大容量自耦变压器的结构与短路性能

李 英、林 刚、张 望、高 丹：大容量自耦变压器的结构与短路性能第 ! 期 大容量自耦变压器的结构与短路性能 李 英 "，林 刚 "，张 望 #，高 丹 " （!"沈阳变压器有限责任公司$ 辽宁 沈阳 !!""#$% #"铁岭发电厂$ 辽宁 铁岭 !!#"""） 摘要：从变压器产品的短路性能角度出发$介绍了大容量自耦变压器的结构$分析了短路机械强度特点。 关键词：自耦变压器；结构；短路；计算 中国分类号：$%&’# 文献标识码：( 文章编号：!’’!)*&#+（#’’#）’,)’’’!)’- 1 大容量自耦变压器在电力系统中的应用 随着现代电力系统向着超高压、大容量、远距 离、自动化方向发展，自耦变压器已在##’./级及以 上超高压电力系统中得到广泛采用。自耦变压器与 同容量、同电压等级普通变压器相比，具有材料省、 损耗低等特点。在我国的+’’./电压等级的电力系 统中，联络变压器、降压变压器大部分为自耦变压 器。应用在超高压系统中的自耦变压器容量较大，一 旦发生故障，其后果不言而喻。无论是升压还是降压 自耦变压器，高压与中压间的电抗一般都比同容量 同电压等级的普通变压器的电抗要小，这样就使其 本身在受到短路冲击的情况下，短路电流、短路电动 力均增大很多。再加上其结构较复杂，因此，在短路 性能 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方面对自耦变压器提出了特殊要求。 变压器的短路性能是指变压器承受动态和稳态 短路电流冲击的能力。除了热稳定性能 （可参见 01!’2&"+)!2*+的计算方法进行校核）之外，它的动 稳定性能主要由两方面因素决定，一方面是由与其 正常工作电流、短路阻抗、安匝排列等因素相关的电 动力的量值决定的；另一方面是由与绕组支撑结构、 导线力学特性、截面尺寸等因素相关的许用机械强 度决定的。只有通过有效的计算方法对短路电动力 大小进行有效控制，同时保证绕组具有较好的许用 机械强度，才能确保变压器产品具有较好的短路性 能。 2 自耦变压器结构与短路性能 自耦变压器与普通两绕组、三绕组变压器在短 路电动力和许用机械强度的计算方法上没有明显的 差别，但由于自耦变压器与普通变压器相比，具有短 路阻抗较小，结构较为复杂、紧凑，并且调压方式不 同，结构型式多样等特点，从而决定了在自耦变压器 与普通变压器结构类似时，其短路电动力较大，使其 短路性能面临更严峻的考验。但由于其调压方式、范 围以及绕组整体布置不同，因此并不是所有自耦变 压器短路性能均比普通变压器差，有的自耦变压器 结构具有较好的短路性能。以下就从第三绕组容量 与中低阻抗的选择 （普通三绕组变压器也存在这个 问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ）、短路阻抗对电动力的影响、自耦变压器结构 与短路性能的关系、内绕组径向压曲问题等几个方 面进行讨论。分析的重点是控制短路电动力和提高 许用机械强度，因为只有通过这两方面的共同改进 才能保证自耦变压器承受短路冲击能力的提高。最 后，本文对由此需加强的工艺措施加以简单的提示。 文中将绕组的短路机械强度计算分成两部分： 一是对漏磁场和电动力的计算。将漏磁场分解成径 向磁场和轴向磁场，短路径向力由轴向漏磁场和短 路电流共同产生，短路轴向力由径向漏磁场和短路 电流共同产生。电动力与绕组的容量、电压等级、短 路阻抗、安匝排布等因素相关。二是对许用机械强度 的计算。对内绕组在径向上校核其压曲失稳强度，计 算每个线饼的压曲临界失稳强度，考虑铜导线的塑 性性质、弹性模量!、支撑条件和导线型式、尺寸、截 面系数 "及绕组半径的影响。对外绕组考核径向拉 应力强度，拉应力极限为!’"#。由于导线制造工艺不 同，软铜和半硬铜的力学参数有很大的不同。对于软 铜线!’"#3!’’%45，对于半硬铜线!’"#3!+’%45。径向 强度是按照静态处理，这是由于单个线饼的振荡频 率远离短路电动力的激振频率。轴向机械强度的计 算是按动态问题处理，线饼等效成质量块，线饼间的 垫块在压紧时，等效成弹簧，研究整个多质量点系统 的动态振动特性，考虑线饼的塑性损坏强度、导线的 力学性质、截面、垫块刚性、承力面积、压紧情况。按 第 !"卷 第 !期 #$$#年 !月 !"#$%&’"()" %&’(!" )*+,- .&(! #$$# 第 !" 卷 照上述方法对短路过程中的每个线饼的短路电动力 和机械强度进行详细计算，给出安全系数，其值为机 械强度与短路电动力的比值。也就是说，机械强度是 短路电动力的极限许用值。线饼安全系数大于!"#， 认为机械强度较好，能够承受短路冲击，否则应进行 调整，直至整个产品各个绕组所有线饼的安全系数 均大于!"#，认为此台产品机械强度较好（在计算内 绕组径向受压曲时，径向压曲电动力和压曲强度为 线饼单位长度上的压力，单位为$% & ’，拉应力及许 用强度单位为()*，在轴向电动力和轴向强度上计 算整个线饼受到的力，单位为$%）。这种方法已得到 了各种模型、实际产品的短路试验验证，并且在机械 强度的计算方法上作过适合现有生产条件的修正， 现已较为完善，在产品设计中发挥了重要作用。 +"! 考虑短路性能时，自耦变压器第三绕组容量和 中—低压阻抗的选择 三相自耦变压器的联结组，以,%*#联结最为常 用，在三相自耦变压器中一般还有一个-联接的第 三绕组，单相自耦变压器通常也设有第三绕组，第三 绕组可用于联接发电机、调相机、备用厂用电，具有 满足低压负荷和增强稳定性的作用。第三绕组的容 量依其设置的目的决定，一般为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 容量的! & ./! & +。考虑到需要满足中—低压运行短路的热稳定和电 动力稳定的要求，低压容量不宜低于标准容量的! & .。曾有用户要求，低压容量为标准容量的! & 0，如果 此时中—低压阻抗很小，在中—低压运行短路时，两 绕组将很难满足动热稳定要求。第三绕组的最大容 量可制成等于自耦变压器的标准容量。如果第三绕 组接备用厂用电等情况时，频繁启动，存在故障隐 患，更需加强第三绕组机械强度的设计，可以采用适 当的方式保证中—低压短路阻抗不要过小。 例如一台三相三绕组自耦变压器容量为 +1#(23，电压为..#$2，高—中阻抗!#"456，中—低 阻抗!!"0.6（折算成满容量值），低压绕组容量为 5+(23，绕组布置从内向外依次为：低压—中压— 高压—调压。当高中额定运行短路时，中压绕组中流 过的短路电流峰值为!5 11."+3，中低运行短路时中 压绕组中流过的短路电流峰值为+7 #843，是高中短 路电流的!"11倍。由于电动力与短路电流的平方成 正比，中压绕组在中低短路时的电动力是高中短路 电动力的+"#5倍。尽管中压绕组在高中短路时内绕 组径向受压，需要校核径向压曲失稳强度，而在中低 短路时，外绕组径向受拉应力作用，需要校核拉应力 强度，两者的强度校核完全不同，但在轴向强度校核 时，考核整个绕组的轴向振动特性时方法完全相同， 中压绕组的轴向机械强度在中低短路时将面临更为 严峻的考验。由此可见，决定电动力的重要因素是该 运行状态正常工作电流和短路阻抗。中压绕组的正 常工作电流与第三绕组容量相关联，短路阻抗由两 绕组的相对位置决定。当容量较小、短路阻抗较低 时，应注意选择合理的容量和短路阻抗，不致产生过 大的短路电动力，降低产品的可靠性。本台中低运行 短路时第三绕组和中压绕组电动力及机械强度计算 结果见表!。 为了保证其机械强度，低压绕组选择了自粘性 换位导线，其径向压曲失稳强度和轴向许用机械强 度较铜扁线和普通换位导线好，中压绕组选择了半 硬铜导线，以增加许用拉应力值。结构上在低压绕组 内支撑上采取了一些加强措施，保持内支撑圆筒机 械强度较好，撑条数量足够，并且装配精良，完全起 到支撑作用，必要时可以增大导线的截面积，选用合 理的导线宽厚比和尺寸，使其具有较好的短路性能。 以上分析可以推广到普通三绕组变压器的第三 绕组容量和中低短路阻抗的选择。 +"+ 短路阻抗对电动力的影响不可忽视 很多生产厂在设计自耦变压器时，仅仅把注意 力集中在串联绕组和调压绕组的绝缘结构以及调压 方式、负载损耗及空载损耗等方面，有忽略变压器短 路性能的倾向。电力运行部门认为，在许多情况下， 大型电力变压器的主要故障应归因于变压器设计或 结构问题，而变压器生产厂则认为故障应归因于网 络结构、网络保护和运行不当，或者转换装置及其技 术 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 不当。只有技术规范完善的电力变压器才具 有良好的短路性能。最值得提出的是规定的短路阻 抗值不能太低，要与9:;标准和国家标准相一致。变 压器在电网上运行时，短路阻抗是限制短路电流和 电动力的主要因素。在符合国标的前提下，应避免对 性能指标的过高要求，否则会影响变压器的可靠性。 对变压器的运输重量及外形尺寸的限制应该仔细核 实。在允许的情况下，尽可能给变压器厂提供条件来 增加设计裕度，以提高变压器的可靠性。在关键部位 应留有足够的裕度，在设计的先进性和产品的可靠 性有矛盾时，应首先保证可靠性。 当自耦变压器与双绕组变压器绕组容量、结构 低压绕组 公共绕组 径向压力 & $%·’ 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，兼顾各个分接，加强轴向力的控制。 当轴向力对上下结构件的作用力较大时，应保证压 板强度和夹件肢板强度，以保证有足够的轴向预紧 力。 图 ! %-()*+ # -((,* 单相自耦旁柱有载调压变压器高中运行短路时各绕组动态轴向电动力沿高度分布 图 - 三相中性点有载调压 ’(()*+ # !((,* 产品绕组 布置及接线原理图 运行状态 （短路阻抗） 公共绕组 串联绕组 对结构件的作用力 径向力 # ,.·/0" 径向安 全系数 轴向力 # ,. 轴向安 全系数 径向拉 应 力 # )12 径向安 全系数 轴向力 # ,. 轴向安 全系数 对上夹件 的作用力 # ,. 对下夹件 的作用力 # ,. 说 明 最大分接 3"’&%"45 !6 %&$’ ’ 7!( %&$’ -’&" "&66 " (-8&8 !&6- !-(&$ !--&8 额定分接 3"%&6645 -(&7 %&!8 ! $!$&6 %&(% --&8 "&78 " "$!&- !&!" -(!&6 -’6&- 最小分接 3""&(-45 $!&6 "&8- 7 !8$&7 "&%- 7! "&’- " 8$6&" %&$" " -(6 " -77&! 主要来自于 串联绕组 表 ! 三相中性点有载调压 ’(()*+ # !((,* 产品短路电动力计算结果 ! 第 !" 卷 !"# 径向压曲失稳问题 自耦变压器与普通变压器相比，在计算径向压 曲失稳问题上没有特殊之处，只是由于自耦变压器 的短路阻抗较小，引起的短路电动力较大，使径向压 曲失稳问题更为突出。在三绕组的变压器中，绕组排 列为低—中—高结构时，中压绕组在高中运行短路 时，处于内侧，径向受压曲，需考核其压曲强度。在中 低运行短路时，中压绕组处于外侧，需考核其拉应力 强度。两种考核方法完全不同，这是需注意的地方。 在校核内绕组的径向压曲强度时，本文是按照失稳 问题考虑的。结构从能够恢复原有平衡状态的稳定 平衡过渡到不能恢复原有平衡状态的不稳定平衡的 压力的临界值是临界力。内绕组在短路状态下受到 的径向压曲电动力小于失稳临界力的值，是结构保 持稳定的条件。在计算临界力时，用的是将绕组简化 成圆环，并考虑了绕组径向内支撑情况后的修正公 式： !$%!&’ （ " ! ） ! (! ") #$ % * 式中 !$———线饼压力，+ ,- !&———失稳临界力，+ ,- #———铜导线弹性模量，+ ,-! "———内支撑点数 $———线饼截面惯性矩，-# %———线饼的平均半径，- 从式中可以看出，对于径向压曲失稳强度不足 情况，可以采用增加支撑点数，采用#值较大的导 线，或增大导线的$值（$值与导线的截面尺寸相关） 等方法，也可以采用减小绕组半径的方法。常用的方 法是采用半硬铜线，合理选用导线截面和导线的宽 厚比及支撑。 3 加强自耦变压器机械强度的工艺措施 除了以上在电磁设计阶段的计算分析以外，制 造上仍需采取一些加强措施。 （)）采用自粘换位导线是将涡流损耗降低至最 低限度并可增加绕组强度的非常有效方式。在低压 绕组、公共绕组采用换位导线时，应充分考虑到导线 强度和刚度与短路应力的配合，首选半硬硐及自粘 性换位导线。 （!）制造工艺对保证变压器所需的机械强度至 关重要。必须自始至终严格贯彻制造标准。只有保证 绕组制造过程的稳固性、干燥性，才能保证最终安装 阶段的夹紧。 （*）对于轴向力较大的自耦变压器类型，应充分 保证其轴向预紧力足够并均匀分布，必要时需加强 压板及夹件肢板等处的机械强度。 4 结论 （)）从短路机械强度角度考虑，为保证第三绕组 的容量和短路阻抗合理，在第三绕组较多参与运行 时，应加强其强度设计。 （!）由于自耦变压器短路阻抗与普通两绕组变 压器短路阻抗相比较小，所以短路电动力较大，在机 械强度设计上应特别加以注意，并选择合理的短路 阻抗和调压范围，使产品具有较好的短路性能。 （*）调压绕组与串联绕组、公共绕组同心，并且 采用正反调压时，应保证调压范围合适，因为调压绕 组在极限分接时，电流方向相反，引起的轴向短路电 动力也相反。此类结构应保证轴向压紧，并保证各极 限分接的轴向力在安全范围内。 （#）对旁柱有载调压结构，由于其串联和公共绕 组在各分接间安匝排列变化并不大，所以短路轴向 电动力较小，机械强度较容易控制，这是自耦变压器 短路性能较好的一种结构。 （.）采用中压绕组的中性点调压方式，且调压绕 组布置在公共绕组内侧时，应充分考虑在短路阻抗 较小分接短路时的轴向电动力。 动态轴向电动力 , /+ 012公共绕组短路轴向电动力 032串联绕组短路轴向电动力 0&2调压绕组短路轴向电动力 图 4 *$$567 , #$$/6 三相中性点有载调压变压器产品高中运行短路时各绕组动态轴向电动力沿高度分布 动态轴向电动力 , /+ 动态轴向电动力 , /+ ! 变压器油流静电测量及长时间空载试验 孙继伟，王 茁 （沈阳变压器有限责任公司，沈阳 !!""#$） 摘要：介绍了变压器油流静电的几种测试方法和长时间空载试验中监测油流静电的方法，并说明了如何对测量结 果进行评价。 关键词：变压器；油流；静电；测量；空载试验 中国分类号：!"#$% 文献标识码：& 文章编号：’$$’()#*+（*$$*）$,($$$-($+ ’ 前言 为了提高油的冷却效果，降低温升，随着变压 器容量的增大，加大油的循环速度是一种有效的方 法。但是，加大油的循环速度也同时带来了油流静 电现象。快速流动的油使变压器本体产生静电，并因 静电的不断增加而引起放电。 * 油流静电的危害 变压器油流静电的机理至今尚未有一个完整和 第 !"卷 第 !期 #$$#年 !月 !"#$%&’"()" %&’(!" )*+,- .&(! #$$# （!）自耦变压器在制造上应优先选择较高机械 强度的导线，如半硬铜导线、自粘换位导线，以保证 其机械强度。 参考文献： ［"］ 杨天民，施传立，谭显弟# 电力自耦变压器及其应用 ［$］#北京%水利电力出版社，"&’(# ［)］ 日本电气学会变压器常设委员会#变压器的第三*稳定+ 线圈［,］#国外变压器-"&(&-*"+%".!# ［/］ 俞茂 -汪惠雄 #材料力学［$］#北京 %高等教育出版社 - "&’!# 钅宏 %*+,-./0,120- /*3,31-4,05-015 367 %-,21-2,45 +8 93,:4 #2-+.!,3658+,;4,5 !" #$%&"’ !"( )*%&"’ +,-() .*%&)’ )-/ 0*%" （"#01234536 78539:;8<28 =;#->?@#- 01234536 ""AA)B- =1C35D )#7C2EC36 F;G28 FE53?- 7C2EC36 "")AAA- =1C35） #<5-,31-：H592@ ;3 ?12 91;8?.IC8IJC? 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