浅谈提高 110 kV 级双绕组电力变压器抗短路能力的若干措施.pdf

浅谈提高110 kV级双绕组电力变压器 抗短路能力的若干措施 何晓天(衡阳变压器厂,衡阳421007) 摘要:分析了短路电动力在变压器绕组的作用情况,结合SFZ8—31 500/ 110实例,介绍了提高 110 kV级双绕组电力变压器抗短路能力的若干措施。 关键词:电力变压器 双绕组 抗短路能力 措施 Simple Discussion on Measures of Strengthening the Ability to Withstand Short - Circuit of 110kV Two - Winding Power Transformers He Xiaotian Hengyang Transformer Factory , Hengyang 421007 Abstract :The short - circuit force action on transformer is analyzed in this paper , and some measures of strengthening the ability to withstand short - circuit of 110kV two - winding power transformers are introduced in combinationwith anSFZ8 -31500/ 110kV transformer example. Key words :Power transformer ,Two-winding , Ability to withstand short-circuit , Measure 近年来,由于各种原因,外部短路引起大中 型变压器损坏的事故屡有发生,且呈逐年上升 趋势,提高变压器抗短路能力越来越为变压器 制造、 运行部门重视。本文结合衡阳变压器厂 在国家变压器质量监督检测中心虎石台强电流 试验室通过短路试验的SFZ8 - 31 500/ 110双 绕组有载调压电力变压器(阻抗10. 5 %)的实 例,从分析短路电动力作用情况出发,浅谈提高 110kV级电力变压器抗短路能力的措施。 1 短路时电动力分析 变压器绕组的载流导体处在漏磁场中而承 受电动力的作用。在额定电流下,电动力并不 大,在短路时,电动力将剧增,甚至可能造成变 压器损坏。由于短路过渡过程中的电流是连续 变化的,而绕组及其部件在电动力的作用下也 会产生位移,这种位移与绕组及其部件的材料、 惯性力及预压紧力在位移时作用的摩擦力有 关,因此短路时电动力的分析是一个相当复杂 的动态过程分析,对此问题国内外进行了大量 的分析研究。下面简要地定性叙述短路电动力 在变压器绕组及其部件的作用情况。 1. 1 径向电动力 漏磁场的轴向分量与短路电流相互作用, 对绕组产生径向力。由于漏磁场感应强度呈三 角形分布,作用在绕组导线上的力与导线所在 第35卷 第1期 1998年1月 变压器 TRANSFORMER Vol. 35 J anuary No.1 1998 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 处的磁场感应强度成正比,所以挨近漏磁场主 空道的导线所承受的作用力最大,即线段各线 匝承受的径向应力不同。采用弹性模数较高的 绝缘材料可使各线匝承受的机械应力分布得更 均匀。 径向力向内作用在内绕组上力图使导线 长度缩短,在绕组导线中出现压应力。同时,由 于绕组内撑条的存在而出现局部弯曲,还出现 了弯曲应力。径向力向外作用在外绕组上,力 图使导线伸长,在绕组中出现了拉应力。为了 提高变压器绕组的整体稳定性,目前变压器绕 组设计均采用了外撑条,同样在外绕组也会出 现弯曲应力。径向合应力为压(拉)应力与弯曲 应力之和。合应力的大小与撑条材料的弹性有 关,并且随着材料弹性的增大而增大。同时,径 向合应力与撑条数的关系也与撑条的材料弹性 有关。 1. 2 轴向电动力 轴向电动力由两部分组成,一部分是由漏 磁场的端部弯曲而呈现出的横向分量与短路电 流相互作用产生的轴向力,一般称为轴向内力。 其作用方向对内外绕组均是压缩绕组,力图使 绕组高度降低。轴向内力在绕组的端部具有最 大值,而在绕组高度中心减小到零,此后改变符 号。轴向内力使绕组的线匝向竖直方向弯曲并 压缩线段间的垫块。最大的弯曲力产生在位于 绕组端部的线段,但最大的压缩力则出现在位 于绕组高度中心的垫块。试验确定,大约60 % ～70 %的变压器漏磁通与内绕组相交链,而仅 有30 %～40 %的漏磁通与外绕组交链,所以作 用在内绕组的轴向内力约为外绕组的两倍。 轴向电动力的另一部分是由于一对内、 外 绕组磁势不均匀(安匝不平衡)而出现的横向漏 磁场与短路电流作用而产生的轴向力,一般称 为轴向外力。轴向外力的作用方向与横向漏磁 通的方向有关,在一对内、 外绕组上产生的作用 力大小相同、 方向相反。 绕组上承受的轴向力为轴向内力与轴向外 力的矢量和。 1. 3 周向电动力 流经变压器绕组中的电流从首端到末端可 视为一个等效的轴向电流矢量。等效轴向电流 与横向漏磁场相互作用产生周向电动力而力图 使绕组中的线段产生圆周运动。通过分析可以 知道,周向电动力在绕组端部的作用方向使绕 组出头回弹。周向电动力的作用在大电流的螺 旋式低压绕组和多个电流并行流过的螺旋式高 压调压绕组上更为显著。 2 提高变压器抗短路能力的方法与措 施 为提高变压器抗短路能力,我们根据短路 时变压器绕组承受的三种电动力及其作用情 况,针对110kV级变压器的传统结构和工艺, 在设计和工艺方面采取了一些重要的改进措 施,现简述如下。 2. 1 电磁计算 参数选择要合理。在保证性能指标、 温升 限值的前提下,综合考虑短路时的动态过程。 从保证绕组稳定性出发,合理选择撑条数、 导线 宽厚比及导线许用应力的控制值。在进行安匝 平衡排列时根据额定分接和各极限分接情况整 体优化,尽量减小不平衡安匝。要考虑到作用 在内绕组上的轴向内力约为外绕组的两倍,尽 可能使作用在内绕组上的轴向外力方向与轴向 内力方向相反。 2. 2 绕组结构 绕组是产生电动力又直接承受电动力的结 构部件。要保证绕组在短路时的稳定性,就要 针对受力情况,使绕组在各个方向有一个牢固 的支撑。具体做法是:内绕组内侧设置硬绝缘 筒,所有绕组设置外撑条,并保证外撑条可靠地 压在线段上。对单螺旋低压绕组首末端均端平 一匝以减少端部漏磁场畸变。对等效轴向电流 大的低压和调压绕组,针对周向电动力采取特 殊措施固定绕组出头,并在出头位置和换位处 采用适形垫块以保证绕组稳定性。 2. 3 器身结构 器身绝缘是电动力传递的中介,要保证电 动力作用时各方向均有牢固的支撑和减小相关 22 变压器 第35卷 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 部件受力时的压强,在设计时采用整体相套装 结构,内绕组硬绝缘筒与铁心柱间用撑板撑紧, 以保证内绕组上承受的压应力均匀传递到铁心 柱上。合理布置压钉位置和选择压钉数量并设 计副压板,以减小压钉作用到绝缘压板上的压 强和压板的剪切应力。 2. 4 铁心结构 轴向电动力最终作用在铁心框架结构上。 如果铁心固定框架产生局部结构失稳和变形, 将导致绕组失稳而变形损坏。因此,设计时铁 心各部分结构件强度要留有充分的裕度,各部 件间尽量采用无间隙配合和互锁结构,使变压 器器身成为一个坚固的整体。 2. 5 工艺控制和工艺手段 一个好的设计需要有效的工艺手段来控 制。对一些关键工序如垫块预处理、 绕组绕制、 绕组压装、 相套装、 器身装配时预压力控制等方 面进行严格的工艺控制,以保证设计要求。 3 实例 我厂按上述方法和措施生产的一台双绕组 有载调压电力变压器于1996年4月在虎石台 强电流试验室一次通过短路试验,得到验证,试 验前后最大电抗差0. 3 %。 (收稿日期:1997—10— 21) 特高压变压器开发信息 为适应日益增长的对电能的需求,发达工业国家 都在致力于1 000kV级特高压输电线路的开发。各国 1 000kV级 特 高 压 输 电 线 路 确 定 的 电 压 分 别 为 1 000kV ,最高电压1 050kV (巴西、 加拿大、 意大利 ) ; 1 000kV ,最高电压1 100kV (日本) ;1 100kV ,最高电 压1 200kV(美国) ;1 150kV ,最高电压1 200kV (前苏 联)。我国国家标准GB156—93《标准电压》 确定我国 1 000kV级特高压输电线路的电压为1 000kV ,最高电 压1 200kV。 各国均投入了大量人力、 物力对1 000kV级变压 器进行开发,并已研制出样机投入电网试运行。 由于受运输尺寸和重量的限制,并考虑备用,目前 研制出的1 000kV级样机均为单相变压器。 对1 000kV级变压器,目前一般还都是采用油浸 式结构,但很多专家提出,可以采用SF6气体绝缘结 构。出席国际大电网会议的一些科学家认为,特高压 输变电设备只能采用SF6GIS ,因为其体积小、 重量轻、 防火、 维护方便,可靠性高,绝缘性能好。1 000kVSF6 试验变压器已安全运行多年,因此,1 000kV级SF6电 力变压器可靠性也是没有疑问的。在1 000kV级 SF6GIS中,除了变压器、 开关采用SF6气体绝缘结构以 外,其他如互感器、 电容器、 氧化锌避雷器、 瓷套、 电缆 头、 封闭母线等也都采用SF6气体绝缘结构。 1 000kV级变压器的铁心结构仍然有两种,一种 是心式,一种为壳式,目前已试制的样机大多数采用心 式结构,少数采用壳式结构。日本三菱电机公司赤穗 制作所试制的1 000kV级变压器即为壳式结构。该变 压器采用双分裂、 双箱,在工厂预装试验合格后,再拆 开运输,在现场通过采用通用底架及高精度定位销、 档 块等进行高精度安装。 两台1 000kV级电力变压器样机的主要参数如 下。 德国TU公司产品 电压:1 200/ 3/ 400/ 3/ 30kV 容量:通过容量4 000/ 3MVA 第三绕组容量400MVA 总重:610t 器身重:403t 运输重:450t 日本三菱电机公司产品 电压:1 050/ 3/ 525/ 3/ 147kV 容量:通过容量3 000/ 3MVA 第三绕组容量400MVA(40 %) 短路阻抗:18 % 噪声:65dB 运输尺寸 :8m( 长)31 1m( 宽)41 1m( 高) 32 第1期 何晓天:浅谈提高110kV双绕组电力变压器抗短路能力的若干措施 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.