運輸尺寸要求。

整體效果如圖2所示。

2.7? ? 機械強度校準

機械強度在車載變電站中至關重要，車載變電站在運輸過程中需要通過復雜的路況，主變壓器整體受到的力與常規(guī)站用變有很大不同。機械強度校準可有效避免車載變電站在未來的投運中可能出現(xiàn)的主變壓器器身、線圈偏移，油箱滲漏油等諸多機械問題。此項目中變壓器各部件均進行了機械強度校準，性能滿足各類型使用情況要求。

3? ? 結(jié)語

本次主變壓器改進設計的技術方案不僅適用于模塊化車載應急變電站使用場景，也為其他模塊化變電站內(nèi)主變壓器的選型設計提供了一種有益的解決方案。當然，本次研究還需要繼續(xù)通過制造、運行實踐不斷完善技術，并在材料、結(jié)構(gòu)、散熱、降噪等方面不斷加以改進。

[參考文獻]

[1] 包紅旗.智能模塊化變電站[M].北京：中國水利水電出版社，2016.

[2] 尹克寧.變壓器設計原理[M].北京：中國電力出版社，2003.

收稿日期：2020-01-07

作者簡介：汪彥（1975—），男，江蘇南京人，碩士在讀，高級工程師，研究方向：工廠預制式模塊化變電站。