單相三繞組自耦合節能變壓器設計及性能檢測分析

婁術鑫

(大慶油田生態環境管護公司果午湖生態區管護公司，黑龍江 大慶 163400)

0 引 言

變壓器是電力供應中最為關鍵的設備之一，如何實現變壓器綜合性能的有效提升，成為當下最為緊迫的工作。據不完全統計，變壓器的損耗占到整個電力供應損耗的30%～40%，因此，降低變壓器損耗，減少電能損失，對于變壓器的安全運行和節能降耗具有重要意義[1]。在常規變壓器設計過程中，一般考慮空載電流、空載損耗、短路阻抗以及有載損耗4個主要參數，但是變壓器在運行過程中，往往存在噪音和振動較大、絕緣性能較差以及機械強度不足的問題，這些問題對于變壓器的損耗也具有較大影響，因此，有必要針對這些因素展開設計研究[2-3]。

當前，節能變壓器在油氣、供水等多個方面逐漸普及[4-5]，給人們的生產生活帶來了更加高效穩定的電力供應。該文設計了一種單相三繞組自耦節能變壓器，并提出從多個方面降低變壓器的空載損耗和有載損耗，可為安全、可靠、經濟節能變壓器的設計與應用提供借鑒。

1 變壓器損耗的原因分析

自耦變壓器在一次繞組和二次繞組之間既存在著磁力的耦合，還存在著電的參與，使得自耦變壓器與普通變壓器相比，具有體積小、效率高的特點。按照自耦變壓器不同的繞組形式，可將其分為單層圓筒式、多層圓筒式、分段圓筒式、鋁箔圓筒式以及餅式繞組。自耦式變壓器損耗主要包括空載損耗和負載損耗兩部分：空載損耗主要是由于磁帶損耗、渦流損耗或者附加損耗所造成，空載損耗主要發生在變壓器鐵心結構中；負載損耗則主要是由于直流損耗、渦流損耗、環流損耗或者雜散損耗所造成。因此，應該充分利用現有的技術和工藝手段，從降低空載損耗和負載損耗兩方面入手，全面提升變壓器的綜合性能。

2 節能變壓器設計

2.1 總體結構

該文設計的單相三繞組自耦節能變壓器鐵心結構為單相三圓柱式，鐵心材料采用無磁鋼板(27RK090)，高壓線圈和低壓線圈使用內屏蔽-連續式結構，中壓線圈使用螺旋式結構，高壓線圈的出線端在底部，在高壓線圈和油箱之間采用插花糾結式結構的調壓線圈，在油箱內部采用銅屏蔽的方式將油箱與繞組底部進行有效的屏蔽，為了改善變壓器的損耗分布和降低雜散損耗，將磁分路設置在鐵心結構的最底部。變壓器的總體結構如圖1所示。

圖1 單相三繞組自耦節能變壓器結構Fig.1 Structural dimensions of single-phase three winding

2.2 主要參數

單相三繞組自耦節能變壓器的額定容量為216 700/216 700/48 530 kVA，額定電壓為(525/3 2±2.38%)/(230/3)/34.5 kV，冷卻方式為ONAN/ONAF1/ONAF2，適用變壓器容量130/173.3/216.7 MVA，額定電流大小為714.9/1 631.9/1 406.7 A，額定頻率為60 Hz，聯結組別為Ia0i0(無相位移單相自耦變壓器)，熱絕緣等級為A，高壓繞組的絕緣水平為1 180/1 425 kV，低壓繞組的絕緣水平為620/750 kV，中性點絕緣水平為150/50 kV，第三繞組絕緣水平為200/70 kV。

2.3 變壓器優化設計

通常在設計變壓器的過程中，主要考慮空載電流、空載損耗、短路阻抗以及有載損耗4個參數，但是在變壓器運行過程中，如果僅僅考慮以上4個參數，可能會導致噪音和振動較大、絕緣性能較差以及機械強度不足等一系列問題，這些問題如果處理不當，又可能會對變壓器的損耗產生影響，嚴重的可能會導致變壓器內部出現溫升過熱或者結構件損耗等現象，因此，在變壓器設計時不僅要考慮損耗參數，還要考慮變壓器運行時的穩定與安全，從而保證變壓器處于最佳的工作狀態。在上述變壓器基本結構基礎上，提出從鐵心設計和繞組線圈設計2個方面對變壓器的性能進行優化。

1)鐵心設計與優化。該文設計的單相三繞組自耦節能變壓器鐵心直徑為1 029.97 mm，鐵心窗高×寬為2 860.04 mm×1 549.91 mm，鐵心質量為53 354.26 kg，磁通密度大小為1.553 4 T，鐵心柱數和冷卻通道數量均為3，冷卻通道尺寸為5.003 8 mm。變壓器的空載損耗不僅與變壓器鐵心材料有關，還與鐵心的結構形式以及制造工藝等有關，為了降低變壓器的空載損耗，提出從鐵心材料、加工工藝、磁分路安裝等方面進行如下的設計優化：①在鐵心材料上選用27RK090專用硅鋼片，并采用冷軋工藝進行加工，具有質量輕、單位鐵損耗低、磁感應強度高、節約制造成本等優勢；②為減少鐵心加工和運輸過程對硅鋼片的電磁性能產生影響，變壓器鐵心采用縱剪、橫剪專用設備對硅鋼片進行加工，該設備生產的硅鋼片毛刺長度小于等于0.015 mm，長度偏差小于等于0.2 mm，能夠提高鐵心的表面光滑度和疊裝系數，同時采用“H-H”環氧膠工藝減少鐵心在加工生產過程中的異物污染，減少振動，降低噪聲；③采用全斜接縫新型工藝降低忒新通磁所受阻力，同時采用5 級步進結構減少接縫數量，使磁通分布更加均勻，氣隙磁密降低，從而減少鐵心噪音；④采用PET 帶熱摩擦融化綁扎工藝(PET綁扎帶具有受熱收縮性能)以提升變壓器鐵心的夾緊力和綁扎力；⑤為了避免鐵心下軛局部的“掉片”現象，在鐵心墊腳處使用環氧樹脂適形填塞固化工藝進行處理；⑥分別采用無磁鋼結構件和磁分路來減少渦流損耗和雜散損耗。

2)繞組線圈設計與優化。在變壓器設計過程中，高壓線圈和低壓線圈均采用了屏蔽-連續式結構，該內屏結構可采用跨多段屏蔽和雙面屏蔽絕緣，從而減小絕緣尺寸和增強薄弱部位的絕緣性能，提高鐵窗利用率和抗沖擊性能，第三繞組采用螺旋式結構，調壓繞組采用插花糾結式結構，選用紙包扁線；為有效降低繞組渦流和環流損耗，高、低以及第三繞組線圈材質均選用紙包自黏性換位導線，同時通過導線換位和環氧樹脂澆注工藝，可提高機械強度和抗短路性能，同時還能實現溫度均勻分布和降低附加損耗。繞組排列示意見圖2。

圖2 繞組排列示意圖Fig.2 Winding arrangement diagram

變壓器安匝平衡決定了橫向漏磁大小，從而進一步影響變壓器軸向應力大小、附加損耗以及局部過熱問題，為了使變壓器安匝平衡，必須使同一對繞組相同高度內的電流與匝數的乘積占比是一致的，為了減小大容量中變壓器的軸向力，必須將不平衡度控制在3%以內。在進行安匝計算時，需要先對高壓繞組進行區域劃分，然后其他繞組再與高壓繞組進行對應的區域劃分，區域劃分原則為：①兩個繞組的高度應盡量保持一致，劃分界限應在線段間油道中心線上；②在同一個區域內，應使主漏磁空道和線段幅向尺寸盡量相等；③應使不同繞組區域中的匝數百分值盡量相等。根據上述原則，進行繞組安匝排列，結果見圖3。

圖3 繞組安匝排列示意圖Fig.3 Ampere turn arrangement diagram of winding

3 性能檢測分析

3.1 繞組電阻檢測結果

試驗檢測得到的不同繞組在繞組升溫情況下的電阻值結果見表1。從表1可知：隨著溫度的升高，繞組的電阻值有所增大，高壓繞組的電阻>低壓繞組電阻>第三繞組的電阻。

表1 繞組電阻檢測結果Table 1 Winding resistance test results

3.2 絕緣特性檢測結果

試驗檢測得到的繞組絕緣特性結果見表2。從表2可知：當在R15和R60情況下時，高壓、低壓繞組對第三繞組和地的絕緣電阻最大，其次為高壓、低壓和第三繞組對地，最小的為第三繞組對高壓、低壓繞組和地；當在R600情況下時，高壓、低壓繞組對第三繞組和地的絕緣電阻依然最大，其次為第三繞組對高壓、低壓繞組和地，最小的為高壓、低壓和第三繞組對地；3個測量點的吸收比相差不大，介于1.25～1.31；對于極化指數而言，第三繞組對高壓、低壓繞組和地最大，其次為高壓、低壓繞組對第三繞組和地，最小的為高壓、低壓和第三繞組對地，從不同測量點的絕緣特性來講，均滿足絕緣電阻>10 000 MΩ或者吸收比>1.3或者極化指數大于1.5的相關要求。鐵心對夾件和地、夾件對鐵心和地以及鐵心對夾件的1 min絕緣電阻分別為6 650 MΩ、4 850 MΩ和5 950 MΩ，均滿足大于2 500 MΩ的相關設計要求，表明絕緣性能良好。

表2 絕緣電阻檢測結果Table 2 Insulation resistance test results

3.3 空載電流和空載損耗檢測結果

空載電流和空載損耗檢測結果見表3(第一次為雷電沖擊耐受試驗前進行，第二次為雷電沖擊耐受試驗后進行)。從表3中可知：不管在什么狀況下，該文所設計的單相三繞組自耦節能變壓器的空載電流誤差均小于規范要求的上限值0.2%，空載損耗也小于規范要求的上限值55 kW，相比常規變壓器(85 kW)而言，節能變壓器的空載損耗降低了約40%。

表3 空載電流和空載損耗檢測結果Table 3 Test results of no-load current and no-load loss

3.4 短路阻抗和有載損耗檢測結果

短路阻抗和有載損耗檢測結果見表4。從表4中可以看到：高壓繞組對低壓繞組的有載損耗最大，達到328.91 kW，其次為低壓對第三繞組有載損耗，為47.48 kW，最小的為高壓對第三繞組，為45.94 kW；在該節能變壓器中，設計有載損耗為347 kW，高壓對低壓繞組的有載損耗為328.91 kW，在設計范圍之內，同時有載損耗(405 kW)相對于常規變壓器而言，降低了約19%。由此可見，該文設計的單相三繞組自耦節能變壓器達到了節能降耗的目的，采用的設計結構以及新工藝、新材料能有效降低變壓器的噪聲和振動，從而實現變壓器的最佳性能。

表4 短路阻抗和有載損耗檢測結果Table 4 Test results of short circuit impedanceand on-load loss

4 結 語

針對常規變壓器因噪音和振動較大，材料絕緣性能較差以及機械強度不足等造成過多損耗的問題，該文設計了單相三繞組自耦節能變壓器，并從鐵心和繞組線圈2個方面對變壓器進行設計與優化，通過繞組電阻、絕緣特性、空載損耗和有載損耗等多個方面的檢測，驗證了所采用的變壓器結構設計和新工藝、新材料應用能夠有效降低變壓器的噪聲和振動，空載損耗和有載損耗分別較傳統變壓器降低了40%、19%，實現了變壓器各項性能的有效提升。