大容量單相發電機主變壓器結構分析

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構性能重點實驗室（籌），河北 保定 071056）

0 引言

單相大容量發電機主變壓器是發電廠的重要設備之一，其常見的結構型式有單柱雙繞組、單柱三繞組和雙柱雙繞組，其可靠性和經濟性對于發電廠的運行及電網的穩定性至關重要。隨著近年來發電機組容量的不斷提升，主變壓器的容量也在不斷突破，合理的結構選型對于主變壓器的設計至關重要。

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合運輸的方式，主變壓器的設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量的要求，在此限定條件下三種常見結構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參數為例對三種結構的主變壓器進行分析[1-16]。

1 基本參數

變壓器型式：單相無勵磁調壓強迫油循環水冷卻電力變壓器。

額定容量：315/315MV·A。

聯結組標號：Ii0（三相組YNd11)。

短路阻抗：15%～17%。

2 基本結構型式

單柱雙繞組結構由于簡單而在發電機變壓器設計中被普遍采用。當變壓器容量較大，短路阻抗較小，且對運輸高度有限制時，單柱雙繞組結構不再適用，通常采用單柱三繞組結構或雙柱雙繞組結構。

2.1 單柱雙繞組結構

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構，為降低變壓器器身端部絕緣水平，簡化器身端部絕緣結構，高壓繞組通常采用中部出線結構，繞組的首端采用內屏蔽式或是糾結式來其改善其沖擊性能。單柱雙繞組結構器身示意圖如圖1所示。

圖1 單柱雙繞組結構器身示意圖

2.2 單柱三繞組結構

單柱三繞組結構是將高壓繞組拆成兩部分，從鐵心側由內向外依次為內高壓繞組、低壓繞組、外高壓繞組，內高壓繞組與外高壓繞組串聯構成高壓繞組，內高壓繞組通常采用螺旋式結構，鐵心、外高壓繞組、低壓繞組與單柱雙繞組結構相同。單柱三繞組結構器身示意圖如圖2所示。

圖2 單柱三繞組結構器身示意圖

2.3 雙柱雙繞組結構

雙柱雙繞組結構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，繞組結構與單柱雙繞組結構相同，兩個柱的高壓和低壓繞組采用并聯或串聯結構。雙柱雙繞組結構器身示意圖如圖3所示。

圖3 雙柱雙繞組結構器身示意圖

3 結構對比分析

三種結構由于繞組數量、單柱容量的不同，其鐵心直徑、運輸尺寸、運輸質量等均不相同，相同效率下經濟性也有所差異，變壓器的漏磁控制、絕緣設計也各有不同，三種結構性能參數對比見表1。

表1 三種結構性能參數對比

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，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構，需設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，因此該結構的選用受到一定限制。

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單相三繞組結構由于高壓繞組分裂成了內高壓和外高壓兩部分，變壓器的單柱等效容量需要進行折算，折算公式為

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

由式（1）可以看出，當內、外高壓匝數比例分別為高壓繞組總匝數的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系見式（2），因此單柱三繞組結構鐵心直徑約為單柱雙繞組結構的95%，在保證阻抗的情況下，采用該結構的鐵心窗高可比單柱雙繞組結構降低約10%。

式中：k為鐵心直徑的比值。

雙柱雙繞組結構是將變壓器設計在兩個結構完全相同的主柱上，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構的85%左右，對于限定高度和寬度尺寸下變壓器的設計將更容易實現。

3.2 變壓器的運輸方案

1）運輸尺寸方面：單柱雙繞組結構單柱容量大，因而其運輸高度通常很難降低，示例工程采用此結構的運輸高度達到4.58m；而單柱三繞組結構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構中最寬的，比單柱雙繞組結構寬了約0.36m左右，但運輸高度降低了0.46m；三種結構中雙柱雙繞組結構運輸寬度和運輸高度最小，但是此結構的運輸長度比其他兩種結構長約3m。

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

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

3.3 技術經濟性分析

當變壓器的鐵心磁通密度和效率均保持不變時，單柱三繞組結構由于鐵心直徑和高度均遠小于單柱雙繞組結構，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%，而雙柱雙繞組結構和單柱雙繞組的空載損耗基本相當。

4 結構可靠性分析

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

4.1 變壓器的漏磁控制

三種結構的漏磁分布各不相同，雙繞組結構漏磁通分布如圖4（a）、圖5（a）所示，典型的雙繞組結構僅有一個縱向漏磁組，而單柱三繞組結構由于高壓繞組幅向分裂為內、外兩部分，根據磁勢平衡定律，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構漏磁分布進行仿真，結果如圖6所示，由于單柱雙繞組結構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構中最高的，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； 而單柱三繞組結構雖然其單柱容量與單柱雙繞組結構相同，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構的85%左右，如圖6（b）所示；雙柱雙繞組結構漏磁分布與單柱雙繞組結構相似，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構的75%，如圖6（c）所示。三種結構中雙柱雙繞組結構漏磁最小，對于大容量變壓器的漏磁控制最容易實現，而單柱雙繞組結構漏磁控制難度最大。

圖6 三種典型結構漏磁分布仿真結果

4.2 變壓器的絕緣設計

單柱雙繞組結構和雙柱雙繞組結構均為典型發電機主變壓器結構，變壓器繞組內部的絕緣特性基本相同，所不同的是雙柱雙繞組結構還需要考慮雙柱間的連接引線的絕緣設計，而單柱三繞組結構由于高壓繞組分裂為兩部分，其絕緣設計需要特殊 考慮。

由于感應耐壓試驗時繞組中的電位與繞組的匝數成正比，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。而三繞組結構由于內外高壓繞組匝數比的不同，在每個繞組上呈線性降低，內、外高壓繞組連接引線處的電位與兩個繞組匝數的比例有關，如圖7（b）所示。當內高壓繞組匝數較多時，其連接電位會升高得多，繞組端部的絕緣設計和連接引線處的絕緣設計需要按此電位進行考慮。

圖7 感應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構在雷電沖擊入波時繞組上的電位進行仿真計算，結果如圖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構的對地電位在繞組中部會略有振蕩，可達到首端入波點電位的約85%，如圖8（a）所示；而三繞組結構的外高壓繞組上的振蕩電位會低一些，約75%，內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構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，而三繞組結構卻是在內高壓繞組上從末端向首端沿線餅振蕩升高，最高電位達到入波點電位的190%，而內、外高壓連接引線處的電位也達到入波點的180%左右，如圖9（b）所示。因此三繞組結構中外高壓繞組末端的對地沖擊絕緣水平要比雙繞組結構高 得多。

需要說明的是，三繞組結構內、外連接引線和繞組中振蕩電位的大小與繞組的匝數比有關，如圖10所示，當內、外高壓繞組匝數比例變化時，振蕩電位的大小需要結合實際方案進行詳細計算。

圖10 三繞組結構內外連接引線和繞組中振蕩電位與 繞組匝數比的關系

4.3 分接引線絕緣設計和分接開關選型

由于三種結構都是采用分接段進行調壓的，雙繞組結構的分接段設置在高壓繞組的末端，而三繞組結構的分接段設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構高，因此三繞組結構分接引線的絕緣水平要比雙繞組結構設計復雜，分接開關的絕緣水平也比雙繞組結構高。

5 結論

由三種結構對比可得出：

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

2）單柱三繞組結構雖然絕緣結構復雜，但是其在經濟性和小型化方面明顯優于雙柱雙繞組結構。

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