單相三繞組自耦合節(jié)能變壓器設計及性能檢測分析

婁術鑫

(大慶油田生態(tài)環(huán)境管護公司果午湖生態(tài)區(qū)管護公司，黑龍江 大慶 163400)

0 引 言

變壓器是電力供應中最為關鍵的設備之一，如何實現(xiàn)變壓器綜合性能的有效提升，成為當下最為緊迫的工作。據(jù)不完全統(tǒng)計，變壓器的損耗占到整個電力供應損耗的30%～40%，因此，降低變壓器損耗，減少電能損失，對于變壓器的安全運行和節(jié)能降耗具有重要意義[1]。在常規(guī)變壓器設計過程中，一般考慮空載電流、空載損耗、短路阻抗以及有載損耗4個主要參數(shù)，但是變壓器在運行過程中，往往存在噪音和振動較大、絕緣性能較差以及機械強度不足的問題，這些問題對于變壓器的損耗也具有較大影響，因此，有必要針對這些因素展開設計研究[2-3]。

當前，節(jié)能變壓器在油氣、供水等多個方面逐漸普及[4-5]，給人們的生產(chǎn)生活帶來了更加高效穩(wěn)定的電力供應。該文設計了一種單相三繞組自耦節(jié)能變壓器，并提出從多個方面降低變壓器的空載損耗和有載損耗，可為安全、可靠、經(jīng)濟節(jié)能變壓器的設計與應用提供借鑒。

1 變壓器損耗的原因分析

自耦變壓器在一次繞組和二次繞組之間既存在著磁力的耦合，還存在著電的參與，使得自耦變壓器與普通變壓器相比，具有體積小、效率高的特點。按照自耦變壓器不同的繞組形式，可將其分為單層圓筒式、多層圓筒式、分段圓筒式、鋁箔圓筒式以及餅式繞組。自耦式變壓器損耗主要包括空載損耗和負載損耗兩部分：空載損耗主要是由于磁帶損耗、渦流損耗或者附加損耗所造成，空載損耗主要發(fā)生在變壓器鐵心結構中；負載損耗則主要是由于直流損耗、渦流損耗、環(huán)流損耗或者雜散損耗所造成。因此，應該充分利用現(xiàn)有的技術和工藝手段，從降低空載損耗和負載損耗兩方面入手，全面提升變壓器的綜合性能。

2 節(jié)能變壓器設計

2.1 總體結構

該文設計的單相三繞組自耦節(jié)能變壓器鐵心結構為單相三圓柱式，鐵心材料采用無磁鋼板(27RK090)，高壓線圈和低壓線圈使用內(nèi)屏蔽-連續(xù)式結構，中壓線圈使用螺旋式結構，高壓線圈的出線端在底部，在高壓線圈和油箱之間采用插花糾結式結構的調(diào)壓線圈，在油箱內(nèi)部采用銅屏蔽的方式將油箱與繞組底部進行有效的屏蔽，為了改善變壓器的損耗分布和降低雜散損耗，將磁分路設置在鐵心結構的最底部。變壓器的總體結構如圖1所示。

圖1 單相三繞組自耦節(jié)能變壓器結構Fig.1 Structural dimensions of single-phase three winding

2.2 主要參數(shù)

單相三繞組自耦節(jié)能變壓器的額定容量為216 700/216 700/48 530 kVA，額定電壓為(525/3 2±2.38%)/(230/3)/34.5 kV，冷卻方式為ONAN/ONAF1/ONAF2，適用變壓器容量130/173.3/216.7 MVA，額定電流大小為714.9/1 631.9/1 406.7 A，額定頻率為60 Hz，聯(lián)結組別為Ia0i0(無相位移單相自耦變壓器)，熱絕緣等級為A，高壓繞組的絕緣水平為1 180/1 425 kV，低壓繞組的絕緣水平為620/750 kV，中性點絕緣水平為150/50 kV，第三繞組絕緣水平為200/70 kV。

2.3 變壓器優(yōu)化設計

通常在設計變壓器的過程中，主要考慮空載電流、空載損耗、短路阻抗以及有載損耗4個參數(shù)，但是在變壓器運行過程中，如果僅僅考慮以上4個參數(shù)，可能會導致噪音和振動較大、絕緣性能較差以及機械強度不足等一系列問題，這些問題如果處理不當，又可能會對變壓器的損耗產(chǎn)生影響，嚴重的可能會導致變壓器內(nèi)部出現(xiàn)溫升過熱或者結構件損耗等現(xiàn)象，因此，在變壓器設計時不僅要考慮損耗參數(shù)，還要考慮變壓器運行時的穩(wěn)定與安全，從而保證變壓器處于最佳的工作狀態(tài)。在上述變壓器基本結構基礎上，提出從鐵心設計和繞組線圈設計2個方面對變壓器的性能進行優(yōu)化。

1)鐵心設計與優(yōu)化。該文設計的單相三繞組自耦節(jié)能變壓器鐵心直徑為1 029.97 mm，鐵心窗高×寬為2 860.04 mm×1 549.91 mm，鐵心質(zhì)量為53 354.26 kg，磁通密度大小為1.553 4 T，鐵心柱數(shù)和冷卻通道數(shù)量均為3，冷卻通道尺寸為5.003 8 mm。變壓器的空載損耗不僅與變壓器鐵心材料有關，還與鐵心的結構形式以及制造工藝等有關，為了降低變壓器的空載損耗，提出從鐵心材料、加工工藝、磁分路安裝等方面進行如下的設計優(yōu)化：①在鐵心材料上選用27RK090專用硅鋼片，并采用冷軋工藝進行加工，具有質(zhì)量輕、單位鐵損耗低、磁感應強度高、節(jié)約制造成本等優(yōu)勢；②為減少鐵心加工和運輸過程對硅鋼片的電磁性能產(chǎn)生影響，變壓器鐵心采用縱剪、橫剪專用設備對硅鋼片進行加工，該設備生產(chǎn)的硅鋼片毛刺長度小于等于0.015 mm，長度偏差小于等于0.2 mm，能夠提高鐵心的表面光滑度和疊裝系數(shù)，同時采用“H-H”環(huán)氧膠工藝減少鐵心在加工生產(chǎn)過程中的異物污染，減少振動，降低噪聲；③采用全斜接縫新型工藝降低忒新通磁所受阻力，同時采用5 級步進結構減少接縫數(shù)量，使磁通分布更加均勻，氣隙磁密降低，從而減少鐵心噪音；④采用PET 帶熱摩擦融化綁扎工藝(PET綁扎帶具有受熱收縮性能)以提升變壓器鐵心的夾緊力和綁扎力；⑤為了避免鐵心下軛局部的“掉片”現(xiàn)象，在鐵心墊腳處使用環(huán)氧樹脂適形填塞固化工藝進行處理；⑥分別采用無磁鋼結構件和磁分路來減少渦流損耗和雜散損耗。

2)繞組線圈設計與優(yōu)化。在變壓器設計過程中，高壓線圈和低壓線圈均采用了屏蔽-連續(xù)式結構，該內(nèi)屏結構可采用跨多段屏蔽和雙面屏蔽絕緣，從而減小絕緣尺寸和增強薄弱部位的絕緣性能，提高鐵窗利用率和抗沖擊性能，第三繞組采用螺旋式結構，調(diào)壓繞組采用插花糾結式結構，選用紙包扁線；為有效降低繞組渦流和環(huán)流損耗，高、低以及第三繞組線圈材質(zhì)均選用紙包自黏性換位導線，同時通過導線換位和環(huán)氧樹脂澆注工藝，可提高機械強度和抗短路性能，同時還能實現(xiàn)溫度均勻分布和降低附加損耗。繞組排列示意見圖2。

圖2 繞組排列示意圖Fig.2 Winding arrangement diagram

變壓器安匝平衡決定了橫向漏磁大小，從而進一步影響變壓器軸向應力大小、附加損耗以及局部過熱問題，為了使變壓器安匝平衡，必須使同一對繞組相同高度內(nèi)的電流與匝數(shù)的乘積占比是一致的，為了減小大容量中變壓器的軸向力，必須將不平衡度控制在3%以內(nèi)。在進行安匝計算時，需要先對高壓繞組進行區(qū)域劃分，然后其他繞組再與高壓繞組進行對應的區(qū)域劃分，區(qū)域劃分原則為：①兩個繞組的高度應盡量保持一致，劃分界限應在線段間油道中心線上；②在同一個區(qū)域內(nèi)，應使主漏磁空道和線段幅向尺寸盡量相等；③應使不同繞組區(qū)域中的匝數(shù)百分值盡量相等。根據(jù)上述原則，進行繞組安匝排列，結果見圖3。

圖3 繞組安匝排列示意圖Fig.3 Ampere turn arrangement diagram of winding

3 性能檢測分析

3.1 繞組電阻檢測結果

試驗檢測得到的不同繞組在繞組升溫情況下的電阻值結果見表1。從表1可知：隨著溫度的升高，繞組的電阻值有所增大，高壓繞組的電阻>低壓繞組電阻>第三繞組的電阻。

表1 繞組電阻檢測結果Table 1 Winding resistance test results

3.2 絕緣特性檢測結果

試驗檢測得到的繞組絕緣特性結果見表2。從表2可知：當在R15和R60情況下時，高壓、低壓繞組對第三繞組和地的絕緣電阻最大，其次為高壓、低壓和第三繞組對地，最小的為第三繞組對高壓、低壓繞組和地；當在R600情況下時，高壓、低壓繞組對第三繞組和地的絕緣電阻依然最大，其次為第三繞組對高壓、低壓繞組和地，最小的為高壓、低壓和第三繞組對地；3個測量點的吸收比相差不大，介于1.25～1.31；對于極化指數(shù)而言，第三繞組對高壓、低壓繞組和地最大，其次為高壓、低壓繞組對第三繞組和地，最小的為高壓、低壓和第三繞組對地，從不同測量點的絕緣特性來講，均滿足絕緣電阻>10 000 MΩ或者吸收比>1.3或者極化指數(shù)大于1.5的相關要求。鐵心對夾件和地、夾件對鐵心和地以及鐵心對夾件的1 min絕緣電阻分別為6 650 MΩ、4 850 MΩ和5 950 MΩ，均滿足大于2 500 MΩ的相關設計要求，表明絕緣性能良好。

表2 絕緣電阻檢測結果Table 2 Insulation resistance test results

3.3 空載電流和空載損耗檢測結果

空載電流和空載損耗檢測結果見表3(第一次為雷電沖擊耐受試驗前進行，第二次為雷電沖擊耐受試驗后進行)。從表3中可知：不管在什么狀況下，該文所設計的單相三繞組自耦節(jié)能變壓器的空載電流誤差均小于規(guī)范要求的上限值0.2%，空載損耗也小于規(guī)范要求的上限值55 kW，相比常規(guī)變壓器(85 kW)而言，節(jié)能變壓器的空載損耗降低了約40%。

表3 空載電流和空載損耗檢測結果Table 3 Test results of no-load current and no-load loss

3.4 短路阻抗和有載損耗檢測結果

短路阻抗和有載損耗檢測結果見表4。從表4中可以看到：高壓繞組對低壓繞組的有載損耗最大，達到328.91 kW，其次為低壓對第三繞組有載損耗，為47.48 kW，最小的為高壓對第三繞組，為45.94 kW；在該節(jié)能變壓器中，設計有載損耗為347 kW，高壓對低壓繞組的有載損耗為328.91 kW，在設計范圍之內(nèi)，同時有載損耗(405 kW)相對于常規(guī)變壓器而言，降低了約19%。由此可見，該文設計的單相三繞組自耦節(jié)能變壓器達到了節(jié)能降耗的目的，采用的設計結構以及新工藝、新材料能有效降低變壓器的噪聲和振動，從而實現(xiàn)變壓器的最佳性能。

表4 短路阻抗和有載損耗檢測結果Table 4 Test results of short circuit impedanceand on-load loss

4 結 語

針對常規(guī)變壓器因噪音和振動較大，材料絕緣性能較差以及機械強度不足等造成過多損耗的問題，該文設計了單相三繞組自耦節(jié)能變壓器，并從鐵心和繞組線圈2個方面對變壓器進行設計與優(yōu)化，通過繞組電阻、絕緣特性、空載損耗和有載損耗等多個方面的檢測，驗證了所采用的變壓器結構設計和新工藝、新材料應用能夠有效降低變壓器的噪聲和振動，空載損耗和有載損耗分別較傳統(tǒng)變壓器降低了40%、19%，實現(xiàn)了變壓器各項性能的有效提升。