電力變壓器連續(xù)式繞組導(dǎo)線換位優(yōu)化設(shè)計(jì)

張軍海，葉彪，董記斌，彭景偉，莫向松

（廣州市一變電氣設(shè)備有限公司，廣州 511450）

0 引言

隨著碳達(dá)峰、碳中和系列政策的實(shí)施及變壓器城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)改造的深入推進(jìn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 20052-2020《電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)》中的空載損耗和負(fù)載損耗限值可以看出［1］，新版標(biāo)準(zhǔn)與舊版標(biāo)準(zhǔn)GB20052-2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級(jí)》相比［2］，其空載損耗和負(fù)載損耗限值更低，且新版標(biāo)準(zhǔn)于2021年6月1日正式實(shí)施，各生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)變壓器時(shí)，需進(jìn)一步降低變壓器損耗值，新版標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電力變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗限值做出了明確的規(guī)定，各變壓器生產(chǎn)廠家出廠的變壓器都必須滿足新版標(biāo)準(zhǔn)的能效要求，目前各變壓器生產(chǎn)制造商正加緊對(duì)能效變壓器的結(jié)構(gòu)、工藝、材料進(jìn)行研究，以便更快地研發(fā)出適應(yīng)新版能效標(biāo)準(zhǔn)的干式變壓器和油浸式電力變壓器，盡快把滿足新版能效標(biāo)準(zhǔn)的變壓器推向市場(chǎng)，占取更多的市場(chǎng)份額，對(duì)變壓器生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，當(dāng)變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗相同，在設(shè)計(jì)時(shí)采用創(chuàng)新的節(jié)能技術(shù)，可以把變壓器的材料成本控制得更低，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

當(dāng)變壓器采用連續(xù)式繞組時(shí)，變壓器容量越大，繞組的渦流損耗越大，其主要原因是變壓器容量越大時(shí)繞組單根并繞導(dǎo)線的厚度越大，而繞組的渦流損耗與單根并繞導(dǎo)線厚度的平方成正比［3］，因此在變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，在保證工藝可靠性的前提下，可以增加繞組并繞導(dǎo)線的根數(shù)，降低導(dǎo)線的截面積和厚度，減少繞組的渦流損耗［4-5］，但銅導(dǎo)體并疊繞的根數(shù)越多，如果按連續(xù)式線圈傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換位，每根銅導(dǎo)線的總長(zhǎng)度相差較大，每根銅導(dǎo)線在漏磁場(chǎng)中的平均位置相差較大，造成連續(xù)式線圈不同銅體導(dǎo)之間的環(huán)流損耗增大［6-7］，還會(huì)引起繞組局部過(guò)熱導(dǎo)致繞組溫升增加。依靠增加線圈的并疊繞根數(shù)來(lái)降低渦流損耗時(shí)，如果線圈的換位方式不進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，會(huì)引起環(huán)流損耗的增加，其結(jié)果是線圈總的負(fù)載損耗變化不大，因此增加線圈的并疊繞根數(shù)來(lái)降低渦流損耗實(shí)際意思不大，相反由于線圈銅導(dǎo)體并疊繞根數(shù)的增多，提高了線圈換位工藝的復(fù)雜性。

目前現(xiàn)有技術(shù)采用的是如圖1所示的傳統(tǒng)型換位方法（圖示以3根導(dǎo)線并繞為例），根據(jù)圖示可以看出，3根導(dǎo)線中每一根導(dǎo)線在漏磁場(chǎng)中的等效平均半徑是不相同的，每一根導(dǎo)線的總長(zhǎng)度也是不一樣的，當(dāng)繞組導(dǎo)線的并繞根數(shù)大于兩根線時(shí)，繞組導(dǎo)線的換位均為不完全換位，會(huì)產(chǎn)生環(huán)流及環(huán)流損耗，因此必須改變繞組的繞制工藝，優(yōu)化繞組并繞導(dǎo)線的換位方式，從而降低繞組的環(huán)流和環(huán)流損耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，如圖2所示。本文主要通過(guò)對(duì)繞組多根并繞導(dǎo)線的換位方式進(jìn)行研究，大幅度降低繞組多根導(dǎo)線之間的環(huán)流，從而降低變壓器的負(fù)載損耗和繞組溫升，推動(dòng)變壓器產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，助力國(guó)家雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

圖1 傳統(tǒng)型換位

圖2 改進(jìn)型換位

1 傳統(tǒng)型換位、改進(jìn)型換位環(huán)流損耗分析

1.1 繞組漏磁分析

電力變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，高、低壓繞組均有電流通過(guò)，產(chǎn)生主磁通和漏磁通，主磁通通過(guò)變壓器鐵心形成封閉回路，漏磁通通過(guò)空氣或非磁性材料閉合，如果繞組采用傳統(tǒng)型換位，繞組每根導(dǎo)線在漏磁場(chǎng)中會(huì)感應(yīng)出不同的電動(dòng)勢(shì)，因此存在漏感電動(dòng)勢(shì)差，繞組的并繞根數(shù)越多，漏感電動(dòng)勢(shì)差越大，導(dǎo)線之間的環(huán)流和環(huán)流損耗越大。

假設(shè)繞組內(nèi)半徑為D，單根導(dǎo)線厚度為T(mén)，繞組由內(nèi)向外縱向漏磁場(chǎng)編號(hào)次序?yàn)?，2，…，m，m≤6，單個(gè)繞組的軸向漏磁場(chǎng)沿繞組徑向分布為線性［8］，單根導(dǎo)線在第m位置感應(yīng)的漏感電勢(shì)Δθ為：

式中：ε為常數(shù)；F為匝長(zhǎng)；ΔBm為導(dǎo)線所處位置的縱向漏磁場(chǎng)強(qiáng)度。

沿繞組幅向的縱向漏磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性分布［9］，如圖3所示。

圖3 縱幅向向漏呈磁線沿性繞分組布

一般線圈端部漏磁場(chǎng)在端部產(chǎn)生較大的彎曲磁力線，線圈的環(huán)流不受橫向漏磁分量的影響，圖4所示為線圈上端部和下端部縱向漏磁分量的分布，繞組上、下端部ΔB1在每一個(gè)線餅中的值是不相同的，假設(shè)第1線餅為B1，……，第i線餅為Bi，第6線餅為B6，為方便分析，令B1=B0，B6=2B0，上、下端部第6個(gè)線餅之后，為均勻漏磁區(qū)，則繞組端部Bi為：

圖4 縱向漏磁沿繞 組軸向分布

第i餅m位置導(dǎo)線所產(chǎn)生的漏感電勢(shì)為［10］：

1.2 各種換位在線圈端部漏感電勢(shì)

（1）傳統(tǒng)型換位在線圈端部漏感電勢(shì)

以繞組3根導(dǎo)線并繞為例，根據(jù)圖1及式（4）推導(dǎo)，連續(xù)式繞組采用傳統(tǒng)型換位法第1根導(dǎo)線在上、下端部6個(gè)線餅中產(chǎn)生的漏感電勢(shì)為：

同理，第2根導(dǎo)線在端部6個(gè)線餅中產(chǎn)生的漏感電勢(shì)為：

第3根導(dǎo)線在端部6個(gè)線餅中產(chǎn)生的漏感電勢(shì)為：

由于D＞＞T，顯然最大漏感電勢(shì)差為：

（2）改進(jìn)型a換位在線圈端部漏感電勢(shì)

改進(jìn)型a換位的餅式繞組線匝排列及換位如圖2（a）［11］，第1根導(dǎo)線在繞組上、下端部6個(gè)線餅中產(chǎn)生的漏感電勢(shì)為：

第2根導(dǎo)線在繞組上、下端部6個(gè)線餅中產(chǎn)生的漏感電勢(shì)為：

第3根導(dǎo)線在繞組上、下端部6個(gè)線餅中產(chǎn)生的漏感電勢(shì)為：

改進(jìn)型a換位最大漏感電勢(shì)差為：

（3）改進(jìn)型b換位在線圈端部漏感電勢(shì)

改進(jìn)型b換位的餅式繞組線匝排列及換位如圖2（b）［12-13］，其第1根導(dǎo)線在繞組上、下端部6個(gè)線餅中產(chǎn)生的漏感電勢(shì)為：

第2根導(dǎo)線在繞組上、下端部6個(gè)線餅中產(chǎn)生的漏感電勢(shì)為：

第3根導(dǎo)線在繞組上、下端部6個(gè)線餅中產(chǎn)生的漏感電勢(shì)為：

改進(jìn)型b換位最大漏感電勢(shì)差為：

1.3 傳統(tǒng)型、改進(jìn)型a、改進(jìn)型b換位在線圈端部漏感電勢(shì)分析對(duì)比

由于D＞＞T，通過(guò)對(duì)比可以得出3種換位方式中漏感電勢(shì)差最小的是改進(jìn)型a，因此在變壓器設(shè)計(jì)時(shí)繞組上、下端部?jī)?yōu)先考慮采用改進(jìn)型a換位，此時(shí)環(huán)流損耗最小，改進(jìn)型b換位和傳統(tǒng)型換位的最大漏感電勢(shì)差比較接近，產(chǎn)生的環(huán)流損耗值相差很小，但改進(jìn)型b換位與傳統(tǒng)型換位和改進(jìn)型a換位相比，從操作的角度來(lái)說(shuō)，少?gòu)澮淮巍癝”彎，且只有一根導(dǎo)線爬兩根線厚度的坡度，因此工藝性能更好。

1.4 線圈各種換位方式組合排列

根據(jù)圖4縱向漏磁沿繞組軸向分布，如果線圈上部第一段至第六段和線圈下部最后6段處于非均勻漏磁區(qū)位置，傳統(tǒng)型換位沒(méi)有完整的換位循環(huán)，改進(jìn)型b換位完整的換位循環(huán)有兩個(gè)，此時(shí)每個(gè)換位循環(huán)共3段，改進(jìn)型a換位完整的換位循環(huán)為一個(gè)，此時(shí)一個(gè)完整的換位循環(huán)共6段。在變壓器線圈設(shè)計(jì)時(shí)，線圈上端部和下端部在非均勻漏磁區(qū)有可能不是6段，當(dāng)繞組在非均勻漏磁區(qū)的上端部為4段或5段，在非均勻漏磁區(qū)的下端部為4段或5段，繞組在非均勻漏磁區(qū)的上端部為7段或8段，在非均勻漏磁區(qū)的下端部為7段或8段，此時(shí)最大漏感電勢(shì)差的計(jì)算值與上述的計(jì)算值相比，其數(shù)值比較接近，所以在繞組上、下端部的3種換位方式中，改進(jìn)型a換位最大漏感電勢(shì)差最小，繞組產(chǎn)生的環(huán)流損耗最小。

（1）線圈段數(shù)為50段時(shí)換位方式的組合排列

根據(jù)圖4縱向漏磁沿繞組軸向分布可知，一般繞組端部非均勻漏磁區(qū)高度占繞組總高度的20%，因此在變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，如果線圈的總段數(shù)為50段，線圈上端部前10段和下端部后10段采用改進(jìn)型a換位，中間的30段采用改進(jìn)型b換位，同時(shí)線圈上端部和下端部在非均勻漏磁區(qū)采用改進(jìn)型a換位的的段數(shù)與線圈導(dǎo)線的并疊繞根數(shù)有關(guān)，在非均勻漏磁區(qū)采用改進(jìn)型a換位的段數(shù)為2×導(dǎo)線并疊繞根數(shù)。當(dāng)線圈總段數(shù)為50段，線圈的并疊繞根數(shù)為5根，采用改進(jìn)型a換位時(shí)，單個(gè)完整的換位循環(huán)應(yīng)為10段，因此在線圈設(shè)計(jì)時(shí)，線圈上端部和下端部采用改進(jìn)型a換位的總段數(shù)應(yīng)各為10段。

（2）線圈段數(shù)為100段時(shí)換位方式的組合排列

根據(jù)圖4縱向漏磁沿繞組軸向分布可知，處于非均勻漏磁區(qū)的線圈上端部和下端部的段數(shù)應(yīng)各為20段，處于均勻漏磁區(qū)中間部分的段數(shù)應(yīng)為60段，當(dāng)線圈的并疊繞根數(shù)為5根時(shí)，采用改進(jìn)型a換位單個(gè)完整的換位循環(huán)為10段，2個(gè)完整的換位循環(huán)為20段，正好滿足非均勻漏磁區(qū)的線圈上端部和下端部的段數(shù)各為20段的要求，此時(shí)線圈的并疊繞根數(shù)取5根最合理，根據(jù)圖1、圖2（a）和圖2（b）得知，當(dāng)線圈的并疊繞根數(shù)大于或等于3根時(shí)，在均勻漏磁區(qū)，傳統(tǒng)型換位為非完全換位，線圈的環(huán)流損耗最大，改進(jìn)型b換位和改進(jìn)型a換位均為完全換位，線圈無(wú)環(huán)流損耗，假設(shè)線圈的并疊繞根數(shù)為4根，當(dāng)采用改進(jìn)型a換位，單獨(dú)一個(gè)完整的換位循環(huán)的段數(shù)為2×4=8段，采用改進(jìn)型b換位時(shí)，單獨(dú)一個(gè)完整的換位循環(huán)的段數(shù)為4段，由此看出，改進(jìn)型b換位單獨(dú)一個(gè)完整的換位循環(huán)段數(shù)比改進(jìn)型a換位單獨(dú)一個(gè)完整的換位循環(huán)段數(shù)少一倍，而線圈處于均勻漏磁區(qū)中間部分的段數(shù)不一定正好是改進(jìn)型a換位或改進(jìn)型b換位單獨(dú)一個(gè)完整的換位循環(huán)段數(shù)的倍數(shù)，或者說(shuō)段數(shù)不一定正好是改進(jìn)型a換位單獨(dú)一個(gè)完整的換位循環(huán)段數(shù)的倍數(shù)+改進(jìn)型b換位單獨(dú)一個(gè)完整的換位循環(huán)段數(shù)的倍數(shù)，在實(shí)際線圈設(shè)計(jì)時(shí)，由于改進(jìn)型b換位單獨(dú)一個(gè)完整的換位循環(huán)段數(shù)比改進(jìn)型a換位的段數(shù)少一倍，因此在線圈處于均勻漏磁區(qū)中間部分的段數(shù)使用改進(jìn)型b換位更加靈活機(jī)動(dòng)，考慮到線圈繞制的工藝性，在變壓器線圈設(shè)計(jì)時(shí)，線圈處于非均勻漏磁區(qū)的端部線圈采用改進(jìn)型a換位，處于均勻漏磁區(qū)中間部分的段數(shù)采用改進(jìn)型b換位，由于勻漏磁區(qū)中間部分的段數(shù)不一定正好是改進(jìn)型b換位單獨(dú)一個(gè)完整的換位循環(huán)段數(shù)的整數(shù)倍，排列時(shí)有可能剩下少量幾段線段不能采用改進(jìn)型b換位，這幾段可以采用傳統(tǒng)型換位，此時(shí)線圈每根并疊繞的導(dǎo)線總長(zhǎng)度相差很少，在漏磁場(chǎng)中的平均位置接近，線圈的環(huán)流損耗很低。

2 工藝性分析

2.1 3種換位方式的展開(kāi)圖

3種換位方式展開(kāi)圖如圖5所示（以3根導(dǎo)線為例）［14］。

圖5 3種換位方式展開(kāi)圖

2.2 各種換位方式的工藝性分析

從換位展開(kāi)圖可以看出，傳統(tǒng)型換位和改進(jìn)型a換位在換位處有3個(gè)“S”彎，傳統(tǒng)型換位和改進(jìn)型a換位的工藝性能相差不大，改進(jìn)型b換位在換位處有2個(gè)“S”彎，比傳統(tǒng)型換位和改進(jìn)型a換位小一個(gè)“S”彎，所以改進(jìn)型b換位的工藝性能更好，但這3種換位在工藝上都是完全可行的。

3 實(shí)例對(duì)比

3.1 試制樣機(jī)基本參數(shù)

試制了兩臺(tái)SSZ13-20000/110變壓器，其中一臺(tái)中、低壓線圈均按傳統(tǒng)型換位方式排列，另一臺(tái)中壓線圈按改進(jìn)型a換位和改進(jìn)型b換位的組合方式排列，低壓線圈按改進(jìn)型a換位、改進(jìn)型b換位和少量傳統(tǒng)型換位的組合方式排列，中、低壓繞組均為餅式繞組，中壓繞組導(dǎo)線并繞根數(shù)為4，總段數(shù)為68；低壓繞組導(dǎo)線并繞根數(shù)為6，總段數(shù)為76，中壓繞組改進(jìn)前后的線餅排列如圖6（a）、圖7（a）所示，低壓繞組改進(jìn)前后的線餅排列如圖6（b）、圖7（b）所示。

圖6 中壓繞組和低壓繞組改進(jìn)前線餅排列

圖7 中壓繞組和低壓繞組改進(jìn)后線餅排列

3.2 試制樣機(jī)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)值比較

根據(jù)計(jì)算，線圈并疊繞導(dǎo)線換位優(yōu)化前均采用傳統(tǒng)型的標(biāo)準(zhǔn)換位，中壓線圈的電阻損耗為25667 W，中壓線圈的環(huán)流損耗占其電阻損耗的百分?jǐn)?shù)為0.3%，中壓線圈的環(huán)流損耗為77 W，中壓線圈的溫升為63 K，低壓線圈的電阻損耗為44 115 W，低壓線圈的環(huán)流損耗占其電阻損耗的百分?jǐn)?shù)為2.1%，低壓線圈的環(huán)流損耗為926 W，低壓線圈的溫升為61 K。

當(dāng)中壓線圈和低壓線圈采用圖7（a）和圖7（b）并疊繞導(dǎo)線換位方式的線段優(yōu)化排列后，中壓線圈環(huán)流損耗占其電阻損耗的百分?jǐn)?shù)為0.005%，中壓線圈的環(huán)流損耗為1.3 W，中壓線圈的溫升為60 K，低壓線圈環(huán)流損耗占其電阻損耗的百分?jǐn)?shù)為0.009%，低壓線圈的環(huán)流損耗為4 W，低壓線圈的溫升為58 K，優(yōu)化后中壓線圈環(huán)流損耗降低75.7 W，降低百分?jǐn)?shù)為98.3%，低壓線圈環(huán)流損耗降低922 W，降低百分?jǐn)?shù)為99.5%，線圈環(huán)流損耗總降低997.7 W，降低百分?jǐn)?shù)為99.4%，可以看出，優(yōu)化后的中、低線圈并疊繞換位方式的線段排列方式，其環(huán)流損耗非常低，線圈幾乎不存在環(huán)流損耗，線圈節(jié)能效果顯著，優(yōu)化換位后的中、低壓線圈，其溫升降低3 K，按變壓器壽命計(jì)算的6度原則，如變壓器壽命為30年，則變壓器中、低壓線圈的壽命可以增加7.5年［15］，可大幅度提高變壓器的可靠性。

3.3 試制樣機(jī)負(fù)載損耗及線圈溫升實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值比較

改進(jìn)前變壓器實(shí)測(cè)值為：負(fù)載損耗122 712 W，中壓線圈溫升63 K，低壓線圈溫升61 K，改進(jìn)后變壓器實(shí)測(cè)值為：負(fù)載損耗121 715 W，中壓線圈溫升60 K，低壓線圈溫升58 K，改進(jìn)后變壓器負(fù)載損耗實(shí)測(cè)值降低995 W，中、低壓線圈的溫升實(shí)測(cè)值降低3 K，改進(jìn)后負(fù)載損耗實(shí)測(cè)降低值995 W與改進(jìn)后線圈環(huán)流損耗計(jì)算總降低值997.7 W接近，線圈溫升與計(jì)算值完全一致。通過(guò)實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值對(duì)比，驗(yàn)證了線圈采用優(yōu)化換位的方案完全可行的。

對(duì)連續(xù)式線圈而言，傳統(tǒng)型換位、改進(jìn)型a換位、改進(jìn)型b換位各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中改進(jìn)型a的環(huán)流損耗最低，一般餅式繞組由于端部漏磁較大，繞組首端和末端采用改進(jìn)型換位時(shí)環(huán)流損耗下降效果較為明顯，在變壓器線圈設(shè)計(jì)時(shí)，處于均勻漏磁區(qū)中間部分的段數(shù)一般采用改進(jìn)型b換位或者改進(jìn)型b換位加少量傳統(tǒng)型換位。

改進(jìn)后的連續(xù)式繞組導(dǎo)線換位工藝已在10 kV級(jí)、35 kV級(jí)、110 kV大中型電力變壓器降耗改造設(shè)計(jì)中得到普遍應(yīng)用，變壓器繞組的環(huán)流損耗均得到大幅度降低，另通過(guò)實(shí)測(cè)值對(duì)比，采用改進(jìn)型換位工藝的繞組與傳統(tǒng)型換位的繞組相比，繞組溫升下降約3 K，可顯著提高繞組的運(yùn)行壽命。目前變壓器繞組按改進(jìn)型換位工藝制造且投入運(yùn)行的變壓器近15臺(tái)，變壓器運(yùn)行狀況良好，新工藝滿足了變壓器節(jié)能降耗的需要，社會(huì)效益顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)線圈全部采用傳統(tǒng)型換位、改進(jìn)型a換位和改進(jìn)型b換位中的任何一種換位方式時(shí)，都不可能取得理想的效果，只有當(dāng)線圈端部處于非均勻漏磁區(qū)的線段采用改進(jìn)型a換位，中部處于均勻漏磁區(qū)的線段采用改進(jìn)型b換位或改進(jìn)型b換位加少量傳統(tǒng)型換位，才可以把線圈的環(huán)流損耗和溫升降到最低，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。需要注意的是當(dāng)線圈采用改進(jìn)型a換位和改進(jìn)型b換位時(shí)，由于部分并疊繞導(dǎo)線在換位處的爬坡較大，存在較大的剪刀口，必須處理好線圈導(dǎo)線換位處的絕緣，以防止線圈匝間或股間短路。