大型電力變壓器的電氣設(shè)計(jì)相關(guān)問題

周永亮

（許繼變壓器有限公司）

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生產(chǎn)和生活對(duì)于用電的需求越來越多，大型電力變壓器也開始得到越來越廣泛的運(yùn)用。大型電力變壓器是發(fā)電廠較為常用的設(shè)備，在進(jìn)行大型電力變壓器研發(fā)與設(shè)計(jì)時(shí)，必須將大型電力變壓器的電氣設(shè)計(jì)重視起來，這樣才能夠保證整個(gè)大型電力變壓器的安全與穩(wěn)定運(yùn)行。在對(duì)大型電力變壓器進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)時(shí)，需要相關(guān)負(fù)責(zé)人利用扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)和豐富的操作技能，對(duì)電氣設(shè)計(jì)的要點(diǎn)進(jìn)行合理把握，利用現(xiàn)代化新型的工藝設(shè)備對(duì)大型電力變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)與改造，提升大型電力變壓器的工作效率，保障我國(guó)電力工程的安全。

1 大型電力變壓器電氣設(shè)計(jì)中的損耗設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球都出現(xiàn)了能源緊缺的問題，為了緩解能源緊張的局面，節(jié)能降耗成為全球都關(guān)注的話題，大型電力變壓器的電力損耗非常多，單臺(tái)損耗便能夠達(dá)到1000kW以上，電力企業(yè)一直都很重視降低大型電力變壓器的損耗問題，大型電力變壓器的損耗主要包括空載損耗、負(fù)載損耗以及附加損耗等三個(gè)部分。

1.1 大型電力變壓器電氣設(shè)計(jì)中的空載損耗問題

空載損耗是大型電力變壓器較為常見的一種損耗類型，空載損耗的大小比較穩(wěn)定，不會(huì)隨著變壓器負(fù)荷的變化而變化，空載損耗主要來自鐵心，損耗類型包括磁滯損耗、附加損耗以及渦流損耗，很多方面的因素都會(huì)影響大型電力變壓器的空載損耗，比如疊片工藝、接縫型式、硅鋼片材質(zhì)等級(jí)、毛刺大小以及接縫大小等。降低大型電力變壓器空載損耗最常見的方式是使用高規(guī)格的硅鋼片，降低變壓器的工作磁密等來達(dá)到降低變壓器磁滯損耗的效果。還可以采用步進(jìn)搭接結(jié)構(gòu)、減少接縫間隙、不疊上鐵軛工藝、避免工藝孔過多過大、控制毛刺高度以及減少硅鋼片的厚度等方式來降低大型變壓器的空載損耗。

1.2 大型電力變壓器電氣設(shè)計(jì)中的負(fù)載損耗問題

大型電力變壓器的負(fù)載損耗主要包括引線損耗、繞組導(dǎo)線直流電阻損耗、漏磁在鋼鐵結(jié)構(gòu)件中形成的雜散損耗以及繞組渦流損耗等。降低變壓器引線損耗的方式是在進(jìn)行引線設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量避開高漏磁區(qū)域，由于大型電力變壓器的漏磁通分布較為復(fù)雜，通過減小流經(jīng)各個(gè)鋼鐵構(gòu)件的漏磁通的方式能夠減少損耗。在所有的負(fù)載損耗中，繞組導(dǎo)線直流電阻損耗所占的比例最大，在變壓器工作過程中，負(fù)載損耗的大小是隨著負(fù)荷的大小產(chǎn)生變化的，很多大型電力變壓器的負(fù)載損耗甚至達(dá)到了1000kW以上［1］。降低變壓器的電阻損耗主要通過降低變壓器的電阻和環(huán)流來實(shí)現(xiàn)，可以采取電阻率較低的材料或者增大橫截面積的方式降低電阻損耗。與繞組渦流損耗關(guān)系較大的因素主要有導(dǎo)線尺寸、漏磁場(chǎng)強(qiáng)度以及分布情況等，要想降低繞組渦流損耗，可以減小導(dǎo)線尺寸，合理換位或者增加繞組的抗短路能力等。

2 大型電力變壓器電氣設(shè)計(jì)中的噪音控制問題

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的大型變電站越來越多，并且有向城市中心轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，變壓器所產(chǎn)生的噪音問題成為困擾城市居民的嚴(yán)重問題，所以在進(jìn)行大型電力變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，一定要加強(qiáng)對(duì)噪音問題的考慮。大型電力變壓器的噪音主要包括冷卻設(shè)備噪音、空載噪音以及負(fù)載噪音等。在交變磁場(chǎng)作用下，硅鋼片尺寸會(huì)出現(xiàn)伸縮，導(dǎo)致空載噪音的出現(xiàn)，降低變壓器的空載噪音的方式包括使用性能優(yōu)良的高導(dǎo)磁硅鋼片降低磁致伸縮，改善或縮小鐵心接縫，降低鐵心磁密度，在鐵心上涂抹環(huán)氧膠或聚酷膠，控制硅鋼片在生產(chǎn)、加工過程中受到的撞擊等［2］。還可以在油箱與基礎(chǔ)之間放置防震膠墊，在油箱外加裝隔音層，在油箱內(nèi)加裝隔音材料或者在變壓器內(nèi)放置噪音發(fā)生器等防止空載噪音的出現(xiàn)。負(fù)載噪音是線圈導(dǎo)線在變電磁力和漏磁通的影響下產(chǎn)生的振動(dòng)所引起的，由于大型電力變壓器的電磁力會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的噪音，所以負(fù)載噪音也可能超過空載噪音，降低變壓器負(fù)載噪音的有效方式為在頻譜消音、線圈振動(dòng)以及傳播路徑等方面加裝阻隔聲音。在大型電力變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，還可以采用自冷式方式消除噪音的疊加，對(duì)變壓器的各大部件進(jìn)行固有頻率的計(jì)算，防止運(yùn)行過程中出現(xiàn)諧振。

3 大型電力變壓器電氣設(shè)計(jì)中的絕緣設(shè)計(jì)問題

大型電力變壓器的絕緣設(shè)計(jì)一般都比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)很多因素進(jìn)行考慮，才能夠設(shè)計(jì)出最佳的絕緣性能，對(duì)大型電力變壓器進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)主要包括主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和縱絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。我國(guó)的大型電力變壓器一般為油浸式，在進(jìn)行變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)變壓器運(yùn)行過程中所承受的電壓進(jìn)行充分考慮，主絕緣電壓主要包括繞組間絕緣和繞組端對(duì)地的絕緣。繞組間絕緣主要用于分隔繞組間的油隙，目前較為常用的是薄紙筒小油隙結(jié)構(gòu)，絕緣的出發(fā)點(diǎn)也由擊穿電壓發(fā)展為無局放。在進(jìn)行紙筒布置時(shí)，要將最低擊穿場(chǎng)較強(qiáng)的油隙放置在中間位置，繞組間使用小油隙，防止繞組表面出現(xiàn)電廠分布不均的情況，盡量采用較薄的紙筒，降低油中的場(chǎng)強(qiáng)。大型電力變壓器的繞組端對(duì)地絕緣的設(shè)計(jì)也非常復(fù)雜，變壓器繞組端電場(chǎng)分布不均，并且不對(duì)稱，電力線通常使用滑閃型結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，很可能導(dǎo)致沿面放電，對(duì)電力線的結(jié)構(gòu)會(huì)造成破壞，也可能會(huì)因?yàn)殡妶?chǎng)發(fā)生畸變導(dǎo)致原有的結(jié)構(gòu)被擊穿。為了降低場(chǎng)強(qiáng)，可以使用靜電環(huán)和角環(huán)進(jìn)行應(yīng)對(duì)。在進(jìn)行角環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要對(duì)端部區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，計(jì)算出電場(chǎng)的分布情況，根據(jù)電場(chǎng)分布的等電位面來進(jìn)行角環(huán)的布置。在對(duì)變壓器繞組端部對(duì)地絕緣設(shè)計(jì)時(shí)，要采取有效措施防止內(nèi)部絕緣出現(xiàn)嚴(yán)重的局部放電現(xiàn)象［3］。變壓器的縱絕緣結(jié)構(gòu)指的是線圈內(nèi)部的絕緣，在變壓器中，線圈經(jīng)常會(huì)受到各種電壓的沖擊，很容易導(dǎo)致絕緣被擊穿的情況出現(xiàn)，所以在進(jìn)行縱絕緣設(shè)計(jì)時(shí)，要采取梯度設(shè)計(jì)，保證梯度分布均勻，防止絕緣受到電壓的集中沖擊，要對(duì)縱絕緣結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)分布情況進(jìn)行明確，對(duì)段間油隙和匝絕緣的耐電強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，保證足夠的安全裕度。在對(duì)內(nèi)屏蔽式線圈進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)線圈的匝數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，改變線圈絕緣的梯度分布。大型電力變壓器大多都會(huì)使用電纜紙對(duì)線圈進(jìn)行包裹，在對(duì)線圈進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)時(shí)，要保留充足的充裕度，對(duì)絕緣表面的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，利用合理的梯度分布選擇屏蔽結(jié)構(gòu)。

4 大型電力變壓器電氣設(shè)計(jì)中的抗短路設(shè)計(jì)問題

要想保證大型變壓器的電力系統(tǒng)能夠可靠運(yùn)行，必須對(duì)變壓器的抗短路能力進(jìn)行優(yōu)化，首先對(duì)變壓器的抗短路能力進(jìn)行計(jì)算，不但要考慮變壓器的三相短路故障，而且要對(duì)其他類型的短路故障進(jìn)行考慮，并且要根據(jù)變壓器運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境分析運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的故障。變壓器設(shè)計(jì)人員要充分考慮到變壓器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及不同線圈布置帶來的不同阻抗，具體設(shè)計(jì)過程中要不斷提升短路電流峰值系數(shù)，提升變壓器的抗短路能力。

首先根據(jù)安培定律，計(jì)算出變壓器的短路力、短路電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度［4］。變壓器的磁場(chǎng)主要由磁場(chǎng)與漏磁場(chǎng)組成，變壓器繞組不同分接位置的漏磁場(chǎng)變化非常大，在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要對(duì)最小分接位置進(jìn)行計(jì)算，還要對(duì)整個(gè)電場(chǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面考慮，對(duì)各種運(yùn)行情況下的漏磁場(chǎng)都要進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，利用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用優(yōu)質(zhì)的材料和先進(jìn)設(shè)備，以及先進(jìn)的制造工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。漏磁場(chǎng)在端部會(huì)產(chǎn)生輻射分量，輻射分量能夠與短路電流產(chǎn)生相互作用，使變壓器出現(xiàn)軸向短路力，造成變壓器出現(xiàn)短路現(xiàn)象，為了防止這種情況的出現(xiàn)，在進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量降低繞組中磁勢(shì)力分布的不對(duì)稱性，將高壓繞組和低壓繞組的磁中心偏移控制在繞組高度的2%以內(nèi)［5］。為了防止繞組偏移量對(duì)軸向短路力造成影響，要將繞組中心放置于同一水平線上。由于作用于繞組上的短路力是不斷發(fā)生變化的，所以在設(shè)計(jì)過程中要進(jìn)行精確地計(jì)算，對(duì)各方面的因素進(jìn)行充分考慮，充分利用先進(jìn)的現(xiàn)代化技術(shù)提升變壓器的抗短路能力。

5 結(jié)束語

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生產(chǎn)和生活對(duì)于電的依賴越來越強(qiáng)，電路系統(tǒng)容量的不斷擴(kuò)大對(duì)于電力輸送系統(tǒng)的可靠性要求也不斷提升，對(duì)供電設(shè)備的質(zhì)量要求越來越高。變壓器是電力系統(tǒng)中最為重要的設(shè)備，變壓器質(zhì)量的好壞直接影響到供電的安全與穩(wěn)定，所以一定要做好大型電力變壓器的設(shè)計(jì)，提升變壓器的性能，為我國(guó)電力的安全、持續(xù)供應(yīng)提供保障。