模塊化變電站主變的改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

摘要：模塊化變電站是在電網(wǎng)緊急狀態(tài)下轉(zhuǎn)移應(yīng)急負(fù)荷的一種便捷方式，傳統(tǒng)主變結(jié)構(gòu)形式已不能符合模塊化變電站應(yīng)急部署要求，急需進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以適應(yīng)模塊化變電站應(yīng)急使用?，F(xiàn)針對(duì)整體方案、結(jié)構(gòu)與材料、引出線、散熱循環(huán)等技術(shù)要點(diǎn)對(duì)模塊化車載應(yīng)急變電站用主變壓器實(shí)施改進(jìn)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：模塊化;應(yīng)急變電站;主變壓器;改進(jìn)設(shè)計(jì)

0? ? 引言

模塊化應(yīng)急變電站采用車載形式，傳統(tǒng)車載變因體積受組裝和運(yùn)輸限制，其容量一般在20 MVA左右，而通用設(shè)計(jì)的110 kV變壓器容量一般在50 MVA，顯然傳統(tǒng)車載變不能與國(guó)網(wǎng)通用設(shè)計(jì)相配套。為此，需要在主變壓器的結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)與國(guó)網(wǎng)通用設(shè)計(jì)相配套。本次改進(jìn)主要針對(duì)目前車載變存在的如下缺點(diǎn)：

（1）變壓器安裝調(diào)試時(shí)間及高、低壓進(jìn)出線接口連接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，達(dá)不到應(yīng)急需要。

（2）變壓器容量達(dá)不到應(yīng)急需要，需提高容量，實(shí)現(xiàn)與國(guó)網(wǎng)通用設(shè)計(jì)相配套。

（3）目前車載移動(dòng)變技術(shù)形式不統(tǒng)一，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)模塊，國(guó)網(wǎng)公司未能形成通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和通用設(shè)備。

1? ? 整體方案

此次設(shè)計(jì)就110 kV大容量模塊化車載應(yīng)急變壓器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，對(duì)變壓器外部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、抗震性能及如何實(shí)現(xiàn)快速接入負(fù)荷提出了新的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了驗(yàn)證分析，以使移動(dòng)站用變壓器容量提升至50 MVA，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了產(chǎn)品的電氣性能、結(jié)構(gòu)性能，以確保產(chǎn)品在運(yùn)輸過(guò)程中性能穩(wěn)定可靠。整體方案采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化設(shè)計(jì)，產(chǎn)品具備移動(dòng)方便、安裝快捷、占地面積小、機(jī)動(dòng)靈活、易于深入負(fù)荷中心、可迅速投入使用等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了與國(guó)網(wǎng)通用設(shè)計(jì)相配套，滿足了應(yīng)急需要。整體效果如圖1所示。

2? ? 關(guān)鍵技術(shù)及解決情況

2.1? ? 整體布置

模塊化車載應(yīng)急變電站用主變壓器由于其運(yùn)輸方式為公路運(yùn)輸，同時(shí)其設(shè)計(jì)特點(diǎn)為現(xiàn)場(chǎng)免維護(hù)，因此在整體布置設(shè)計(jì)時(shí)需特殊考慮。為滿足公路運(yùn)輸寬度尺寸限制，將傳統(tǒng)散熱布置結(jié)構(gòu)變?yōu)榉煮w散熱，散熱器與變壓器主體采用“一”字型布置，散熱器與變壓器主體通過(guò)輸油管路連接，散熱器數(shù)量20組，選用強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷卻器。

2.2? ? 鐵芯

鐵芯采用優(yōu)質(zhì)冷軋晶粒取向高導(dǎo)磁硅鋼片，45°全斜接縫、拉板結(jié)構(gòu)、無(wú)孔綁扎鐵芯式，硅鋼片疊積采用一片一疊階梯接縫，可有效降低空載損耗和空載電流。

鐵芯拉板采用無(wú)磁鋼板，并開(kāi)隔磁槽，防止漏磁造成的局部過(guò)熱。鐵芯采用三相五柱式，較之三相三柱式結(jié)構(gòu)，鐵芯高度降低量達(dá)到18%。同時(shí)芯柱采用TENAX捆帶綁扎，上下鐵軛側(cè)梁使用鋼質(zhì)拉帶加強(qiáng)拉緊結(jié)構(gòu)，鐵芯整體使用聚氨酯粘合劑刷涂固化，增加片間強(qiáng)度，降低變壓器鐵芯噪聲水平。

2.3? ? 引線

在變壓器內(nèi)部，低壓引線銅排從低壓側(cè)鐵芯上端引向低壓出線端，引線銅排間連接、銅排與出線裝置連接均采用軟連接，銅排均采用大彎角折彎。高壓引線使用高密度層壓木制作的導(dǎo)線夾固定，夾持間距為300～400 mm。同時(shí)在高壓引線導(dǎo)線夾距油箱側(cè)增加兩層間距為7 mm的1.5 mm紙板來(lái)改變局部電場(chǎng)分布，減少高壓引線對(duì)箱壁絕緣距離。

根據(jù)ANSYS仿真分析結(jié)果，箱壁近處電場(chǎng)強(qiáng)度2 469.77 V/mm，此電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于變壓器油擊穿電壓，該處場(chǎng)強(qiáng)滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4? ? 器身

在繞組上下部設(shè)計(jì)有整體大壓板，具有足夠的強(qiáng)度和剛度。壓板上部每相布置四個(gè)彈簧壓釘壓緊線圈及絕緣件。線圈底部絕緣件開(kāi)紙板槽，定位器身中絕緣紙板位置，防止器身絕緣結(jié)構(gòu)偏移、變形而導(dǎo)致的變壓器性能水平降低，同時(shí)保證油道暢通。

線圈間主絕緣結(jié)構(gòu)根據(jù)多年的科研成果和生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。仿真分析得出主絕緣電場(chǎng)分布和各部的場(chǎng)強(qiáng)，并預(yù)留一定的裕度，使設(shè)計(jì)合理，保證產(chǎn)品的絕緣可靠性。根據(jù)器身的ANSYS仿真分析結(jié)果，高壓線圈端部拐角處電壓強(qiáng)度最高，其值為3.483 kV/mm，場(chǎng)強(qiáng)滿足設(shè)計(jì)要求。

器身上部使用鐵芯與箱蓋深入式撐板撐緊結(jié)構(gòu)，鐵芯夾件設(shè)計(jì)兩個(gè)160 mm×200 mm的方形金屬固定座，該固定座內(nèi)部采用加強(qiáng)板連接結(jié)構(gòu)，油箱預(yù)留兩個(gè)升高座深入配合位置。

器身下部采用縱向、橫向擋塊壓緊式結(jié)構(gòu)，同時(shí)器身與下節(jié)油箱為定位釘多方位多點(diǎn)固定。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，器身重量為36 100 kg，變壓器運(yùn)輸過(guò)程中加速度不大于3g，SoildWorks仿真分析結(jié)果顯示，定位釘最大變形量為3.293×10-6 m，遠(yuǎn)小于定位釘材料屈服強(qiáng)度，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

2.5? ? 冷卻器及進(jìn)出線裝置

此次方案使用強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷卻器取代傳統(tǒng)散熱器，在滿足變壓器溫升要求的同時(shí)大幅減小了變壓器外形尺寸及變壓器油的使用量，減少了變壓器的重量。

在變壓器外部連接中廣泛使用快速接頭來(lái)保證變壓器現(xiàn)場(chǎng)的快速連接，該快速接頭由兩端法蘭及中部波紋聯(lián)管組成，具有可調(diào)節(jié)性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)具有位置偏差的管接頭有良好的連接性和密封性，便于現(xiàn)場(chǎng)迅速安裝調(diào)試，使變壓器快速投入使用。

變壓器進(jìn)、出線及本體整體采用“一”字型布置，將高壓、中性點(diǎn)及低壓分別引至變壓器兩個(gè)長(zhǎng)軸端，引出裝置可采用插拔式電纜接頭也可采用油紙電容式套管，避免安裝架空線裝置，可大幅縮小變壓器外部電氣絕緣距離。

2.6? ? 油箱及儲(chǔ)油柜

本方案油箱采用鐘罩式結(jié)構(gòu)，上下節(jié)油箱通過(guò)自鎖螺栓連接。鐘罩箱沿法蘭采用雙密封結(jié)構(gòu)，外層密封橡膠是阻止?jié)B漏油的第二道防線，能有效隔開(kāi)外部環(huán)境陽(yáng)光、大氣、紫外線等，使內(nèi)部密封圈的彈性壽命延長(zhǎng)，增加密封可靠度。同時(shí)油箱加強(qiáng)結(jié)構(gòu)分布合理，使油箱能承受全真空（殘壓小于133 Pa）及0.1 MPa的正壓;油箱箱沿加限位方鋼，保證密封墊的彈性壓縮量，使密封面能有效密封，從而保證產(chǎn)品在各種路況運(yùn)輸中不出現(xiàn)滲漏油的現(xiàn)象。

儲(chǔ)油柜為“方扁形”設(shè)計(jì)，同時(shí)將氣體繼電器安裝位置設(shè)計(jì)于儲(chǔ)油柜側(cè)端，有效降低了變壓器整體高度以及變壓器整體重心高度，滿足公路運(yùn)輸尺寸要求。

整體效果如圖2所示。

2.7? ? 機(jī)械強(qiáng)度校準(zhǔn)

機(jī)械強(qiáng)度在車載變電站中至關(guān)重要，車載變電站在運(yùn)輸過(guò)程中需要通過(guò)復(fù)雜的路況，主變壓器整體受到的力與常規(guī)站用變有很大不同。機(jī)械強(qiáng)度校準(zhǔn)可有效避免車載變電站在未來(lái)的投運(yùn)中可能出現(xiàn)的主變壓器器身、線圈偏移，油箱滲漏油等諸多機(jī)械問(wèn)題。此項(xiàng)目中變壓器各部件均進(jìn)行了機(jī)械強(qiáng)度校準(zhǔn)，性能滿足各類型使用情況要求。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

本次主變壓器改進(jìn)設(shè)計(jì)的技術(shù)方案不僅適用于模塊化車載應(yīng)急變電站使用場(chǎng)景，也為其他模塊化變電站內(nèi)主變壓器的選型設(shè)計(jì)提供了一種有益的解決方案。當(dāng)然，本次研究還需要繼續(xù)通過(guò)制造、運(yùn)行實(shí)踐不斷完善技術(shù)，并在材料、結(jié)構(gòu)、散熱、降噪等方面不斷加以改進(jìn)。

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[2] 尹克寧.變壓器設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國(guó)電力出版社，2003.

收稿日期：2020-01-07

作者簡(jiǎn)介：汪彥（1975—），男，江蘇南京人，碩士在讀，高級(jí)工程師，研究方向：工廠預(yù)制式模塊化變電站。