大容量单相发电机主变压器结构分析

2021-07-07王春钢刘力强杜振斌

电气技术 2021年6期

王春钢刘力强杜振斌,2

（1. 保定天威保变电气股份有限公司，河北保定 071056； 2. 河北省输变电装备电磁与结构性能重点实验室（筹），河北保定 071056）

0 引言

单相大容量发电机主变压器是发电厂的重要设备之一，其常见的结构型式有单柱双绕组、单柱三绕组和双柱双绕组，其可靠性和经济性对于发电厂的运行及电网的稳定性至关重要。随着近年来发电机组容量的不断提升，主变压器的容量也在不断突破，合理的结构选型对于主变压器的设计至关重要。

三峡乌东德项目主变压器运输条件极其不便，需采用铁路和公路联合运输的方式，主变压器的设计需要同时考虑铁路运输时的尺寸限制及公路运输时尽量减轻运输质量的要求，在此限定条件下三种常见结构型式主变压器的性能和特点极其明显，本文以该项目主变压器技术参数为例对三种结构的主变压器进行分析[1-16]。

1 基本参数

变压器型式：单相无励磁调压强迫油循环水冷却电力变压器。

额定容量：315/315MV·A。

联结组标号：Ii0（三相组YNd11)。

短路阻抗：15%～17%。

2 基本结构型式

单柱双绕组结构由于简单而在发电机变压器设计中被普遍采用。当变压器容量较大，短路阻抗较小，且对运输高度有限制时，单柱双绕组结构不再适用，通常采用单柱三绕组结构或双柱双绕组结构。

2.1 单柱双绕组结构

主变压器为单相三柱式铁心，在铁心的主柱上有低压绕组和高压绕组两个绕组，低压绕组通常为单层或是双层螺旋式结构，为降低变压器器身端部绝缘水平，简化器身端部绝缘结构，高压绕组通常采用中部出线结构，绕组的首端采用内屏蔽式或是纠结式来其改善其冲击性能。单柱双绕组结构器身示意图如图1所示。

图1 单柱双绕组结构器身示意图

2.2 单柱三绕组结构

单柱三绕组结构是将高压绕组拆成两部分，从铁心侧由内向外依次为内高压绕组、低压绕组、外高压绕组，内高压绕组与外高压绕组串联构成高压绕组，内高压绕组通常采用螺旋式结构，铁心、外高压绕组、低压绕组与单柱双绕组结构相同。单柱三绕组结构器身示意图如图2所示。

图2 单柱三绕组结构器身示意图

2.3 双柱双绕组结构

双柱双绕组结构变压器是利用单柱容量减半的方式来满足运输尺寸要求，铁心采用单相四柱式，设有两个主柱，在每个主柱上均有低压和高压两个绕组，绕组结构与单柱双绕组结构相同，两个柱的高压和低压绕组采用并联或串联结构。双柱双绕组结构器身示意图如图3所示。

图3 双柱双绕组结构器身示意图

3 结构对比分析

三种结构由于绕组数量、单柱容量的不同，其铁心直径、运输尺寸、运输质量等均不相同，相同效率下经济性也有所差异，变压器的漏磁控制、绝缘设计也各有不同，三种结构性能参数对比见表1。

表1 三种结构性能参数对比

3.1 变压器铁心尺寸

变压器铁心直径与单柱电磁容量直接相关，以示例工程主变压器为例，其单柱电磁容量即为变压器单柱容量，若采用单柱双绕组结构，需设计成较大铁心直径和较高的轴向高度才能满足要求，铁心直径需要在1 500mm以上，铁心窗高在2 700mm以上。对于更大容量的变压器，由于当铁心尺寸增大至一定程度后，对于变压器铁心的绑扎、紧固及变压器运输、运行过程中的紧固等都将提出更高的要求，因此该结构的选用受到一定限制。

4，你们的尕什么我们的尕娃哈什么了！(你的孩子某某打了我们的孩子。有两个“什么”，前者是指打人的孩子，后者是代指“打”的意思)

单相三绕组结构由于高压绕组分裂成了内高压和外高压两部分，变压器的单柱等效容量需要进行折算，折算公式为

式中：S′为变压器的等效单柱容量；W1为内高压和外高压两个绕组匝数中的最大值；WH为内高压和外高压绕组的匝数和；SN为变压器的额定容量。

由式（1）可以看出，当内、外高压匝数比例分别为高压绕组总匝数的20%和80%时，变压器的等效容量将降低至额定容量的80%，由于变压器铁心直径的比值与容量比关系见式（2），因此单柱三绕组结构铁心直径约为单柱双绕组结构的95%，在保证阻抗的情况下，采用该结构的铁心窗高可比单柱双绕组结构降低约10%。

式中：k为铁心直径的比值。

双柱双绕组结构是将变压器设计在两个结构完全相同的主柱上，两个主柱的容量均为变压器额定容量的1/2，由式（2）可知其铁心直径约为单柱双绕组结构的85%左右，对于限定高度和宽度尺寸下变压器的设计将更容易实现。

3.2 变压器的运输方案

1）运输尺寸方面：单柱双绕组结构单柱容量大，因而其运输高度通常很难降低，示例工程采用此结构的运输高度达到4.58m；而单柱三绕组结构由于在变压器器身的幅向上多了一个绕组，因而其宽度是三种结构中最宽的，比单柱双绕组结构宽了约0.36m左右，但运输高度降低了0.46m；三种结构中双柱双绕组结构运输宽度和运输高度最小，但是此结构的运输长度比其他两种结构长约3m。

2）运输质量方面：单柱三绕组结构由于其铁心直径和铁心窗的高度均小于单柱双绕组结构，对于运输有限重要求时，采用此结构更容易减轻变压器的运输质量，示例方案运输质量比单柱双绕组结构降低了约9.6%，而双柱双绕组结构是三种结构中运输质量最大的，比单柱双绕组结构运输质量增加约4.6%。

3）运输车型方面：单柱双绕组结构由于其运输高度的原因只能采用落下孔车运输；单柱三绕组结构其运输高度和质量均有效降低，可以采用180t凹底车进行运输；而双柱双绕组结构由于运输质量的原因需要采用210t凹底车进行运输。三种结构中单柱三绕组结构运输成本最低。

3.3 技术经济性分析

当变压器的铁心磁通密度和效率均保持不变时，单柱三绕组结构由于铁心直径和高度均远小于单柱双绕组结构，其铁心硅钢片的用量有效减少，有效提升了变压器的空载性能，其空载损耗降低了约9.5%，而双柱双绕组结构和单柱双绕组的空载损耗基本相当。

4 结构可靠性分析

随着发电机主变压器容量的增大，变压器结构的可靠性变得尤为重要，其中漏磁控制和防止局部过热、绝缘设计、引线设计、组部件选型等均需要重点考虑。

4.1 变压器的漏磁控制

三种结构的漏磁分布各不相同，双绕组结构漏磁通分布如图4（a）、图5（a）所示，典型的双绕组结构仅有一个纵向漏磁组，而单柱三绕组结构由于高压绕组幅向分裂为内、外两部分，根据磁势平衡定律，低压绕组的磁势与两部分高压绕组的磁势平衡，具有两个纵向漏磁组，分别如图4（b）、图5（b）所示。

图4 漏磁分布示意图

图5 漏磁分布断面矢量图

利用漏磁场仿真分析软件对三种结构漏磁分布进行仿真，结果如图6所示，由于单柱双绕组结构的单柱容量为变压器额定容量，因此其漏磁通密度是三种结构中最高的，由仿真计算可以看出其主空道纵向漏磁通密度约为0.37T，如图6（a）所示；而单柱三绕组结构虽然其单柱容量与单柱双绕组结构相同，但是由于存在两个纵向漏磁组的原因其最大纵向漏磁通密度仅为单柱双绕组结构的85%左右，如图6（b）所示；双柱双绕组结构漏磁分布与单柱双绕组结构相似，但是由于单柱容量降低了1/2，因此其纵向漏磁通密度约为单柱双绕组结构的75%，如图6（c）所示。三种结构中双柱双绕组结构漏磁最小，对于大容量变压器的漏磁控制最容易实现，而单柱双绕组结构漏磁控制难度最大。

图6 三种典型结构漏磁分布仿真结果

4.2 变压器的绝缘设计

单柱双绕组结构和双柱双绕组结构均为典型发电机主变压器结构，变压器绕组内部的绝缘特性基本相同，所不同的是双柱双绕组结构还需要考虑双柱间的连接引线的绝缘设计，而单柱三绕组结构由于高压绕组分裂为两部分，其绝缘设计需要特殊考虑。

由于感应耐压试验时绕组中的电位与绕组的匝数成正比，双绕组变压器的高压绕组从首端至绕组末端沿线饼线性降低，如图7（a）所示。而三绕组结构由于内外高压绕组匝数比的不同，在每个绕组上呈线性降低，内、外高压绕组连接引线处的电位与两个绕组匝数的比例有关，如图7（b）所示。当内高压绕组匝数较多时，其连接电位会升高得多，绕组端部的绝缘设计和连接引线处的绝缘设计需要按此电位进行考虑。

图7 感应耐压试验时绕组中电位分布

利用变压器波过程计算软件对三种结构在雷电冲击入波时绕组上的电位进行仿真计算，结果如图8、图9所示。

图8 高压首端入波绕组对地电位分布

图9 高压中性点入波绕组对地电位分布

高压首端雷电冲击入波时双绕组结构的对地电位在绕组中部会略有振荡，可达到首端入波点电位的约85%，如图8（a）所示；而三绕组结构的外高压绕组上的振荡电位会低一些，约75%，内外高压绕组连接引线处的电位约为首端入波点电位的10%，如图8（b）所示。

中性点入波时双绕组结构各线饼的电位从绕组末端向首端沿线饼振荡降低，如图9（a）所示，而三绕组结构却是在内高压绕组上从末端向首端沿线饼振荡升高，最高电位达到入波点电位的190%，而内、外高压连接引线处的电位也达到入波点的180%左右，如图9（b）所示。因此三绕组结构中外高压绕组末端的对地冲击绝缘水平要比双绕组结构高得多。

需要说明的是，三绕组结构内、外连接引线和绕组中振荡电位的大小与绕组的匝数比有关，如图10所示，当内、外高压绕组匝数比例变化时，振荡电位的大小需要结合实际方案进行详细计算。