摘要：采用量化設(shè)計(jì)方式，應(yīng)用有限元仿真分析技術(shù)確定了串、并聯(lián)繞組結(jié)構(gòu)布置及開關(guān)絕緣水平，開發(fā)設(shè)計(jì)了三相128kV雙電壓電力變壓器。

　　關(guān)鍵詞：變壓器;有限元;雙電壓

　　1前言

　　隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力資源的高效利用以及電網(wǎng)系統(tǒng)的不斷升級(jí)改造，用戶對(duì)雙電壓變壓器的需求有所增加。雙電壓的特點(diǎn)主要有電壓轉(zhuǎn)換后聯(lián)結(jié)組別不變，兩種電壓運(yùn)行狀態(tài)下無閑置匝數(shù)，用戶使用方便，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行兩種電壓間的轉(zhuǎn)換。新產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案通過了電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)及機(jī)械力等方面的全方位分析計(jì)算，根據(jù)模擬分析結(jié)果，優(yōu)化了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，利用技術(shù)手段控制產(chǎn)品成本，保證分析數(shù)據(jù)符合生產(chǎn)廠家的量化分析控制標(biāo)準(zhǔn)要求。通過采用量化設(shè)計(jì)方式，應(yīng)用成熟的工藝技術(shù)和多種有限元仿真分析手段，成功開發(fā)設(shè)計(jì)了三相128kV雙電壓電力變壓器。

　　2主要技術(shù)參數(shù)

　　型號(hào)：SF11-11000/128額定頻率：50Hz額定容量：11/11MVA額定電壓：128±2×2.5%-64+3-1×5%/5.5kV短路阻抗：9%聯(lián)結(jié)組別：YNd11冷卻方式：ONAN/ONAF空載損耗：≤12.5kW負(fù)載損耗：≤59.6kW絕緣水平：h.v.線路端子LI650AC275l.v.線路端子LI60AC20l.v.中性點(diǎn)端子LI385AC165

　　3產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)控制

　　3.1方案確定及結(jié)構(gòu)

　　此臺(tái)變壓器為雙電壓無勵(lì)磁調(diào)壓，雙電壓分接級(jí)數(shù)及百分?jǐn)?shù)不同，串并聯(lián)聯(lián)結(jié)方式及調(diào)壓結(jié)構(gòu)成為設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵。通過對(duì)多種方案的對(duì)比分析，確定此臺(tái)產(chǎn)品采用高壓繞組分兩段，通過開關(guān)進(jìn)行串并聯(lián)之后，再串入調(diào)壓繞組的這種方式能夠滿足用戶雙電壓128±2×2.5%-64+3-1×5%/5.5kV的使用要求，兩種電壓下調(diào)壓部分通過的電流不同，并聯(lián)方式為串聯(lián)方式的2倍。變壓器高壓繞組分上、下完全對(duì)稱的兩段，通過串并聯(lián)開關(guān)實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)，調(diào)壓繞組通過無勵(lì)磁分接開關(guān)連接各級(jí)電壓，鐵心采用三相三柱式結(jié)構(gòu)。高壓繞組采用全糾結(jié)式，端部進(jìn)線結(jié)構(gòu)，低壓繞組采用連續(xù)式，端部進(jìn)線結(jié)構(gòu)，高壓和低壓繞組的安匝平衡好，安匝不平衡引起的短路力較小。高、低壓套管從油箱頂部引出，串并聯(lián)開關(guān)布置在高壓A相附近儲(chǔ)油柜對(duì)側(cè)。接線原理圖如圖1所示，外形圖如圖2所示。高壓繞組為Y接法，分上、下兩段，首、末端分別與開關(guān)觸頭連接，絕緣水平高。高壓繞組首端出頭通過三通管分別引至套管及串并聯(lián)開關(guān)，分接段放置在高壓繞組末端，高壓中性點(diǎn)連線路徑長，連線后采用軟銅絞線直接從油箱頂部升高座引出至套管。因產(chǎn)品絕緣水平高，繞組端部絕緣及引出線的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是產(chǎn)品的關(guān)鍵所在。

　　3.2設(shè)計(jì)控制

　　在設(shè)計(jì)階段，通過采用有限元仿真分析計(jì)算，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案全面量化，利用技術(shù)手段控制產(chǎn)品成本，完善技術(shù)分析手段，優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)布置，將先進(jìn)技術(shù)全部應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中，分析數(shù)據(jù)滿足公司的量化控制標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到產(chǎn)品性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠及節(jié)約成本的目的。通過模型或產(chǎn)品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤對(duì)比驗(yàn)證，持續(xù)修改控制規(guī)范，完善分析體系，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品達(dá)到真正數(shù)值上的量化。下面通過新產(chǎn)品開發(fā)簡(jiǎn)單敘述整體設(shè)計(jì)分析方案。3.2.1絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)品容量小，絕緣等級(jí)高，絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是變壓器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，同時(shí)需要考慮絕緣結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。充分利用有限元仿真分析軟件，計(jì)算變壓器在標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議要求的各種試驗(yàn)電壓作用下，繞組之間、繞組對(duì)地以及繞組的匝間、餅間的電位分布和電場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，確定變壓器主、縱絕緣的參數(shù)和絕緣結(jié)構(gòu)，并確保有足夠的安全裕度。繞組在雷電沖擊電壓作用下的絕緣強(qiáng)度是絕緣設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。通過波過程計(jì)算程序分別計(jì)算繞組在雷電全波和雷電截波作用下的電位及梯度分布，計(jì)算主要分為下面兩種情況。(1)串聯(lián)時(shí)，高壓繞組首端全波入波，高壓兩段串聯(lián)，其余繞組接地。高壓繞組的單元最大沖擊梯度7.41%，安全裕度1.58。(2)并聯(lián)時(shí)高壓繞組首端全波入波，其余繞組接地。高壓繞組的單元最大沖擊梯度9.70%，安全裕度1.67。通過繞組波過程計(jì)算，因?yàn)榇�、并�?lián)后，入波電壓值不同，絕緣結(jié)構(gòu)相同，串聯(lián)時(shí)，梯度低，安全裕度小，并聯(lián)時(shí)，梯度大，安全裕度大。繞組的沖擊場(chǎng)強(qiáng)在設(shè)計(jì)許用值之內(nèi)，且整體安全裕度較大，繞組絕緣安全可靠。3.2.2串并聯(lián)開關(guān)的應(yīng)用及高壓中部電場(chǎng)分析(1)此臺(tái)變壓器串并聯(lián)轉(zhuǎn)換通過串并聯(lián)開關(guān)實(shí)現(xiàn)，通過軟件分析計(jì)算產(chǎn)品在串聯(lián)及并聯(lián)時(shí)，開關(guān)觸頭在沖擊電壓下的電壓分布情況，折算至感應(yīng)電位，觸頭電壓分布如表1所示。通過計(jì)算各觸頭電壓，嚴(yán)格控制帶電體絕緣在油中的表面場(chǎng)強(qiáng)，使其滿足設(shè)計(jì)的場(chǎng)強(qiáng)許用值。根據(jù)計(jì)算電位，確認(rèn)串并聯(lián)開關(guān)的絕緣水平選取，對(duì)首端沖擊650kV，工頻275kV，級(jí)間沖擊450kV，工頻180kV.(2)高壓中部電場(chǎng)計(jì)算如圖3所示，油中最大電場(chǎng)強(qiáng)度7.5kV/mm，有較大裕度。3.2.3漏磁分布當(dāng)變壓器中流過負(fù)載電流時(shí)，產(chǎn)生漏磁通，漏磁通在油箱壁上和繞組內(nèi)產(chǎn)生附加損耗。通過分析計(jì)算，控制最大漏磁通密度及其分布。(1)并聯(lián)時(shí)產(chǎn)品最負(fù)分接漏磁分布如圖4所示，箱壁漏磁較大的部位在箱壁下部，最大值約為0.38T，小于設(shè)計(jì)允許的磁密值，裕度為43%。故本臺(tái)產(chǎn)品不會(huì)產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，無需采用屏蔽措施。因高壓上部和高壓下部流過電流與繞組的安匝分布及不平衡度有關(guān)，調(diào)整安匝不平衡度，高壓上部電流比高壓下部電流大約25%，設(shè)計(jì)時(shí)按照大的電流選擇導(dǎo)線進(jìn)行計(jì)算。(2)串聯(lián)時(shí)繞組漏磁分布如圖5所示，高壓上部和下部的電流是相等，漏磁分布與常規(guī)一致。3.2.4流體計(jì)算熱點(diǎn)溫升通過對(duì)變壓器的油流分布進(jìn)行分析調(diào)整，改善了繞組的油流分布及散熱效果，因絕緣等級(jí)高，油道尺寸較大，散熱效果好，對(duì)繞組進(jìn)行流體計(jì)算，得到了繞組的熱點(diǎn)溫升及熱點(diǎn)位置，最熱點(diǎn)溫升為68K，在第一個(gè)餅上，繞組的溫度分布圖，如圖6所示。3.2.5機(jī)械強(qiáng)度本臺(tái)產(chǎn)品主要計(jì)算繞組的短路強(qiáng)度及油箱的機(jī)械強(qiáng)度。通過設(shè)計(jì)計(jì)算和工藝保障，提高繞組的動(dòng)、熱穩(wěn)定性能，主要內(nèi)容如下。(1)采用變壓器繞組抗短路能力計(jì)算程序進(jìn)行繞組的輻向失穩(wěn)和軸向失穩(wěn)的計(jì)算，確保有足夠的安全裕度。(2)針對(duì)高、低壓繞組的輻向穩(wěn)定性采取了加強(qiáng)措施。采用半硬銅導(dǎo)線，以提高繞組的輻向失穩(wěn)平均臨界應(yīng)力;增加低壓繞組的內(nèi)撐條數(shù)量;繞組內(nèi)襯硬紙筒，硬紙筒與鐵心柱之間用撐棒撐實(shí);繞組繞制套裝緊實(shí)。(3)繞組墊塊采用高密度紙板并進(jìn)行預(yù)壓密化處理;繞組采用恒壓干燥處理;對(duì)繞組進(jìn)行軸向預(yù)壓緊等工藝保障措施。繞組的強(qiáng)度計(jì)算裕度如表2和表3所示。(4)油箱采用鐘罩式結(jié)構(gòu)，箱壁采用高強(qiáng)度鋼板整板焊接，下節(jié)油箱采用立板加強(qiáng)，上節(jié)油箱采用立式加強(qiáng)筋，箱蓋采用平頂結(jié)構(gòu)，通過機(jī)械強(qiáng)度的核算，合理地布置加強(qiáng)筋的數(shù)量和位置，使油箱在滿足機(jī)械強(qiáng)度要求下簡(jiǎn)潔且美觀。負(fù)壓計(jì)算最大彈性變形為5.4mm，如圖7所示。正壓計(jì)算最大彈性變形為6.48mm，如圖8所示。3.2.6低噪聲變壓器噪聲主要由鐵心的磁致伸縮產(chǎn)生振動(dòng)引起，在設(shè)計(jì)中采取下列方法并通過工藝保障措施減小鐵心的振動(dòng)。(1)此臺(tái)產(chǎn)品鐵心采用三相三柱式，全斜六級(jí)接縫型式，鐵心片為高導(dǎo)磁冷軋取向硅鋼片。(2)上、下鐵軛采用高強(qiáng)度板式鋼夾件，通過均勻分布的鋼拉帶對(duì)鐵軛施以均衡的夾緊力，同時(shí)嚴(yán)格控制夾緊力的大小。(3)鐵心柱使用高強(qiáng)度聚酯帶緊實(shí)綁扎，芯柱受力均勻。并在每級(jí)疊片邊緣涂環(huán)氧膠，固化后可增圖7負(fù)壓油箱變形圖加鐵心邊緣的粘結(jié)力，降低鐵心的振動(dòng)。(4)采用高精度的數(shù)控剪切設(shè)備剪切硅鋼片，減小了鐵心片在剪切過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。鐵心采用不疊上鐵軛工藝，避免了鐵心片附加機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生，同時(shí)也減少了空載損耗。(5)在鐵心墊腳和油箱底之間放置減震彈性膠墊，在鐵心和箱底定位釘之間放置減震橡膠環(huán)，有效降低了變壓器的噪聲。上述這些方法和措施的采用使變壓器的噪聲為60dB。

　　4主要試驗(yàn)項(xiàng)目的結(jié)果

　　產(chǎn)品的出廠例行試驗(yàn)和型式試驗(yàn)由突尼斯和法國專家監(jiān)測(cè)完成，所有試驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)果符合國家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議要求，產(chǎn)品合格。(1)雷電沖擊試驗(yàn)。全波及截波試驗(yàn)波形無畸變，試驗(yàn)合格。(2)感應(yīng)耐壓試驗(yàn)合格，長時(shí)局部放電測(cè)量高壓和低壓線端測(cè)得視在放電量均為30pC以下。(3)溫升和局部過熱測(cè)量。溫升滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議要求，沒有局部過熱現(xiàn)象。(4)噪聲測(cè)量。噪聲測(cè)量結(jié)果為60dB。

　　5結(jié)束語

　　量化設(shè)計(jì)在變壓器設(shè)計(jì)開發(fā)過程中至關(guān)重要，在多年的有限元仿真分析探索中，由點(diǎn)到面逐次展開，形成了較全面的分析流程，形成自主特色的量化分析控制標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)開發(fā)新產(chǎn)品128kV雙電壓變壓器過程中，應(yīng)用量化設(shè)計(jì)，充分利用有限元仿真對(duì)產(chǎn)品方案進(jìn)行電場(chǎng)、磁場(chǎng)、流體和機(jī)械力等分析計(jì)算，保障了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的可靠性，尤其在串并聯(lián)開關(guān)及無勵(lì)磁分接開關(guān)整體設(shè)計(jì)方案的可行性、不對(duì)稱漏磁引起的漏磁變化、特殊開關(guān)的絕緣水平確定、繞組之間的電流分配等方面為設(shè)計(jì)提供了重要設(shè)計(jì)依據(jù)。

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　　《128kV雙電壓式電力變壓器的開發(fā)設(shè)計(jì)》來源：《變壓器》，作者：桑旺 梁作德 褚微 李建明 杜昀霈 宗偉