三相雙繞組高阻抗變壓器設(shè)計(jì)研究

翟慧慧　杜世鵬　葛為民

摘 要

本文在介紹高阻抗變壓器特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，揭示了高阻抗變壓器在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題，分析了按傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)高阻抗變壓器所造成的阻抗和負(fù)載損耗偏差的原因，并依據(jù)高阻抗變壓器的特點(diǎn)，對(duì)阻抗和負(fù)載損耗的計(jì)算方法提出了相應(yīng)的改進(jìn)意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞

變壓器;阻抗;負(fù)載;偏差;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN784 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.050

0 引言

電力變壓器在電力系統(tǒng)中運(yùn)行，發(fā)生短路是人們竭力避免而又不能絕對(duì)避免的，短路時(shí)巨大的過(guò)電流產(chǎn)生的機(jī)械力，對(duì)電力變壓器危害極大，因此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1094和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC76均對(duì)電力變壓器的承受短路能力做了相應(yīng)的規(guī)定，然而，近年來(lái)對(duì)全國(guó)電力變壓器事故統(tǒng)計(jì)分析表明，因電網(wǎng)發(fā)生故障，變壓器本身抗短路能力不夠造成變壓器損壞并導(dǎo)致電網(wǎng)停電的事故屢有發(fā)生，而且近年來(lái)呈逐漸上升態(tài)勢(shì)。

為了有效地提高變壓器的抗短路能力，近幾年普遍青睞于應(yīng)用高阻抗變壓器，盡管高阻抗變壓器也有一定的負(fù)面影響，如功耗有所增加而效率有一定程度的下降，但優(yōu)點(diǎn)仍十分明顯，具體表現(xiàn)在如下方面：（1）降低短路電流，增強(qiáng)抗短路能力;（2）熱穩(wěn)定性好;（3）降低投資成本。

總之，使用高阻抗變壓器，能提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，目前正在越來(lái)越多地使用高阻抗變壓器。

1 高阻抗變壓器設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

目前，三相雙繞組高阻抗變壓器的設(shè)計(jì)和研究還停留在普通型電力變壓器的基礎(chǔ)上，因?yàn)槿藗兤毡榛谶@樣的思考：三相雙繞組高阻抗變壓器的工作原理、結(jié)構(gòu)與普通型變壓器相同。因此，在設(shè)計(jì)高阻抗變壓器時(shí)，無(wú)論是設(shè)計(jì)公式的應(yīng)用，還是修正系數(shù)的選取，均仍按普通型變壓器的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行，然而按此設(shè)計(jì)而得出的結(jié)果卻出人意料——阻抗和負(fù)載損耗的實(shí)測(cè)值均與設(shè)計(jì)值有較大的偏差，即阻抗實(shí)測(cè)值比設(shè)計(jì)值低得多，而負(fù)載損耗實(shí)測(cè)值卻比設(shè)計(jì)值高得多。

隨著此類高阻抗變壓器設(shè)計(jì)型號(hào)和數(shù)量的增加，我們發(fā)現(xiàn)這種不能被接受的偏差普遍存在，而且稍有不慎，就會(huì)出現(xiàn)不合格產(chǎn)品，使企業(yè)蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失，即使偏差沒(méi)有超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍，但這種偏差帶來(lái)的抗短路能力和效率的下降等不利因素是顯而易見(jiàn)的。

通過(guò)分析和研究，我們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法上。

2 原因剖析和設(shè)計(jì)研究

2.1 阻抗方面

導(dǎo)致三相雙繞組高阻抗變壓器阻抗偏低的根本原因，是此類變壓器的電抗修正系數(shù)與普通型變壓器的電抗修正系數(shù)不一樣。

高阻抗變壓器由于繞組外形比較矮胖，即長(zhǎng)徑比較小，從理論分析和實(shí)例驗(yàn)證中均可以得出產(chǎn)生阻抗值偏低的主要原因是由于使用了不當(dāng)?shù)碾娍剐拚禂?shù)。即三相雙繞組高阻抗變壓器的電抗修正系數(shù)應(yīng)修改為：k=1+β2ρ2h2/12ρ1τδ×104，（其中，h為繞組電抗高度;ρ1和ρ2分別為縱向和橫向的洛氏系數(shù);τ為繞組的漏磁寬度;δ為漏磁空道的折算寬度）。

應(yīng)該指出的是，上面的阻抗設(shè)計(jì)修正系數(shù)針對(duì)的不僅僅是高阻抗變壓器高壓繞組調(diào)壓區(qū)在中部的情況，對(duì)于高阻抗變壓器高壓繞組調(diào)壓區(qū)在兩端或在一端的情況，此修正系數(shù)同樣適用。

2.2 負(fù)載損耗方面

通過(guò)分析和研究，并經(jīng)許多實(shí)例驗(yàn)證，可以得出如下結(jié)論：

線圈的電阻損耗分析：三相雙繞組高阻抗變壓器的線圈電阻損耗可以按普通型變壓器電阻損耗公式來(lái)計(jì)算，并能獲得比較準(zhǔn)確的實(shí)際損耗值;

引線損耗分析：可以按普通型變壓器經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，且不會(huì)產(chǎn)生較大的偏差;

縱向渦流損耗分析：按普通型變壓器的公式計(jì)算，如果在中小容量的變壓器中，兩者差距不大。但在普通型變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，我們通常忽略橫向漏磁在線圈中產(chǎn)生的渦流損耗，因此，在大容量高阻抗變壓器中，由于漏磁通的增大，因此，不能忽略橫向漏磁在線圈中產(chǎn)生的渦流損耗。

影響變壓器橫向漏磁的因素有兩個(gè)：一是不平衡安匝，二是漏磁場(chǎng)端部邊界的彎曲效應(yīng)。傳統(tǒng)的僅由不平衡安匝來(lái)計(jì)算橫向漏磁的計(jì)算方法在三相雙繞組高阻抗變壓器設(shè)計(jì)中是錯(cuò)誤的，由此導(dǎo)出的橫向渦流損耗的計(jì)算公式誤差也極大。因此，建議工程上對(duì)于上述部分采用場(chǎng)的方法進(jìn)行計(jì)算，而在中小容量的高阻抗變壓器中，橫向漏磁產(chǎn)生的渦流損耗不大。

環(huán)流損耗的分析：環(huán)流損耗只有在繞組不完全換位時(shí)產(chǎn)生，而且其計(jì)算公式是在簡(jiǎn)化漏磁場(chǎng)的前提下導(dǎo)出的，有很大的局限性和近似性。由于變壓器縱向磁場(chǎng)沿線圈的軸向分布不等以及在線圈端部形成彎曲，它對(duì)環(huán)流的影響是不能忽略的。而高阻抗變壓器漏磁場(chǎng)較大，因此，應(yīng)考慮實(shí)際漏磁場(chǎng)分布來(lái)計(jì)算線圈的環(huán)流損耗，以提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，橫向漏磁不產(chǎn)生環(huán)流損耗，可是，我們研究發(fā)現(xiàn)，變壓器橫向漏磁在雙螺旋以及多螺旋式繞組中產(chǎn)生環(huán)流損耗，對(duì)于大容量變壓器或高阻抗變壓器，橫向漏磁產(chǎn)生的環(huán)流損耗占到該繞組電阻損耗的5%～10%，因此，在設(shè)計(jì)大容量高阻抗變壓器時(shí)，建立“橫向漏磁也在繞組中產(chǎn)生環(huán)流損耗”的概念是十分必要的。

雜散損耗分析：通過(guò)分析可以得到，三相雙繞組高阻抗變壓器的雜散公式和普通型變壓器的雜散公式在形式上類似，但具體的參數(shù)值并不相同。因?yàn)椋咦杩棺儔浩饕话銇?lái)說(shuō)比較矮胖，因此，其漏磁校正系數(shù)不能像普通型變壓器那樣忽略不計(jì)。另外，兩者在經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的選取上也有較大的差別。普通型變壓器雜散公式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，是通過(guò)對(duì)普通型變壓器試驗(yàn)反推出來(lái)的統(tǒng)計(jì)平均值，因此不能用此統(tǒng)計(jì)值作為高阻抗變壓器雜散損耗的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，否則，將造成很大的誤差，這也是以往用普通型變壓器的雜散公式來(lái)計(jì)算中小容量高阻抗變壓器雜散損耗所造成的負(fù)載損耗偏差的主要原因。

3 結(jié)語(yǔ)

盡管從原理和結(jié)構(gòu)上說(shuō)，高阻抗變壓器與普通型變壓器沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，因此，高阻抗變壓器設(shè)計(jì)時(shí)仍沿用普通變壓器的相關(guān)理論和公式，但在使用相關(guān)理論和公式時(shí)，在阻抗修正系數(shù)和負(fù)載損耗等方面應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

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