三相五柱式Dd0矿用隔爆型干式变压器的结构研究.pdf

第4 4 卷第3 期2023年6 月崔中保,耿千王,王立虎.三相五柱式DdO矿用隔爆型干式变压器的结构研究J.煤矿机电,2 0 2 3,4 4（3）：72-75.doi:10.16545/ki.cmet.2023.03.016煤矿机电Colliery Mechanical&Electrical TechnologyVol.44 No.3Jun.2023三相五柱式 DdO 矿用隔爆型干式变压器的结构研究崔中保,耿千王,王立虎（山西华鑫电气有限公司，山西阳泉0 4 5 2 0 0）扫码移动阅读摘要：介绍了一种三相五柱式DdO矿用隔爆型干式变压器，分析了其所选用的铁心、绕组、夹件、高低压引线、壳体结构布局等，三相五柱式DdO变压器的各项试验参数符合国家标准，并在某能源集团薄煤层矿井下运行，使用稳定可靠，可为同类型变压器的结构设计提供参考。关键词：三相五柱式；DdO；矿用隔爆型干式变压器中图分类号：TM414Research on the Structure of Three Phase Five PillarDdo Mining Flameproof Dry Type Transformer文献标志码：B文章编号：1 0 0 1-0 8 7 4(2 0 2 3)0 3-0 0 7 2-0 4CUI Zhongbao,GENG Qianwang,WANG Lihu(Shanxi Huaxin Electric Co.,Ltd.,Yangquan 045200,China)Abstract:A three phase five pillar type Ddo mining flameproof dry type transformer was introduced,its selectediron core,winding,clamp,high and low voltage leads,shell structure layout,and so on were analyzed.Thevarious test parameters of the three phase five pillar type Ddo transformer meet national standards and are stable andreliable in operation in a thin coal seam mine of an energy group.It can provide reference for the structural designof similar transformers.Keywords:three phase five pillar type;DdO;mining flameproof dry type transformer公司自主设计并制造了KBSG-2500/10和0引言KBSG-4000/10/3.45两款限高型产品，有7 台产品矿用隔爆型干式变压器用于有煤尘和瓦斯爆炸在国家能源集团某煤矿井下使用，目前运行稳定,反危险的矿井中,为矿井智能化采、掘、运设备或电钻馈良好，现结合实例，以矿用隔爆三相五柱干式变压以及照明综保等装置提供电源，是煤矿井下供配电器的结构为基础进行研究介绍。的关键设备。由于煤矿井下空间有限,特别是国内1设计部分有大量薄煤层煤田需要开采利用，薄煤层矿井巷道高度较低，对设备高度尺寸有限高要求，同时随着煤矿生产能力和需求的提高，开采工艺和技术研究的提升，使得生产设备功率不断增大，需要配套的变压器容量也随之加大，这就要求在薄煤层使用的大容量矿用变压器高度比常规同类产品矮很多，以便于煤矿井下运输安装。另外考虑到谐波和三相不平衡负载等因素，满足煤炭行业高质量供电需求，针对性地设计出容量较大、铁芯采用三相五柱式、联结组标号采用DdO的限高型矿用隔爆型干式变压器。1.1基本参数性能参数遵循CB/T82862017l】矿用隔爆型移动变电站。整体高度1 2 0 0 mm（带轮高度）。1.2铁心部分本设计中选用三相五柱式的铁心，与三柱式铁心结构相比较,这种结构的铁轭截面积可以为铁心柱截面积的1/3 至1/2,铁心的整体高度可以比三柱式铁心降低近一个最大片宽的高度。这样采用三相五柱式铁心，可以使矿用隔爆干式变压器整体高2023年第3 期度显著降低，更好地方便煤矿井下设备运输、存放和使用。三相五柱式铁心的中间3 个铁心柱上套有三相绕组，两边的旁轭没有套绕组，相当于具有分支磁路,如图1 所示，铁心两侧的旁轭是分支磁路的闭合通道，上下两侧称为上轭和下轭。铁轭上各段的磁通分别标示为2、，和4。中2图1 三相五柱式铁心由图1 得：A=,-,=,-2,c=4-,(1)由公式（1）相加,因A+B+c=0,可得4=1。用磁通相量图表示如图2 所示，当三相系统对称时,铁轭中的磁通、，和，的值大小为三相柱磁通A、B、c值的1/3,与三柱式铁心结构相比较，五柱式铁心铁轭截面积可以选择为铁芯柱截面积的1/3。图2 三相五柱式铁心磁通相量图根据参考文献2 可知，主轭截面积取心柱截面积的5 2.0%5 4.5%，而旁轭截面积则取铁心中心柱截面积的4 6.5%4 9.0%2。制造时为了提高剪切、装配的效率,取旁轭与主轭相同的截面积，大约为心柱截面积的5 2.5%5 3%。为降低变压器空载损耗,满足国家标准，可以从3个方面着手，主要是降低空载损耗附加系数方面、减少铁心总质量方面、选用单位质量损耗低的优质铁心材料3。选用三相五柱式铁心结构既能达到降低铁心高度的要求，又可以满足同类产品的国家标准。1.3绕组的部分三次谐波在电网中存在是最普遍的现象,会造崔中保等：三相五柱式DdO矿用隔爆型干式变压器的结构研究?473成电网电压波形畸变、电能质量下降、给输配电和用电设备带来非常大的危害。变压器产生的三相电势是一种正弦波，与其连接组和磁路系统密切相关。要改善三相电动势波形，高低压绕组中只要有一个绕组接成三角形即可4。变压器的联接组别有（Y-y,D-y,D-d）等多种形式,由于适用场合对抑制三次谐波有特殊要求,同时为了便于线圈绕制生产，设计选择DdO的联结组别最为合适。当变压器接法为D-d时，谐波主要有两部分来源，非线性负荷造成谐波和输配电系统谐波主要来源于电力变压器,高低压侧都为三角形联结的绕组，三次谐波电流可以在闭合的三角型回路中流通形成环流，环流形成的磁通反作用主磁通，最后合成的磁通变为正弦磁通，把铁心中原有的三次谐波抵消，从而达到抑制变压器谐波的显著效果。在单位横截面载流量相同的情况下：通过P=V3U线|线，当采用Y联结，l线=I相；当采用D联结，I线=/3 I相上述公式可知，Y联结相电流是D联结相电流的/3 倍,那么Y联结的导线截面积大约是D联结截面积的/3 倍。特别是对于大容量的低压绕组，其本身电流很大，需要较大的导线截面积，如采用Y型联结，I线=I相，需要多股截面积较大的铜线并列绕制，施工过程相对复杂，容易破损电磁线，造成绕制困难。如采用D联结，l线=/3 I相，D联结导线截面积大约是Y联结导线截面积的1/3 倍，在绕制过程中,并列绕制导线根数减少,绕制相对容易，能有效降低员工的劳动强度。以KBSG-2500/10/1.2为例,额定一二次电流144.34A/1201.46A,联结组标号为Dd0,选用低压绕组为3 6 匝，根据电压比推算出高压主分级匝数为300匝。电磁线截面积选取，经验系数电流密度2A,高压电磁线选用2 根3 mm9mm，高压电流电密为1.4 1 9 A/mm。低压电磁线选用1 6 根3 mm11.8mm,电密为1.1 2 8 A/mm。高压、低压的电流密度均小于经验值,使变压器的温升有效降低,延长变压器的使用寿命，使变压器在运行中有更好的可靠性。1.4夹件部分考虑到三相五柱铁心低且长，安装紧固上下夹件时，铁轭硅钢片容易出现波浪形状，夹件变为“弓”形，导致两侧铁心夹紧力过大，中间硅钢片松动。因此在普通夹件结构基础上进行优化设计，设计夹件“T”型结构，如图3 所示，横腹板为2 0 mm钢.74板,1 6 mm厚的竖加强板与横腹板垂直焊接,从而增加横腹板的强度及刚度，高强度钢板通过拉紧孔拉紧铁轭,该结构牢固可靠紧密,有效降低空载损耗和噪音。回1-钢拉板拉紧孔；2-压钉孔；3-“一”横腹板；4-加强筋；5-吊耳；6-“1”竖加强板。图3 变压器夹件结构示意图1.5隔爆箱体部分隔爆箱体结构为长方形结构，上开盖结构，便于将较重的器身平稳放进箱体内。防爆箱体侧壁采用波纹式结构，无应力集中区,受力均匀。顶盖也采用波纹结构，该结构与传统圆弧盖相比散热面积增大23倍，温升可降低5 8 k,有效解决大容量矿用隔爆干式变压器散热困难的瓶颈。隔爆箱体对强度薄弱的部位用加强筋、角钢进行焊接加固，从而提高隔爆箱体的整体强度。箱盖上设4 个吊环，用在检修和装配时吊箱盖之用；箱体上设4 个吊板，用于起吊大容量矿用隔爆干式变压器之用。2三相五柱式DdO变压器制造工艺部分叠装式变压器制造工艺流程主要由硅钢片纵剪、横剪开料、铁心叠装、线圈绕制、真空干燥、浸漆固化、器身组装、进壳总装、试验完好等工序组成。硅钢片纵剪、横剪开料、铁心叠装、线圈绕制、真空干燥、浸漆固化、进壳完好试验这7 个工艺采用常规工艺制作完成，在器身组装试验部分结构进行优化完善，进行线圈套装及器身组装,将加工好的低压铜排、高压耐高温硅胶引线等配件按照设计要求进行器身组装。这里重点介绍引线装配后布线部分，主要是在高低压引线结构，与常规产品比较,该结构更加美观，装配更加高效，降低制造成本，实用性更强。2.1低压引线结构特点低压侧电流大，铜排又厚又宽，载流量较大，三相首尾端采用铜排引线垂直并列布置，根据电流的大小，可以调整铜排宽度，不会影响铜排与箱体之间电气间隙，三相绕组并列一排,相邻两绕组间隙处空间布置引线能够满足电气强度，这样既能满足低压引线与绕组间的电气间隙，又能合理利用箱体内部空间；引线铜排在木梳型导线夹的固定下，有效增加煤矿机电引线铜排的支撑强度，能够有效防止运输过程中带来冲击导致引线铜排晃动、铜排短接等现象；引线紧固处采用C级绝缘材料进行包扎，并用快干绝缘漆进行刷涂包扎，填充包扎缝隙，让绝缘材料变为整3.45E2023年第4 4 卷体，提高电气强度、爬电距离，如图4 所示；引线铜排与低压侧接线柱之间采用铜带进行软连接，铜带一6侧焊接在引线铜排，一侧通过螺栓固定到接线柱上，软连接在变压器送电冲击过程中能有效消除机械应力，防止接线柱套管炸裂。图4 低压引线布线实照2.2高高压引线结构特点高压引线选用耐高温硅胶线，比较容易弯曲，能够将引线做成需要的形状，只需要在绕组与引线焊接处用Nomex纸包扎,提高引线包扎效率。高压为D型联结,绕组首尾头电气强度一样,并且在绕组中部引出分接导线，考虑到高压引线间需保证电气间隙和爬电距离，同时还要兼顾高压分接头引线情况，因此布线结构为引线支架,其分为两种规格,靠近绕组内部支架为固定D型联结两根引线，外侧支架固定剩余引线，从下往上依次为首头引线A、B、C、A相分接、B相分接、C相分接,如图5 所示。支架与引线固定处都有限位槽，用玻璃丝带“8”字捆绑，提高分接引线的强度。干式变压器的高低压接线腔位于器身两侧，而高压分接引线装置在箱体上部，使变压器整体高度更紧凑，更符合客户要求。图5 高压引线布线实照引线完成的最后一道工序是全面检查和整理工作，主要是确保所有接线是否符合图样要求，每一根引线对地、对邻近的绕组、相邻的引线之间的绝缘距离是否符合技术要求。对达不到要求的部位应调整2023年第3 期其所处的位置,相邻的分接引线可以用绝缘布带绑扎，以固定位置。引线遇有尖角电极时,除保证一定绝缘距离之外,还应设法改善这一集中电场的分布。引线通过支架时，应加包绝缘增大爬电距离，还要保证夹持紧固可靠，各引线的布置横平竖直、美观大方。器身试验合格后方可吊装放入隔爆箱体内，将高低压套管、九芯端子安装、连接紧固，吊装上盖与箱体配套紧固隔爆面螺栓，完成总装配后对其进行例行试验。3测试数据变压器例行试验数据全部合格，如表1 所示。温升数据表如表2 所示。表1 测试数据表项目空载损耗空载电流负载损耗负载阻抗实验数据4 650标准值4.700表2 温温升数据表项目高压绕组低压绕组标准值/K150K实测值/K130.2 K采用绝缘耐温等级较高的R级绝缘材料，耐温220，温升限值1 5 0 K，通过试验，完全满足矿用隔崔中保等：三相五柱式DdO矿用隔爆型干式变压器的结构研究2017S.北京：中国标准出版社,2 0 1 7.2 陈宝志.三相五柱式变压器主轭和旁轭截面积的选取J.变0.41%103540.7%10 800铁心150K不损坏相邻的绝缘件133.6 K80K未损坏结缘件75爆型干式变压器绕组的温升，并且在温升设计方面留有裕度，可以延长变压器的使用寿命，过负荷能力显著提高，为煤矿安全生产提供更安全、更可靠的供电保障。4结论三相五柱式DdO矿用隔爆型干式变压器非常适合煤矿井下空间有限的薄煤层运行使用，满足薄煤层巷道的限高要求，并为此类煤矿使用大型机械设备提供较大电源；高低压侧都设计为三角形联结的绕组,对抑制变压器谐波有显著效果;产品结构稳定、运行安全可靠，对后续设计满足不同煤矿井下的矿用隔爆型干式变压器提供借鉴意义。参考文献：1 中国电器工业协会.矿用隔爆型移动变电站：GB/T82865.48%压器,2 0 0 5,4 2(7):1 3-1 8.5.5%3 石振华，阮夫明.矿用变压器铁心优化设计J.中国设备工程,2 0 1 7(1 8):6 8-6 9.4王璐.三相变压器的磁路对电势波形的影响J.工程技术研究,2 0 1 8(1 0):8 8.作者简介：崔中保（1 9 7 7 一），男，工程师。2 0 1 6 年毕业于太原理工大学。现主要从事矿用隔爆干式变压器研发设计制造工作，已发表论文2 篇。（收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 7；责任编辑：任雨晴）