变压器引线电流在铁心中引起的环流及防止局部过热分析

王 凯 李志伟 张 栋 赵 峰 冉庆凯



变压器引线电流在铁心中引起的环流及防止局部过热分析

王 凯1李志伟1张 栋1赵 峰2冉庆凯1

（1. 保定天威保变电气股份有限公司，河北保定 071056； 2. 保定天威集团特变电气有限公司，河北保定 071056）

本文应用有限元计算软件，对发电机变压器低压绕组及引线在铁心及结构件中引起的环流进行了仿真计算，并对不同结构的载流进行了分析。

发电机变压器；回路；环流

单相高电压、大容量的发电机变压器低压绕组一般采用螺旋式绕组，低压绕组上、下出头分别引出后用引线连接至油箱顶部的低压套管，所以下低压出头的连接引线较长。

发电机变压器的低压电流较大，引线所产生的漏磁也较大，而较长的引线长度更加加剧了漏磁对变压器其余部件的影响，其中铁心结构件距离较近，耦合情况良好，受其影响也最大。

1 结构件环流产生机理及理论计算

在变压器低压侧，低压绕组、连同低压上下引线闭合形成电流回路，而此电流回路与变压器铁心结构件回路产生电磁耦合，进而使得铁心结构件中产生环流，如图1、图4所示。

发电机变压器的低压电压较低，电流较大，致使铁心结构件中的耦合感应电流也较大，容易产生局部过热现象。而不同结构的采用，也会使得铁心结构件环流的产生位置、大小均不相同；采取相应的结构措施避免局部过热现象的发生，尽可能地减小环流的产生和增大环流通路的载流能力已成为结构设计中的重中之重。

下面以一台380MVA/500kV发电机变压器为例，针对不同载流结构进行有限元计算。

高压额定电压为525kV，低压额定电压为27kV，低压绕组（引线）额定电流为14074.1A，铁心直径为1440mm，窗高为2660mm，相中心距为1835mm，低压绕组高为2385mm，低压绕组平均半径为850mm。

如图4所示结构，对低压线圈轴向分量电流所产生的铁心结构磁路的感应电动势进行理论计算。

每个铁窗所通过磁通为

=（1）

得出

根据衰减曲线折算后，得到

（3）

引线漏磁在框内所产生的电动势如下。

右框内垂直引线所产生的穿窗磁通为

水平引线所产生的磁通较小，忽略不计。

进而可得到，右框回路内感应电压为2.76V，左框由于引线影响较小，仅为0.6V，低压引线电流磁通引起的感应电势起主导作用。

下面通过有限元对不同载流结构进行计算，并进行分析，从而找出防止局部过热的措施及优选结构。

2 铁心夹件、拉板回路载流结构（结构1）

铁心上夹件、下夹件、主柱拉板、旁柱拉板联通为一体。上夹件—主柱拉板—下夹件—旁柱拉板形成闭合回路，低压绕组和其引入-引出引线回路与铁心结构件回路、铁心叠片回路构成耦合电路，这样在铁心结构件回路，铁心回路就会产生感生电流，感生电流的大小和回路位置和回路电阻大小直接相关。对变压器按1∶1建立低压侧1/2模型，如图1所示，高、低压绕组给额定电流，低压绕组考虑电流轴向分量产生的影响。叠片内感应电流透入深度约为10.38mm，末级铁厚度为12mm，所以对末级铁进行叠片分层处理，并通过计算步进搭接位置片间电流穿越面积，计算其片间电阻，而后根据计算结果对末级分层处理部分给定较大的电阻率，以模拟环流位置电阻。低压引线给定额定电流。

由于夹件的电流面密度多为涡流，所以从直观上看，铁心夹件左右两侧并无很大差别，如图2所示，但从旁柱拉板的电密上可以看出很大不同。对连通后夹件及拉板流经电流进行积分，左环电流为133.3A，右环电流为713.8A。从电流积分结果可以看出左、右两回路感生电流明显不同，从图1模型和图4示意图可以看出，左侧为低压首端，从上部出线，路径短，且未和绕组形成较大回路，在上夹件—主柱拉板—下夹件—左旁柱拉板构成的左框中感生电流较小；右侧为低压末端，从绕组下部引出，并经过内部引线引到上部出线，这样末端出线路径长，且基本和低压绕组构成回路，此回路在上夹件-主柱拉板—下夹件—右旁柱拉板形成的回路中感生出较大电流。

图3 铁心末级叠片电流分布云图

图4 感生电流示意图

由漏磁引起的铁心回路环流和铁心结构件回路环流呈现相同分布情况，左框环流小，右框环流大。但由于铁心结构件的抗磁效应，铁心末级铁环流明显较小，电密分布如图3所示，经积分，左环电流为6.5A，右环电流为40.5A。

由上述计算可看出，当夹件-拉板回路导通，低压绕组-低压引线回路将在铁心结构件回路和铁心叠片回路中感生出电流，结构件右侧回路电流较大。在此结构当中需引起关注：因夹件和拉板之间为机械连接，连接部位的接触面积应足够大，且应采取措施，保证接触良好，如出现接触不良，易出现局部过热现象。

3 铁心末级叠片回路载流结构（结构3）

为避免结构一中的电流回路（夹件与拉板之间的螺纹机械连接位置）由于长期运行震动而导致的接触不良；将旁柱拉板和下夹件连接处进行绝缘，即上夹件、主柱拉板、下夹件、旁柱拉板之间绝缘断开、不再形成闭合电流回路。这样铁心结构件的环流抗磁回路断开，使得大量漏磁进入铁心叠片。铁心叠片同样为电导体，在铁心叠片中感生的电流将增加。这样需对铁心叠片结构进行特殊设计，传统的45°斜接缝和步进搭接接缝结构，搭接面积小，接缝处存在气隙，电阻大，而且在叠装及吊运中容易产生虚接，叠片的接缝位置极易产生局部过热。

为此，在铁心末级叠片采用90°搭接接缝结构，增大片间接触面积，如图5所示。此结构为国内首创，此结构在铁心末级叠片与次末级叠片之间设置铁心油道，加强对铁心末级散热，同时油隙的高磁阻将漏磁隔绝在末级铁心叠片中。对除末级铁外的其它铁心叠片，采用斜接缝，步进搭接结构。这样铁心末级叠片即起到载流作用，同时遏制了漏磁在铁心叠片中引起的局部过热。

1—拉板；2—铁心散热油道；3—铁心末级叠片

按同样方式建模进行有限元计算，铁心末级叠片电流分布如图6所示，左环电流为23.4A，右环电流为136.6A。铁心环路电流比结构一明显增大。

图6 铁心末级叠片电流分布云图

4 铜补偿环载流结构（结构3）

将铁心结构件回路绝缘，在铁心表面加铜补偿环，使铜补偿环沿各个铁心窗口形成短路环，抑制低压绕组-引线回路在铁心中的感生电流。经有限元计算，如图7所示，铜补偿环左环电流为185.0A，右环电流为1022.0A。铁心末级铁环流如图8所示，左环电流为0.8A，右环电流为0.9A，铁心末级叠片回路中环流几乎没有。同时铜材具有良好的抗磁作用，使铁心结构件涡流损耗明显降低。

铜材具有良好的抗磁作用，且铜短路环为非承力结构，不存在虚接，此结构的抗磁效果最好，无局部过热现象，但结构复杂，成本高。

5 结论

低压绕组—引线在铁心中感生电流见表1。

表1 不同铁心结构感生电流对比表

根据感生电流对比及各种载流结构特点，得出结论如下：

1）结构1最为简单，但结构件感生电流大，连接部位的接触面积应足够，结构件应可靠连接，防止虚接。

2）结构2末级叠片感生电流大，应防止末级叠片出现虚接现象，末级铁宜采用90°搭接结构，且应有充分的散热。

3）结构3抗磁效果最好，但结构复杂，成本高。

通过以上分析可知，如果措施得当，那么以上3种结构均能有效载流，遏制漏磁在铁心及结构件中引起的局部过热，其中，结构3抗磁效果最好，损耗低，可靠性高，建议在条件允许的情下，采用结构3方案。

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Analysis of the Circumfluence in the Core Caused by Transformer’s Lead Circuit and Preventing Partial Overheating

Wang Kai1Li Zhiwei1Zhang Dong1Zhao Feng2Ran Qingkai1

(1. Baoding Tianwei Baobian Electric Co., Ltd, Baoding, Hebei 071056; 2. Baoding Tianwei Group Tebian Electric Co., Ltd, Baoding, Hebei 071056)

Applied finite element calculation software to simulated the circumfluence in the core and structure parts caused by the circuit in LV winding and lead of generator transformer, and analyse the circuit in different structure.

genarator transformer; circuit; circumfluence

王 凯（1977-），男，保定天威保变电气股份有限公司高级工程师，主要从事500kV及以上大型变压器设计制造工作。