大容量單相發(fā)電機主變壓器結(jié)構(gòu)分析

王春鋼 劉力強 杜振斌,2

（1. 保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071056； 2. 河北省輸變電裝備電磁與結(jié)構(gòu)性能重點實驗室（籌），河北 保定 071056）

0 引言

單相大容量發(fā)電機主變壓器是發(fā)電廠的重要設(shè)備之一，其常見的結(jié)構(gòu)型式有單柱雙繞組、單柱三繞組和雙柱雙繞組，其可靠性和經(jīng)濟性對于發(fā)電廠的運行及電網(wǎng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。隨著近年來發(fā)電機組容量的不斷提升，主變壓器的容量也在不斷突破，合理的結(jié)構(gòu)選型對于主變壓器的設(shè)計至關(guān)重要。

三峽烏東德項目主變壓器運輸條件極其不便，需采用鐵路和公路聯(lián)合運輸?shù)姆绞剑髯儔浩鞯脑O(shè)計需要同時考慮鐵路運輸時的尺寸限制及公路運輸時盡量減輕運輸質(zhì)量的要求，在此限定條件下三種常見結(jié)構(gòu)型式主變壓器的性能和特點極其明顯，本文以該項目主變壓器技術(shù)參數(shù)為例對三種結(jié)構(gòu)的主變壓器進(jìn)行分析[1-16]。

1 基本參數(shù)

變壓器型式：單相無勵磁調(diào)壓強迫油循環(huán)水冷卻電力變壓器。

額定容量：315/315MV·A。

聯(lián)結(jié)組標(biāo)號：Ii0（三相組YNd11)。

短路阻抗：15%～17%。

2 基本結(jié)構(gòu)型式

單柱雙繞組結(jié)構(gòu)由于簡單而在發(fā)電機變壓器設(shè)計中被普遍采用。當(dāng)變壓器容量較大，短路阻抗較小，且對運輸高度有限制時，單柱雙繞組結(jié)構(gòu)不再適用，通常采用單柱三繞組結(jié)構(gòu)或雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)。

2.1 單柱雙繞組結(jié)構(gòu)

主變壓器為單相三柱式鐵心，在鐵心的主柱上有低壓繞組和高壓繞組兩個繞組，低壓繞組通常為單層或是雙層螺旋式結(jié)構(gòu)，為降低變壓器器身端部絕緣水平，簡化器身端部絕緣結(jié)構(gòu)，高壓繞組通常采用中部出線結(jié)構(gòu)，繞組的首端采用內(nèi)屏蔽式或是糾結(jié)式來其改善其沖擊性能。單柱雙繞組結(jié)構(gòu)器身示意圖如圖1所示。

圖1 單柱雙繞組結(jié)構(gòu)器身示意圖

2.2 單柱三繞組結(jié)構(gòu)

單柱三繞組結(jié)構(gòu)是將高壓繞組拆成兩部分，從鐵心側(cè)由內(nèi)向外依次為內(nèi)高壓繞組、低壓繞組、外高壓繞組，內(nèi)高壓繞組與外高壓繞組串聯(lián)構(gòu)成高壓繞組，內(nèi)高壓繞組通常采用螺旋式結(jié)構(gòu)，鐵心、外高壓繞組、低壓繞組與單柱雙繞組結(jié)構(gòu)相同。單柱三繞組結(jié)構(gòu)器身示意圖如圖2所示。

圖2 單柱三繞組結(jié)構(gòu)器身示意圖

2.3 雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)

雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)變壓器是利用單柱容量減半的方式來滿足運輸尺寸要求，鐵心采用單相四柱式，設(shè)有兩個主柱，在每個主柱上均有低壓和高壓兩個繞組，繞組結(jié)構(gòu)與單柱雙繞組結(jié)構(gòu)相同，兩個柱的高壓和低壓繞組采用并聯(lián)或串聯(lián)結(jié)構(gòu)。雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)器身示意圖如圖3所示。

圖3 雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)器身示意圖

3 結(jié)構(gòu)對比分析

三種結(jié)構(gòu)由于繞組數(shù)量、單柱容量的不同，其鐵心直徑、運輸尺寸、運輸質(zhì)量等均不相同，相同效率下經(jīng)濟性也有所差異，變壓器的漏磁控制、絕緣設(shè)計也各有不同，三種結(jié)構(gòu)性能參數(shù)對比見表1。

表1 三種結(jié)構(gòu)性能參數(shù)對比

3.1 變壓器鐵心尺寸

變壓器鐵心直徑與單柱電磁容量直接相關(guān)，以示例工程主變壓器為例，其單柱電磁容量即為變壓器單柱容量，若采用單柱雙繞組結(jié)構(gòu)，需設(shè)計成較大鐵心直徑和較高的軸向高度才能滿足要求，鐵心直徑需要在1 500mm以上，鐵心窗高在2 700mm以上。對于更大容量的變壓器，由于當(dāng)鐵心尺寸增大至一定程度后，對于變壓器鐵心的綁扎、緊固及變壓器運輸、運行過程中的緊固等都將提出更高的要求，因此該結(jié)構(gòu)的選用受到一定限制。

4，你們的尕什么我們的尕娃哈什么了！(你的孩子某某打了我們的孩子。有兩個“什么”，前者是指打人的孩子，后者是代指“打”的意思)

單相三繞組結(jié)構(gòu)由于高壓繞組分裂成了內(nèi)高壓和外高壓兩部分，變壓器的單柱等效容量需要進(jìn)行折算，折算公式為

式中：S′為變壓器的等效單柱容量；W1為內(nèi)高壓和外高壓兩個繞組匝數(shù)中的最大值；WH為內(nèi)高壓和外高壓繞組的匝數(shù)和；SN為變壓器的額定容量。

由式（1）可以看出，當(dāng)內(nèi)、外高壓匝數(shù)比例分別為高壓繞組總匝數(shù)的20%和80%時，變壓器的等效容量將降低至額定容量的80%，由于變壓器鐵心直徑的比值與容量比關(guān)系見式（2），因此單柱三繞組結(jié)構(gòu)鐵心直徑約為單柱雙繞組結(jié)構(gòu)的95%，在保證阻抗的情況下，采用該結(jié)構(gòu)的鐵心窗高可比單柱雙繞組結(jié)構(gòu)降低約10%。

式中：k為鐵心直徑的比值。

雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)是將變壓器設(shè)計在兩個結(jié)構(gòu)完全相同的主柱上，兩個主柱的容量均為變壓器額定容量的1/2，由式（2）可知其鐵心直徑約為單柱雙繞組結(jié)構(gòu)的85%左右，對于限定高度和寬度尺寸下變壓器的設(shè)計將更容易實現(xiàn)。

3.2 變壓器的運輸方案

1）運輸尺寸方面：單柱雙繞組結(jié)構(gòu)單柱容量大，因而其運輸高度通常很難降低，示例工程采用此結(jié)構(gòu)的運輸高度達(dá)到4.58m；而單柱三繞組結(jié)構(gòu)由于在變壓器器身的幅向上多了一個繞組，因而其寬度是三種結(jié)構(gòu)中最寬的，比單柱雙繞組結(jié)構(gòu)寬了約0.36m左右，但運輸高度降低了0.46m；三種結(jié)構(gòu)中雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)運輸寬度和運輸高度最小，但是此結(jié)構(gòu)的運輸長度比其他兩種結(jié)構(gòu)長約3m。

2）運輸質(zhì)量方面：單柱三繞組結(jié)構(gòu)由于其鐵心直徑和鐵心窗的高度均小于單柱雙繞組結(jié)構(gòu)，對于運輸有限重要求時，采用此結(jié)構(gòu)更容易減輕變壓器的運輸質(zhì)量，示例方案運輸質(zhì)量比單柱雙繞組結(jié)構(gòu)降低了約9.6%，而雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)是三種結(jié)構(gòu)中運輸質(zhì)量最大的，比單柱雙繞組結(jié)構(gòu)運輸質(zhì)量增加約4.6%。

3）運輸車型方面：單柱雙繞組結(jié)構(gòu)由于其運輸高度的原因只能采用落下孔車運輸；單柱三繞組結(jié)構(gòu)其運輸高度和質(zhì)量均有效降低，可以采用180t凹底車進(jìn)行運輸；而雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)由于運輸質(zhì)量的原因需要采用210t凹底車進(jìn)行運輸。三種結(jié)構(gòu)中單柱三繞組結(jié)構(gòu)運輸成本最低。

3.3 技術(shù)經(jīng)濟性分析

當(dāng)變壓器的鐵心磁通密度和效率均保持不變時，單柱三繞組結(jié)構(gòu)由于鐵心直徑和高度均遠(yuǎn)小于單柱雙繞組結(jié)構(gòu)，其鐵心硅鋼片的用量有效減少，有效提升了變壓器的空載性能，其空載損耗降低了約9.5%，而雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)和單柱雙繞組的空載損耗基本相當(dāng)。

4 結(jié)構(gòu)可靠性分析

隨著發(fā)電機主變壓器容量的增大，變壓器結(jié)構(gòu)的可靠性變得尤為重要，其中漏磁控制和防止局部過熱、絕緣設(shè)計、引線設(shè)計、組部件選型等均需要重點考慮。

4.1 變壓器的漏磁控制

三種結(jié)構(gòu)的漏磁分布各不相同，雙繞組結(jié)構(gòu)漏磁通分布如圖4（a）、圖5（a）所示，典型的雙繞組結(jié)構(gòu)僅有一個縱向漏磁組，而單柱三繞組結(jié)構(gòu)由于高壓繞組幅向分裂為內(nèi)、外兩部分，根據(jù)磁勢平衡定律，低壓繞組的磁勢與兩部分高壓繞組的磁勢平衡，具有兩個縱向漏磁組，分別如圖4（b）、圖5（b）所示。

圖4 漏磁分布示意圖

圖5 漏磁分布斷面矢量圖

利用漏磁場仿真分析軟件對三種結(jié)構(gòu)漏磁分布進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示，由于單柱雙繞組結(jié)構(gòu)的單柱容量為變壓器額定容量，因此其漏磁通密度是三種結(jié)構(gòu)中最高的，由仿真計算可以看出其主空道縱向漏磁通密度約為0.37T，如圖6（a）所示； 而單柱三繞組結(jié)構(gòu)雖然其單柱容量與單柱雙繞組結(jié)構(gòu)相同，但是由于存在兩個縱向漏磁組的原因其最大縱向漏磁通密度僅為單柱雙繞組結(jié)構(gòu)的85%左右，如圖6（b）所示；雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)漏磁分布與單柱雙繞組結(jié)構(gòu)相似，但是由于單柱容量降低了1/2，因此其縱向漏磁通密度約為單柱雙繞組結(jié)構(gòu)的75%，如圖6（c）所示。三種結(jié)構(gòu)中雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)漏磁最小，對于大容量變壓器的漏磁控制最容易實現(xiàn)，而單柱雙繞組結(jié)構(gòu)漏磁控制難度最大。

圖6 三種典型結(jié)構(gòu)漏磁分布仿真結(jié)果

4.2 變壓器的絕緣設(shè)計

單柱雙繞組結(jié)構(gòu)和雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)均為典型發(fā)電機主變壓器結(jié)構(gòu)，變壓器繞組內(nèi)部的絕緣特性基本相同，所不同的是雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)還需要考慮雙柱間的連接引線的絕緣設(shè)計，而單柱三繞組結(jié)構(gòu)由于高壓繞組分裂為兩部分，其絕緣設(shè)計需要特殊 考慮。

由于感應(yīng)耐壓試驗時繞組中的電位與繞組的匝數(shù)成正比，雙繞組變壓器的高壓繞組從首端至繞組末端沿線餅線性降低，如圖7（a）所示。而三繞組結(jié)構(gòu)由于內(nèi)外高壓繞組匝數(shù)比的不同，在每個繞組上呈線性降低，內(nèi)、外高壓繞組連接引線處的電位與兩個繞組匝數(shù)的比例有關(guān)，如圖7（b）所示。當(dāng)內(nèi)高壓繞組匝數(shù)較多時，其連接電位會升高得多，繞組端部的絕緣設(shè)計和連接引線處的絕緣設(shè)計需要按此電位進(jìn)行考慮。

圖7 感應(yīng)耐壓試驗時繞組中電位分布

利用變壓器波過程計算軟件對三種結(jié)構(gòu)在雷電沖擊入波時繞組上的電位進(jìn)行仿真計算，結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 高壓首端入波繞組對地電位分布

圖9 高壓中性點入波繞組對地電位分布

高壓首端雷電沖擊入波時雙繞組結(jié)構(gòu)的對地電位在繞組中部會略有振蕩，可達(dá)到首端入波點電位的約85%，如圖8（a）所示；而三繞組結(jié)構(gòu)的外高壓繞組上的振蕩電位會低一些，約75%，內(nèi)外高壓繞組連接引線處的電位約為首端入波點電位的10%，如圖8（b）所示。

中性點入波時雙繞組結(jié)構(gòu)各線餅的電位從繞組末端向首端沿線餅振蕩降低，如圖9（a）所示，而三繞組結(jié)構(gòu)卻是在內(nèi)高壓繞組上從末端向首端沿線餅振蕩升高，最高電位達(dá)到入波點電位的190%，而內(nèi)、外高壓連接引線處的電位也達(dá)到入波點的180%左右，如圖9（b）所示。因此三繞組結(jié)構(gòu)中外高壓繞組末端的對地沖擊絕緣水平要比雙繞組結(jié)構(gòu)高 得多。

需要說明的是，三繞組結(jié)構(gòu)內(nèi)、外連接引線和繞組中振蕩電位的大小與繞組的匝數(shù)比有關(guān)，如圖10所示，當(dāng)內(nèi)、外高壓繞組匝數(shù)比例變化時，振蕩電位的大小需要結(jié)合實際方案進(jìn)行詳細(xì)計算。

圖10 三繞組結(jié)構(gòu)內(nèi)外連接引線和繞組中振蕩電位與 繞組匝數(shù)比的關(guān)系

4.3 分接引線絕緣設(shè)計和分接開關(guān)選型

由于三種結(jié)構(gòu)都是采用分接段進(jìn)行調(diào)壓的，雙繞組結(jié)構(gòu)的分接段設(shè)置在高壓繞組的末端，而三繞組結(jié)構(gòu)的分接段設(shè)置在外高壓繞組的末端，由于外高壓繞組中性點雷電沖擊絕緣水平和工頻耐壓水平均比雙繞組結(jié)構(gòu)高，因此三繞組結(jié)構(gòu)分接引線的絕緣水平要比雙繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，分接開關(guān)的絕緣水平也比雙繞組結(jié)構(gòu)高。

5 結(jié)論

由三種結(jié)構(gòu)對比可得出：

1）單柱雙繞組結(jié)構(gòu)簡單，可優(yōu)先選用，但對于大容量、小阻抗變壓器運輸高度受限時，該結(jié)構(gòu)很難滿足要求，可采用單柱三繞組或雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)。

2）單柱三繞組結(jié)構(gòu)雖然絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是其在經(jīng)濟性和小型化方面明顯優(yōu)于雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)。

3）雙柱雙繞組結(jié)構(gòu)雖然經(jīng)濟性較差，但在降低運輸寬度和高度方面具有明顯優(yōu)勢，超大容量變壓器可考慮采用此種結(jié)構(gòu)。