变压器内绕组参数设计对其辐向抗短路能力的影响

王欣伟，俞华，韩建中

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

变压器内绕组参数设计对其辐向抗短路能力的影响

王欣伟，俞华，韩建中

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

通过变压器抗短路能力校核软件，对变压器内绕组的辐向抗短路能力进行计算。改变变压器内绕组参数值，观察其对变压器内绕组辐向稳定性的影响。通过计算和分析，得出影响变压器内绕组辐向稳定性的因素和原因。

电力变压器；辐向抗短路能力；内绕组；计算

0 引言

变压器抗短路能力与变压器的设计、选材、工艺、试验、运输、安装等诸多方面的因素密切相关，其中变压器的设计计算是变压器抗短路能力强弱的基础，在设计计算的过程中，不仅要考虑安匝平衡和三相对称出口短路等情况，而且还要留有充分的裕度。本文通过改变变压器内绕组参数，计算内绕组抗短路能力的强弱的变化，讨论参数调整对变压器抗短路能力的影响。

1 计算原理及相关概念

基于变压器内部漏磁场分析和电动力分析，使用ANSYS软件模块进行计算校核，磁位或通量等未知量（自由度）通过有限元方法计算。

1.1 短路电流的计算

1.2 漏磁通与辐向作用力[1]

三相三绕组变压器在不同运行方式下（或为电源侧或为负载侧）的轴向漏磁分布图和辐向作用力方向示意图见图1。轴向漏磁通分量产生辐向短路力，在发生短路时，每个绕组在辐向都有两个作用力，求其合力，便可知绕组受力为辐向拉伸力或辐向压缩力。以F12和F21为例，F12为绕组2对绕组1的作用力；F21为绕组1对绕组2的作用力。

图1 三相三绕组变压器的轴向漏磁分布和辐向作用力方向示意图

1.3 相关概念

变压器抗短路能力关键在于内绕组受力分析，特别是辐向受力分析。辐向稳定系数是指内绕组临界失稳强度和内绕组承受短路力的比值，辐向稳定系数大于2.0时，则该变压器内绕组有较强的耐受辐向短路力的能力；小于2.0，则内绕组辐向抗短路能力较差。

2 变压器参数及计算结果

以某220 kV变压器内绕组的参数设计为例，如表1所示，为变压器的内绕组主要参数，变压器内绕组所用导线为自粘换位导线。

以变压器内绕组辐向受力为例,根据GB 1094.5—2008《电力变压器—承受短路的能力》规定：35 kV系统的短路容量为1 500MVA，110 kV系统的短路容量为9 GVA，220 kV系统的短路容量为18GVA，系统阻抗非对称短路电流的冲击系数（K）为2.687。表2为变压器内绕组辐向抗短路能力计算校核结果。通过计算结果得知，该变压器内绕组辐向稳定系数为2.24。

表1 计算变压器内绕组结构参数

表2 计算结果

3 内绕组临界失稳强度

通过计算结果表2得知，变压器内绕组所受力为辐向压缩力，变压器内绕组辐向临界失稳强度为353.1N/mm，通过改变内绕组参数，观察辐向临界失稳强度的变化。

变压器临界失稳强度的大小，与内绕组内外径大小有关，分别将内绕组内外径增大25mm和减小25mm，观察临界失稳强度的变化。由表3知，随着内外径的增大，临界失稳强度减小，随着内外径的减小，临界失稳强度增大。

表3 内绕组内外径的变化对临界失稳强度影响

由表1知，变压器的线规为1.70×6.4（mm）。在绕组导线总截面积以及辐向宽度不变的情况下，改变绕组的并联根数，改变单根导线的辐向厚度。观察表4知，在绕组导线总截面积以及辐向宽度不变的情况下：线规的大小与临界失稳强度成正比。

表4 临界失稳与导线线规的计算对比

变压器临界失稳强度的大小，与变压器的内撑条数量有关，改变内撑条数量，观察临界失稳强度的变化。由表5知，内撑条数量与临界失稳强度的大小成正比。

表5 内绕组内外撑条变化对临界失稳强度影响

变压器临界失稳强度的大小，与变压器的绕组导线结构有关。假设在理想情况下[2]，将变压器的自粘换位导线改为普通半硬扁铜线，且增大绕组每根导线的辐向厚度，其他参数不变，观察内绕组的辐向稳定性。由表6知，自粘换位导线的绕组稳定性要明显好于普通半硬扁铜线。

表6 内绕组导线结构变化对临界失稳强度影响

变压器临界失稳强度的大小，与变压器的σ0.2有密切关联。将变压器的σ0.2从150MPa降低为90 MPa时，其临界失稳强度降低2.1倍，若σ0.2＞150MPa时，临界失稳强度会增强。但在有些情况下，绕组短路时所产生的视在压缩应力值没有超过导体材料的名誉屈服极限σ0.2，但却超过了线饼辐向失稳的平均临界应力值，也能造成绕组在短路电磁力作用下的辐向失稳。

4 内绕组所受短路力

表2计算结果的短路电流值为35 160 A，它是瞬变短路电流值，变压器绕组承受的短路力与瞬变短路电流的平方成正比。内绕组所承受的短路力为157.5N/mm。

变压器内绕组所受短路力的大小，与变压器内绕组的匝数、几何高度和线饼数量有密切的关联。假设在理想情况下，改变以上参数的大小（减少或增大10%），而其他参数保持不变，通过计算，结果如表7所示。

由表7知，变压器内绕组匝数与漏磁通密度成正比；变压器内绕组几何高度与漏磁通密度成反比。漏磁场是产生机械力的根本原因，绕组所受短路力与漏磁通密度成正比。从变压器设计的角度来说，要尽量降低漏磁通，减小漏磁通密度。而短路阻抗由漏磁通产生，降低变压器的短路阻抗百分数，即减小变压器的漏磁，但这也将导致短路电流的增大。变压器内绕组线饼数量与漏磁通密度无关，通过计算可知，线饼数量与承受短路力成反比。

表7 承受短路力与绕组参数变化的计算对比

5 计算总结

变压器临界失稳强度的大小，与绕组内外径大小、线规大小、撑条数量、绕组导线结构和σ0.2有关。减少内撑条数量和减小变压器σ0.2屈服强度，内线圈辐向失稳强度变小，其中σ0.2屈服强度的大小，对变压器临界失稳强度的影响较为明显；在辐向宽度不变以及绕组导线总截面积的情况下，线规的大小与临界失稳强度成正比；变压器临界失稳强度的大小，与内绕组内外径大小成反比；变压器内绕组辐向稳定性的好坏，与绕组导线结构有密切关联，自粘换位导线结构的强度明显好于普通半硬扁铜线。

变压器内绕组所受的辐向短路力的大小，与变压器内绕组的匝数、几何高度和线饼数量有关。其中内绕组的匝数与变压器最大漏磁通密度的大小成正比；内绕组几何高度与漏磁通密度成反比；内绕组线饼数量与漏磁通密度无关，与承受短路力成反比。

［1］谢毓城主编.电力变压器手册［M］.北京：机械工业出版社, 2002：142-143.

［2］洛君婷.变压器绕组导线对抗短路能力的影响［J］.变压器，2010，47（5）：16-19.

Influence of Parameters Design of Transformer’s Inner W inding on Its Radial Ability to W ithstand Short Circuit

WANG Xin-wei，YU Hua，HAN Jian-zhong
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

The power transformer’innerwinding about radialability towithstand shortcircuitwas calculated by calculating software. Through changing the parameters of power transformer’s inner winding,its influence on radical stability of power transformer’s inner winding was observed.Through calculation and analysis,the factors and reasons affecting radical stability of power transformer’s inner windingwereobtained.

transformer；radialability towithstand shortcircuit；innerwinding；calculation

TM403.2

A

1671-0320（2014）01-0035-04

2013-10-09，

2013-12-21

王欣伟（1979-），男，山西阳泉人，2009年毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专业，工程师，从事电气设备绝缘试验工作；

俞华（1980-），男，江西东乡人，2007年毕业于湖南大学电器专业，工程师，从事变压器试验研究、变压器故障诊断工作；

韩建中（1954-），男，山西五台人，1975年毕业于山西省电力学校，工程师，从事电气设备绝缘试验工作。