變壓器內(nèi)繞組參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)其輻向抗短路能力的影響

王欣偉，俞華，韓建中

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

變壓器內(nèi)繞組參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)其輻向抗短路能力的影響

王欣偉，俞華，韓建中

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

通過變壓器抗短路能力校核軟件，對(duì)變壓器內(nèi)繞組的輻向抗短路能力進(jìn)行計(jì)算。改變變壓器內(nèi)繞組參數(shù)值，觀察其對(duì)變壓器內(nèi)繞組輻向穩(wěn)定性的影響。通過計(jì)算和分析，得出影響變壓器內(nèi)繞組輻向穩(wěn)定性的因素和原因。

電力變壓器；輻向抗短路能力；內(nèi)繞組；計(jì)算

0 引言

變壓器抗短路能力與變壓器的設(shè)計(jì)、選材、工藝、試驗(yàn)、運(yùn)輸、安裝等諸多方面的因素密切相關(guān)，其中變壓器的設(shè)計(jì)計(jì)算是變壓器抗短路能力強(qiáng)弱的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)計(jì)算的過程中，不僅要考慮安匝平衡和三相對(duì)稱出口短路等情況，而且還要留有充分的裕度。本文通過改變變壓器內(nèi)繞組參數(shù)，計(jì)算內(nèi)繞組抗短路能力的強(qiáng)弱的變化，討論參數(shù)調(diào)整對(duì)變壓器抗短路能力的影響。

1 計(jì)算原理及相關(guān)概念

基于變壓器內(nèi)部漏磁場(chǎng)分析和電動(dòng)力分析，使用ANSYS軟件模塊進(jìn)行計(jì)算校核，磁位或通量等未知量（自由度）通過有限元方法計(jì)算。

1.1 短路電流的計(jì)算

1.2 漏磁通與輻向作用力[1]

三相三繞組變壓器在不同運(yùn)行方式下（或?yàn)殡娫磦?cè)或?yàn)樨?fù)載側(cè)）的軸向漏磁分布圖和輻向作用力方向示意圖見圖1。軸向漏磁通分量產(chǎn)生輻向短路力，在發(fā)生短路時(shí)，每個(gè)繞組在輻向都有兩個(gè)作用力，求其合力，便可知繞組受力為輻向拉伸力或輻向壓縮力。以F12和F21為例，F(xiàn)12為繞組2對(duì)繞組1的作用力；F21為繞組1對(duì)繞組2的作用力。

圖1 三相三繞組變壓器的軸向漏磁分布和輻向作用力方向示意圖

1.3 相關(guān)概念

變壓器抗短路能力關(guān)鍵在于內(nèi)繞組受力分析，特別是輻向受力分析。輻向穩(wěn)定系數(shù)是指內(nèi)繞組臨界失穩(wěn)強(qiáng)度和內(nèi)繞組承受短路力的比值，輻向穩(wěn)定系數(shù)大于2.0時(shí)，則該變壓器內(nèi)繞組有較強(qiáng)的耐受輻向短路力的能力；小于2.0，則內(nèi)繞組輻向抗短路能力較差。

2 變壓器參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

以某220 kV變壓器內(nèi)繞組的參數(shù)設(shè)計(jì)為例，如表1所示，為變壓器的內(nèi)繞組主要參數(shù)，變壓器內(nèi)繞組所用導(dǎo)線為自粘換位導(dǎo)線。

以變壓器內(nèi)繞組輻向受力為例,根據(jù)GB 1094.5—2008《電力變壓器—承受短路的能力》規(guī)定：35 kV系統(tǒng)的短路容量為1 500MVA，110 kV系統(tǒng)的短路容量為9 GVA，220 kV系統(tǒng)的短路容量為18GVA，系統(tǒng)阻抗非對(duì)稱短路電流的沖擊系數(shù)（K）為2.687。表2為變壓器內(nèi)繞組輻向抗短路能力計(jì)算校核結(jié)果。通過計(jì)算結(jié)果得知，該變壓器內(nèi)繞組輻向穩(wěn)定系數(shù)為2.24。

表1 計(jì)算變壓器內(nèi)繞組結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 計(jì)算結(jié)果

3 內(nèi)繞組臨界失穩(wěn)強(qiáng)度

通過計(jì)算結(jié)果表2得知，變壓器內(nèi)繞組所受力為輻向壓縮力，變壓器內(nèi)繞組輻向臨界失穩(wěn)強(qiáng)度為353.1N/mm，通過改變內(nèi)繞組參數(shù)，觀察輻向臨界失穩(wěn)強(qiáng)度的變化。

變壓器臨界失穩(wěn)強(qiáng)度的大小，與內(nèi)繞組內(nèi)外徑大小有關(guān)，分別將內(nèi)繞組內(nèi)外徑增大25mm和減小25mm，觀察臨界失穩(wěn)強(qiáng)度的變化。由表3知，隨著內(nèi)外徑的增大，臨界失穩(wěn)強(qiáng)度減小，隨著內(nèi)外徑的減小，臨界失穩(wěn)強(qiáng)度增大。

表3 內(nèi)繞組內(nèi)外徑的變化對(duì)臨界失穩(wěn)強(qiáng)度影響

由表1知，變壓器的線規(guī)為1.70×6.4（mm）。在繞組導(dǎo)線總截面積以及輻向?qū)挾炔蛔兊那闆r下，改變繞組的并聯(lián)根數(shù)，改變單根導(dǎo)線的輻向厚度。觀察表4知，在繞組導(dǎo)線總截面積以及輻向?qū)挾炔蛔兊那闆r下：線規(guī)的大小與臨界失穩(wěn)強(qiáng)度成正比。

表4 臨界失穩(wěn)與導(dǎo)線線規(guī)的計(jì)算對(duì)比

變壓器臨界失穩(wěn)強(qiáng)度的大小，與變壓器的內(nèi)撐條數(shù)量有關(guān)，改變內(nèi)撐條數(shù)量，觀察臨界失穩(wěn)強(qiáng)度的變化。由表5知，內(nèi)撐條數(shù)量與臨界失穩(wěn)強(qiáng)度的大小成正比。

表5 內(nèi)繞組內(nèi)外撐條變化對(duì)臨界失穩(wěn)強(qiáng)度影響

變壓器臨界失穩(wěn)強(qiáng)度的大小，與變壓器的繞組導(dǎo)線結(jié)構(gòu)有關(guān)。假設(shè)在理想情況下[2]，將變壓器的自粘換位導(dǎo)線改為普通半硬扁銅線，且增大繞組每根導(dǎo)線的輻向厚度，其他參數(shù)不變，觀察內(nèi)繞組的輻向穩(wěn)定性。由表6知，自粘換位導(dǎo)線的繞組穩(wěn)定性要明顯好于普通半硬扁銅線。

表6 內(nèi)繞組導(dǎo)線結(jié)構(gòu)變化對(duì)臨界失穩(wěn)強(qiáng)度影響

變壓器臨界失穩(wěn)強(qiáng)度的大小，與變壓器的σ0.2有密切關(guān)聯(lián)。將變壓器的σ0.2從150MPa降低為90 MPa時(shí)，其臨界失穩(wěn)強(qiáng)度降低2.1倍，若σ0.2＞150MPa時(shí)，臨界失穩(wěn)強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)。但在有些情況下，繞組短路時(shí)所產(chǎn)生的視在壓縮應(yīng)力值沒有超過導(dǎo)體材料的名譽(yù)屈服極限σ0.2，但卻超過了線餅輻向失穩(wěn)的平均臨界應(yīng)力值，也能造成繞組在短路電磁力作用下的輻向失穩(wěn)。

4 內(nèi)繞組所受短路力

表2計(jì)算結(jié)果的短路電流值為35 160 A，它是瞬變短路電流值，變壓器繞組承受的短路力與瞬變短路電流的平方成正比。內(nèi)繞組所承受的短路力為157.5N/mm。

變壓器內(nèi)繞組所受短路力的大小，與變壓器內(nèi)繞組的匝數(shù)、幾何高度和線餅數(shù)量有密切的關(guān)聯(lián)。假設(shè)在理想情況下，改變以上參數(shù)的大?。p少或增大10%），而其他參數(shù)保持不變，通過計(jì)算，結(jié)果如表7所示。

由表7知，變壓器內(nèi)繞組匝數(shù)與漏磁通密度成正比；變壓器內(nèi)繞組幾何高度與漏磁通密度成反比。漏磁場(chǎng)是產(chǎn)生機(jī)械力的根本原因，繞組所受短路力與漏磁通密度成正比。從變壓器設(shè)計(jì)的角度來(lái)說，要盡量降低漏磁通，減小漏磁通密度。而短路阻抗由漏磁通產(chǎn)生，降低變壓器的短路阻抗百分?jǐn)?shù)，即減小變壓器的漏磁，但這也將導(dǎo)致短路電流的增大。變壓器內(nèi)繞組線餅數(shù)量與漏磁通密度無(wú)關(guān)，通過計(jì)算可知，線餅數(shù)量與承受短路力成反比。

表7 承受短路力與繞組參數(shù)變化的計(jì)算對(duì)比

5 計(jì)算總結(jié)

變壓器臨界失穩(wěn)強(qiáng)度的大小，與繞組內(nèi)外徑大小、線規(guī)大小、撐條數(shù)量、繞組導(dǎo)線結(jié)構(gòu)和σ0.2有關(guān)。減少內(nèi)撐條數(shù)量和減小變壓器σ0.2屈服強(qiáng)度，內(nèi)線圈輻向失穩(wěn)強(qiáng)度變小，其中σ0.2屈服強(qiáng)度的大小，對(duì)變壓器臨界失穩(wěn)強(qiáng)度的影響較為明顯；在輻向?qū)挾炔蛔円约袄@組導(dǎo)線總截面積的情況下，線規(guī)的大小與臨界失穩(wěn)強(qiáng)度成正比；變壓器臨界失穩(wěn)強(qiáng)度的大小，與內(nèi)繞組內(nèi)外徑大小成反比；變壓器內(nèi)繞組輻向穩(wěn)定性的好壞，與繞組導(dǎo)線結(jié)構(gòu)有密切關(guān)聯(lián)，自粘換位導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度明顯好于普通半硬扁銅線。

變壓器內(nèi)繞組所受的輻向短路力的大小，與變壓器內(nèi)繞組的匝數(shù)、幾何高度和線餅數(shù)量有關(guān)。其中內(nèi)繞組的匝數(shù)與變壓器最大漏磁通密度的大小成正比；內(nèi)繞組幾何高度與漏磁通密度成反比；內(nèi)繞組線餅數(shù)量與漏磁通密度無(wú)關(guān)，與承受短路力成反比。

［1］謝毓城主編.電力變壓器手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2002：142-143.

［2］洛君婷.變壓器繞組導(dǎo)線對(duì)抗短路能力的影響［J］.變壓器，2010，47（5）：16-19.

Influence of Parameters Design of Transformer’s Inner W inding on Its Radial Ability to W ithstand Short Circuit

WANG Xin-wei，YU Hua，HAN Jian-zhong
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

The power transformer’innerwinding about radialability towithstand shortcircuitwas calculated by calculating software. Through changing the parameters of power transformer’s inner winding,its influence on radical stability of power transformer’s inner winding was observed.Through calculation and analysis,the factors and reasons affecting radical stability of power transformer’s inner windingwereobtained.

transformer；radialability towithstand shortcircuit；innerwinding；calculation

TM403.2

A

1671-0320（2014）01-0035-04

2013-10-09，

2013-12-21

王欣偉（1979-），男，山西陽(yáng)泉人，2009年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師，從事電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)工作；

俞華（1980-），男，江西東鄉(xiāng)人，2007年畢業(yè)于湖南大學(xué)電器專業(yè)，工程師，從事變壓器試驗(yàn)研究、變壓器故障診斷工作；

韓建中（1954-），男，山西五臺(tái)人，1975年畢業(yè)于山西省電力學(xué)校，工程師，從事電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)工作。