油浸式接地變壓器設計

吳麗明

（福州天宇電氣股份有限公司，福建 福州350012）

0 引言

接地變壓器簡稱接地變，用在中性點絕緣的三相電力系統中，用來為這種系統提供一個人為的中性點。該中性點可以直接接地，也可以經過電抗器、電阻器或消弧線圈接地。

1 接地變的繞組連接方式

接地變壓器采用Z型接線（曲折型接線），與普通變壓器的區別是每相線圈分別繞在兩個磁柱上。其接線原理圖如圖1所示。

圖1 不帶二次繞組ZN連接方式

有時為節省投資費用，接地變壓器也帶二次負載，用于代替所用變，此時其接線原理圖如圖2所示。

圖2 帶二次繞組ZNyn11連接方式

2 接地變的運行狀態

接地變壓器有兩種運行狀態，即系統正常運行和系統發生單相對地短路。

在系統正常運行情況下，對于不帶二次負載的接地變相當于空載狀態，接地變壓器繞組中僅流過很小的勵磁電流。設計接地變壓器時，只需按鐵損計算油的溫升，使其不超過35K即可。此時繞組對油的溫升幾乎為0，在環境溫度達到最高40℃時，繞組的平均溫度不超過75℃。對于帶二次負載的接地變此時其作為所用變為二次負荷供電，其運行狀態同普通電力變壓器。

在系統發生單相對地短路時，接地變壓器的一次繞組每相流過短路電流IK，中性點流過總的短路電流3IK，短路電流的持續時間為10s。即在設計接地變壓器時需保證繞組在短時間短路后的平均溫度小于其最高的允許平均溫度值（銅繞組是250℃）。

繞組（銅繞組）短路后的平均溫度θ1按下式計算：

式中，θ0為繞組開始短路前的溫度（℃）；J為對稱短路電流密度的有效值（A／mm2）；t為短路持續時間（s）。

對于不帶二次負載的接地變θ0＝75℃，而對于帶二次負載的接地變θ0＝105℃，短路持續時間t＝10s。

3 設計方法

下面筆者以本公司為厄瓜多爾輸變電工程供貨的其中一臺接地變壓器（JKS－4100／34.5）為計算實例，對整個設計方法做完整的介紹。

3.1 產品主要性能參數

額定電壓（一次／二次）：34.5／34.5kV；

二次線圈容量（兼作所用變壓器）：630kVA；

連接組別：ZNyn11；

額定頻率：60Hz；

中性點電流：1 800A，10s；

冷卻方式：ONAN；

絕緣耐熱等級：A級；

變壓器使用地海拔：3 400m。

3.2 變壓器線圈結構布置方式

接地變的一次側（高壓側）為Z接雙半只線圈結構，其布置方式如圖3所示，即（輻向）低壓＋主空道＋高壓（1）＋油道＋高壓（2）。對高零序阻抗變壓器，可把低壓繞組放在兩個高壓半繞組之間，即采用高壓（1）＋油道＋低壓＋油道＋高壓（2）布置方式。

圖3 變壓器線圈結構布置方式

3.3 主要參數計算

3.3.1 電壓計算

一次側Z接各繞組的相量關系如圖4所示。

由相量圖知，根據正弦定理：

圖4 各繞組間的相量關系

由于額定電壓U1N是相電壓的倍，所以：

即在Z接變壓器中，高壓半相線圈的相電壓＝線電壓的1／3。綜上所述：

3.3.2 零序阻抗的確定

接地變的中性點電流為1 800A，則一次繞組故障電流每相值即短路電流Ik＝1 800／3＝600A，接地變每相零序阻抗X0＝U1／Ik＝19 919／600＝33.2Ω，則所設計的接地變壓器，其零序阻抗需滿足X0≥33.2Ω／相。

3.3.3 等值長期容量計算

根據IEEE－C62.92.3標準對過載系數的規定，換算變壓器短時容量為持續額定容量，列入表1。

表1 換算表

中性點直接接地時一次繞組短路電流Ik＝1 800／3＝600A，一次繞組短路容量34.5×600＝35 850kVA，根據表1，過載時間10s的變壓器過載倍數為10.5，則接地變壓器的等值長期容量：

接地變二次線圈容量為630kVA，則該臺接地變額定容量SN＝3 414＋630＝4 044kVA，取整SN＝4 100kVA，即該臺接地變的型號可描述為JKS－4100／34.5。

3.3.4 鐵芯直徑選擇及繞組匝數計算

初選鐵芯直徑：

式中，K為鐵芯直徑經驗系數，接地變此系數的取值要小于普通電力變壓器，一般取40。

取標準鐵芯直徑D＝245mm，芯柱的凈截面At＝431.262cm2；低壓繞組匝數取為W2＝1 080匝，變壓器的每匝電勢為et＝U2／W2＝19 919／1 080＝18.444V。鐵芯磁密為：

這里需要注意的是該臺接地變一次側沒有調壓，故其磁密的選取應按普通電力變壓器設計的磁密值93%～95%選取，以保證特殊情況下不過激磁，同時降低接地變的空載損耗。

高壓繞組半部分匝數：

3.3.5 電密的確定

接地變二次繞組的電密同普通電力變壓器選取，一次繞組的電密選取需考慮短路電流持續10s時一次繞組的熱穩定性。繞組的尺寸計算等同普通產品，在此不做計算。繞組線匝排列及尺寸計算結果列于表2。

表2 繞組線匝排列及尺寸

在中性點直接接地的情況下，系統發生單相對地短路，短路電流持續10s時一次繞組的熱穩定性核算：

繞組短路后的平均溫度：

3.3.6 零序阻抗計算

接地變壓器零序阻抗可按普通雙繞組電力變壓器阻抗計算公式計算，即：

式中，f為額定頻率，f＝60Hz；WB為高壓繞組半部分匝數；Σ23為高壓兩個半繞組的等值漏磁面積；ρ23為洛氏系數；k為附加電抗系數；Hk23為高壓兩個半繞組的平均電抗高度（各尺寸均以cm計）。

圖5 漏磁組分布圖

以上各參數的計算過程同普通雙繞組電力變壓器，在此不一一展開，其計算結果如下：

3.3.7 一、二次繞組的阻抗計算

低壓繞組磁勢F2與高壓繞組（1）磁勢FG1、高壓繞組（2）磁勢FG2的關系相量圖如圖6所示。

圖6 磁勢相量圖

高壓繞組（1）與高壓繞組（2）分解出軸向分量的磁勢總和等于低壓繞組的磁勢，其大小相等、方向相反，磁勢平衡方程式為：

軸向分量（第一分量）：

式中，I1、I2為一次繞組、二次繞組正常電流。

高壓兩個半繞組分解出橫向分量的磁勢相互平衡，大小相等、方向相反，磁勢平衡方程式為：

橫向分量（第二分量）：

低壓繞組相對磁勢A1＝1。

高壓半繞組相對磁勢的第一分量為：

變壓器有兩個漏磁組，這兩個漏磁組的等值漏磁面積計算如下（參照圖5）：

第一分量等值漏磁面積為：

式中，ρ為洛氏系數；Hk123為高壓兩個半繞組及低壓繞組的平均電抗高度。

第二分量等值漏磁面積為：

以上各參數的計算過程同普通產品，在此不做展開，其短路阻抗計算結果如下：

3.3.8 其他參數計算

接地變的損耗及溫升等計算方法同普通產品，在此不做計算。

3.4 高海拔變壓器設計中需注意的問題

該臺接地變使用地的海拔高度為3400m，為高海拔地區，故在變壓器設計過程中還需對相關的參數根據海拔高度進行修正。海拔高度對該臺變壓器設計的影響主要體現在以下三方面：

（1）溫升影響：安裝場所海拔高于1 000m，而試驗場地低于1 000m，自冷式變壓器繞組平均溫升限值應按海拔每增加400m降低1K計算，故其溫升限值要比常規產品低6K。

（2）對絕緣距離的影響：變壓器在海拔高于1 000m的地區運行時，其所需的空氣間隙值按每增加100m（對于1 000m海拔而言）增加1%來計算。

（3）對套管外絕緣水平的影響：用在高海拔地區的套管，其外絕緣水平需要按海拔高度對其雷電沖擊耐壓和工頻耐壓進行修正。根據IEC60694，修正系數如下：

把海拔高度H＝3 400m代入上式得到Ka＝1.34。修正后的套管外絕緣水平為：LI268kV AC114kV；其內絕緣水平為正常值：LI200kV AC85kV。

4 結語

以上介紹的是帶二次負載的接地變設計方法，對于不帶二次負載的接地變，因其少了低壓繞組，設計上更為簡單，可參照上述介紹的設計方法設計。

本公司按以上設計方法設計的該臺接地變經過整體試驗，各項性能指標均滿足國標和技術協議的要求，說明該產品的設計方法正確。

［1］路長柏，朱英浩.電力變壓器計算［M］.哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，1986.

［2］崔立君.特種變壓器理論與設計［M］.北京：科學技術文獻出版社，1995.