近年来, 随着国家电力工业的发展, 国家加大了对电网的扩建和改建力度, 越来越多的电力变压器在电网中投入使用, 随之而来的变压器事故也时有发生。变压器作为电网中重要的电气设备, 其设备安全运行直接影响着电网的供电可靠性和稳定性。从变压器事故分析来看, 抗短路能力不够成为变压器事故的重要原因, 严重影响电力电网安全运行。
如果在变压器设计、制造过程中对受短路冲击的状况考虑不够, 运行中会因短路故障而损坏, 国家标准GB1094.5-2008中明确规定电力变压器应能承受短路的能力, 电网运营商和电力用户高度关注变压器短路能力。作为变压器生产厂家, 从设计、工艺和材料方面采取措施来提高变压器的抗短路能力势在必行。本文就自己在公司多年来, 在变压器设计、工艺及制造中积累的经验, 总结出了提高变压器抗短路能力的一些技术措施。
影响变压器承受短路能力的因素很多也相当复杂, 其中控制短路电动力是最重要措施。电动力是绕组中的电流与漏磁场相互作用的结果, 由轴向力和辐向力两部分组成。轴向力是由于漏磁力线在绕组两端弯曲, 产生横向漏磁分量以及绕组安匝不平衡所引起的;辐向力是由于轴向漏磁场与绕组中的电流相互作用产生。因此, 变压器短路电流和漏磁决定短路机械力大小, 要有效控制变压器电动力, 必须从控制或者减少短路电流和漏磁入手。下面以2010年生产的一台110k V、40MVA的电力变压器产品为例。
(1) 额定容量:SZ11-40000/110
(2) 电压组合:110±8×1.25%/10.5 k V
(3) 连结组标号:YN d11
(4) 损耗:空载损耗:28.80 k V负载损耗:148.0 k V
(5) 短路阻抗:10.5%
(6) 绝缘水平:LI480AC200-LI325AC140/LI75AC35
由于安匝不平衡程度直接影响辐向漏磁大小, 因此, 在变压器设计时, 减少绕组的安匝不平衡程度, 可以有效控制和减少横向漏磁。表一为40MVA安匝分布计算表。
根据安匝不平衡计算, 画出下面图一不平衡安匝分布图:
通过以上计算, 要有效控制安匝不平衡, 调压绕组单独设置, 内外绕组要保证其电抗中心相同, 电抗高度一致或接近, 把安匝不平衡程度控制在3%左右。
(1) 不平衡安匝漏磁组产生的总轴向力Fa
以上数据通过查表和计算得出并代入公式得出:Fa=112705N
(2) 外线圈应力计算
数据代入上公式得出:σ12=6.03 MPa
外线圈总应力为:σ=σ11+σ12=52.87+6.03=58.9MPa
(3) 内线圈应力计算
通过以上的计算 (标准规定铜导线的许用应力σH
变压器在结构设计和工艺制作上, 重点考虑了铁心、绕组、器身装配和油箱的结构及其工艺措施, 通过以下措施提高变压器的抗短路能力。
(1) 铁心级间三角间隙区用适当直径的胶木棒填充, 并尽量增加其数量, 以此减少铁心柱表面的凹凸, 避免绕组撑条的悬空。
(2) 夹件的腹板、肢板采用厚钢板, 增加其机械强度, 使受短路力冲击时不变形。
(3) 铁心夹紧处采用成型预制木垫块夹紧, 木垫块与铁心片接触面涂上树脂漆, 使其粘合固化。上横担木垫块真空处理后, 其间隙处用绝缘块打紧。
(4) 用高强度聚酯绑扎带均匀 (间距60~70mm) 绑扎铁心心柱。
(1) 绕组的电磁线采用C1~C2半硬铜扁线, 其屈服强度提高1.5~2.5倍以上;垫块、撑条等绝缘件用T4纸板经密化、倒角、热压加工而成。
(2) 高压采用中部进电, 合理安排线匝, 尽量减少不平衡安匝, 提高变压器的动稳定性。
(3) 低压单螺旋采用端部拉平几匝 (2~3匝) 方式, 端部采用扇形垫块固定。采用“一次均匀交叉换位”换位方式, 具有安匝分布均衡, 机械强度高的优点, 从而提高抗短路能力。
(4) 低压绕组绕制在特硬 (T4) 纸板制成的纸筒上, 并增设内辅助撑条和外锁紧撑条。
(5) 绕组绕制采取幅向张紧、轴向压紧措施, 保证绕组绕制紧密 (零绕制裕度) 。
(6) 线圈经24小时恒压真空干燥处理后, 调整高度, 使其各线圈电抗中心、电抗高度、机械高度与设计一致。
(7) 线圈采用整相套装。器身的轴向压紧力在同一绝缘压板下受力相对均衡。使线圈端面平整, 受压尽可能均匀平整。
(1) 根据计算的轴向力确定夹件上压钉数量, 使压板受力尽可能均匀, 并留足安全裕度。
(2) 压板和支撑板采用高密度层压木板, 下部支撑板采用层压木板或绝缘纸板, 其厚度维持60~80mm, 保正层压纸板的完整性和足够的强度。
(3) 绝缘垫块一律经过预压紧密化处理, 其垫块的加宽到70~80mm宽度能提供高强度的支撑。
(4) 整体套装后各相绕组在适当轴向力下套入铁心, 心柱与低压纸筒紧密结合, 使铁心对绕组形成有效支撑。
(5) 引线夹紧, 不得有松动现象。铜排固定夹持要增加, 夹持之间的距离应≤400mm, 防止铜排及导线夹下垂;引线的夹紧和支撑能确保在过电流时的稳定。
(1) 油箱采用方箱或小八角、波折式加强筋、平顶加筋结构, 以保证油箱有足够的机械强度。
(2) 顶壁、箱沿尽量采用同夹件腹板的厚钢板, 以增加油箱强度, 同时尖角处要求圆角 (R=5~10mm) , 要求厚钢板采用剖口焊, 焊接面必须光滑平整。
(3) 下箱沿上焊接顶紧下夹件的顶螺母4~6件, 增强下部定位。
(4) 所有金属件要求打磨尖角毛刺及圆角。
(5) 夹件部分的焊接组合, 要求尺寸、形位准确, 并控制其焊接后的变形, 保证夹件装配支承面符合设计要求。
由于各种偶然因素的存在, 要想变压器在系统运行中完全杜绝短路故障的发生是不可能的, 所以原则上要求变压器能够承受标准规定的短路故障。变压器制造厂家, 从设计、工艺和材料方面总结出了以上技术措施和方法。我公司近年生产的SZ11-16000/35、SZ10-40000/110、SS Z11-63000/110、SFSZ11-180000/220电力变压器, 均一次性通过了国家质检中心的抗短路试验。近年来, 在网上运行800余台35k V级、600台110k V级、130余台220k V级变压器, 至今运行良好, 无因系统短路而停运, 证明以上设计、制造技术措施是可靠成熟的。
摘要：抗短路能力不够成为变压器事故的重要原因。本文从变压器的电磁计算、结构设计及工艺等方面介绍提高抗短路能力的措施, 并给出了计算实例。
关键词：变压器,短路,措施
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