大容量三相發(fā)電機(jī)變壓器低壓引線方案選擇

曾令寶，王仁，李正緒

（廣州西門子變壓器有限公司，廣州 510530）

0 引言

近年來(lái)，隨著電力需求的日益增加，發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量不斷增大，與之配套的發(fā)電機(jī)變壓器的容量也越來(lái)越大。通常大容量發(fā)電機(jī)變壓器多為三相一體雙線圈結(jié)構(gòu)，其額定容量大于或等于500 MVA，低壓額定線電壓在18～24 kV，低壓線電流通常大于14 kA。對(duì)于大電流的低壓引線而言，由于變壓器的器身尺寸通常大于常規(guī)電力變壓器，從而增加了低壓引線的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。假設(shè)在同等電流密度條件下，其本身的直流電阻損耗就比較大，再加上交變電流產(chǎn)生的強(qiáng)大漏磁場(chǎng)引起的附加損耗和雜散損耗，如果方案選擇不合適，很容易由局部損耗過(guò)高，而引起引線溫升高于標(biāo)準(zhǔn)限值，從而降低引線夾持件、引線絕緣和變壓器油的機(jī)械強(qiáng)度或電氣性能。因此，選擇合適的低壓引線方案十分必要。

各文獻(xiàn)有很多關(guān)于變壓器線圈漏磁場(chǎng)仿真計(jì)算［1－3］、大電流低壓引線結(jié)構(gòu)改進(jìn)［4］及大電流低壓引線周圍磁場(chǎng)和損耗的計(jì)算［5－10］，但是在保持其他外界條件不變的情況下，單獨(dú)通過(guò)改進(jìn)低壓引線的材料和結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到降低損耗的研究卻不多。本文在以上研究的基礎(chǔ)上，專門分析計(jì)算低壓引線材料和結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致最終損耗的不同。

常規(guī)電力變壓器的低壓引線材料通常采用包絕緣的電纜、銅排、銅棒及銅管等。而對(duì)于大容量三相發(fā)電機(jī)變壓器的低壓引線，為了限制引線溫升，低壓引線材料通常不宜采用電纜、銅棒和銅管（如用類材料，需要使用多根電纜、銅棒或銅管，需要增加較多變壓器內(nèi)部空間，造成變壓器成本浪費(fèi)），采用多根銅排并聯(lián)或者改用CTC導(dǎo)線作為低壓引線，效果會(huì)更好。

1 設(shè)計(jì)原理

變壓器的負(fù)載損耗計(jì)算公式如下：

式中：Pw為變壓器的負(fù)載損耗，kW；Pwr為變壓器各繞組的電阻損耗，kW；Plr為變壓器各引線的電阻損耗，kW；Pwf為漏磁場(chǎng)在各繞組中產(chǎn)生的附加損耗，kW；Plf為漏磁場(chǎng)在各引線產(chǎn)生的附加損耗，kW；Psf為漏磁場(chǎng)在金屬結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生的雜散損耗，kW。

對(duì)于小容量的配電變壓器，負(fù)載損耗主要是繞組和引線的電阻損耗，漏磁場(chǎng)引起的附加損耗和雜散損耗比例很小，可以忽略不計(jì)；對(duì)于大容量的電力變壓器，繞組和引線的電阻損耗仍然是負(fù)載損耗的主要部分，但是漏磁場(chǎng)引起的附加損耗和雜散損耗比例增大，不可以忽略不計(jì)［11］。

按照式（1）計(jì)算可知，要計(jì)算出總的負(fù)載損耗，需要算出各部分的損耗，相加即得出總的負(fù)載損耗；為盡可能地減小總的負(fù)載損耗，需要想辦法減小式（1）中各分項(xiàng)的損耗。當(dāng)變壓器各部件的參數(shù)和結(jié)構(gòu)型式已經(jīng)確定后，變壓器漏磁場(chǎng)在空間各位置的分布也就確定下來(lái)。根據(jù)三維建模和Magnet 電磁仿真有限元分析，可以計(jì)算出漏磁場(chǎng)在空間各位置的漏磁通密度，即可算出漏磁場(chǎng)在各位置產(chǎn)生的附加損耗和雜散損耗。

本文是在上述前提下，針對(duì)變壓器各部件的參數(shù)和結(jié)構(gòu)型式已經(jīng)確定、僅僅只是改變低壓引線的規(guī)格和結(jié)構(gòu)，來(lái)對(duì)比低壓引線選用銅排和CTC導(dǎo)線的優(yōu)缺點(diǎn)；此時(shí)變壓器的漏磁場(chǎng)不會(huì)由于低壓引線方案的不同而發(fā)生改變，當(dāng)選取的銅排和CTC導(dǎo)線電密一樣時(shí)，兩者的電阻損耗也基本一樣，僅兩者由于漏磁產(chǎn)生的附加損耗會(huì)有所不同。

由于引線上漏磁分布變化相對(duì)較小，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，可以取均值作為參考。引線附加損耗計(jì)算公式［12］為：

式中：Plf為漏磁場(chǎng)在引線中產(chǎn)生的附加損耗，W；ρd為導(dǎo)線的電阻系數(shù)，Ω·mm2／ m；γd為導(dǎo)線的密度，kg／ m3；Gd為導(dǎo)線的質(zhì)量，kg；a為導(dǎo)線或銅排的輻向厚度，mm；f為變壓器的額定頻率，Hz；Bx為漏磁通密度，T。

其中：

式中：b為導(dǎo)線或銅排軸向的寬度，mm；l為導(dǎo)線的長(zhǎng)度，mm。

本文以一臺(tái)SFPZ－1000000 ／ 400 三相發(fā)電機(jī)變壓器為例，通過(guò)三維建模和Magnet進(jìn)行有限元分析，計(jì)算和對(duì)比采用多根并聯(lián)銅排和采用多根并聯(lián)CTC導(dǎo)線的附加損耗，從而達(dá)到選取合適低壓引線方案的目的。

2 變壓器產(chǎn)品信息

變壓器基本參數(shù)如表1 所示。

表1 變壓器基本參數(shù)

低壓引線接線原理如圖1 所示，結(jié)構(gòu)連接如圖2 所示。

圖1 低壓引線接線原理

圖2 低壓引線結(jié)構(gòu)連接

3 漏磁場(chǎng)模擬分析及引線附加損耗計(jì)算

3.1 低壓引線方案

考慮發(fā)電機(jī)變壓器容量大、低壓引線電流大、低壓引線處于線圈器身上方漏磁場(chǎng)較大的區(qū)域，靠近變壓器油箱的頂部，變壓器油中溫升較高，低壓引線的電密需要通過(guò)計(jì)算并保留較大裕度來(lái)選取。

（1）方案1：低壓引線使用多根并聯(lián)銅排

此方案低壓引線采用多根并聯(lián)銅排連接，連接示意圖如圖3三維模型所示。下部豎直方向與線圈連接段（1 所示箭頭處）和水平方向銅排（2所示箭頭處）中流過(guò)的是相電流（13889 A），匯集到連接套管的豎直引線段后為線電流（24057 A）。

圖3 低壓引線銅排連接

（2）方案2：低壓引線使用多根并聯(lián)CTC導(dǎo)線

此方案低壓引線采用多根并聯(lián)CTC導(dǎo)線連接，連接示意圖如圖4 三維模型所示。下部豎直方向與線圈連接段（1 所示箭頭處）和水平方向（2 所示箭頭處）以及上部連接套管的CTC導(dǎo)線中流過(guò)均是相電流（13889 A），進(jìn)入套管后方為線電流（24057 A）。

圖4 低壓引線CTC導(dǎo)線連接

3.2 漏磁場(chǎng)模擬及引線附加損耗計(jì)算

由于在引線各位置的漏磁通不相同，2 種方案均選取圖中1（豎直方向和線圈連接段引線）和2（水平方向引線）2 個(gè)位置，計(jì)算其漏磁通和引線的附加損耗，加以比較。

（1）方案1 位置1 處漏磁場(chǎng)模擬如圖5 所示，引線損耗計(jì)算如表1 所示。

圖5 為使用MagNet模擬計(jì)算出方案1 位置1 處截面的磁力線分布，表1 為將圖5 的漏磁場(chǎng)分解為x軸方向和y軸方向的2個(gè)分量，分別計(jì)算出2 個(gè)方向的漏磁場(chǎng)，根據(jù)式（2）計(jì)算出所有并聯(lián)銅排2 個(gè)方向的附加損耗，相加計(jì)算出此處單位長(zhǎng)度的總損耗。

圖5 圖3 中位置1 處漏磁場(chǎng)模擬

表1 方案1 位置1 處漏磁及引線附加損耗計(jì)算值

（2）方案2 位置1 處漏磁場(chǎng)模擬，如圖6 所示，引線損耗計(jì)算如表2 所示。

圖6 為使用MagNet模擬計(jì)算出方案2 位置1 處截面的磁力線分布，表2 為將圖6 的漏磁場(chǎng)分解為x軸方向和y軸方向的2個(gè)分量，分別計(jì)算出2 個(gè)方向的漏磁場(chǎng)，根據(jù)式（2）計(jì)算出2個(gè)方向所有并聯(lián)CTC導(dǎo)線的附加損耗，相加計(jì)算出此處單位長(zhǎng)度的總損耗。

圖6 圖4 中位置1 處漏磁場(chǎng)模擬

表2 方案2 位置1 處漏磁及引線附加損耗計(jì)算值

（3）方案1 位置2 處漏磁場(chǎng)模擬，如圖7 所示，引線損耗計(jì)算如表3 所示。

圖7為使用MagNet模擬計(jì)算出方案1位置2處截面的磁力線分布，表3為將圖7的漏磁場(chǎng)分解為x軸方向和y軸方向的2個(gè)分量，分別計(jì)算出2個(gè)方向的漏磁場(chǎng)，根據(jù)式（2）計(jì)算出2個(gè)方向所有并聯(lián)銅排的附加損耗，相加計(jì)算出此處單位長(zhǎng)度的總損耗。

圖7 圖3 中位置2 處漏磁場(chǎng)模擬

表3 方案1 位置2 處漏磁及引線附加損耗計(jì)算值

（4）方案2 位置2 處漏磁場(chǎng)模擬，如圖8 所示，引線損耗計(jì)算如表4 所示。

圖8 為使用MagNet模擬計(jì)算出方案2 位置2 處截面的磁力線分布，表4 為將圖8 的漏磁場(chǎng)分解為x軸方向和y軸方向的2個(gè)分量，分別計(jì)算出2 個(gè)方向的漏磁場(chǎng)，根據(jù)式（2）計(jì)算出2個(gè)方向所有并聯(lián)CTC導(dǎo)線的附加損耗，相加計(jì)算出此處單位長(zhǎng)度的總損耗。

圖8 圖4 中位置2 處漏磁場(chǎng)模擬

表4 方案2 位置2 處漏磁及引線附加損耗計(jì)算值

根據(jù)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，可以看出在1 和2 處漏磁場(chǎng)引起的附加損耗CTC導(dǎo)線遠(yuǎn)小于銅排，由于磁場(chǎng)在空間中是連續(xù)的，可以計(jì)算出整個(gè)CTC導(dǎo)線的附加損耗遠(yuǎn)小于銅排的附加損耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)工程制圖軟件對(duì)低壓引線設(shè)計(jì)的2 種方案分別進(jìn)行三維建模，采用MagNet 電磁仿真軟件進(jìn)行磁場(chǎng)的有限元分析，在相同漏磁場(chǎng)的條件下，計(jì)算出2 種不同方案低壓引線的渦流損耗，并加以對(duì)比，可以很清晰地看出使用多根并聯(lián)CTC導(dǎo)線的損耗遠(yuǎn)小于多根并聯(lián)銅排的損耗。大容量發(fā)電機(jī)變壓器為減小漏磁產(chǎn)生的損耗，除繞組使用CTC導(dǎo)線、增加油箱夾件的屏蔽等措施外，設(shè)法減小低壓引線的附加損耗也是減小總損耗的重要手段，采用CTC導(dǎo)線作為低壓引線正是一種比較好的方法。

但是由于CTC導(dǎo)線的硬度和剛度均弱于銅排，使用多根并聯(lián)CTC導(dǎo)線時(shí)引線的夾持、固定以及制作安裝都會(huì)較銅排復(fù)雜，材料成本和生產(chǎn)成本也會(huì)相應(yīng)增加，因此在設(shè)計(jì)低壓引線時(shí)，需進(jìn)行綜合考慮和對(duì)比，選擇合適和經(jīng)濟(jì)的方案。