20MVA低阻抗大电流干式脉冲短路变压器的研制

20MVA低阻抗大电流干式脉冲短路变压器的研制李永新，郭峰，易吉良（顺特电气设备有限公司，广东顺德528300）摘要：对低阻抗大电流干式脉冲短路变压器的设计和结构特点进行了，并给出了阻抗试验数据对比。关键词：脉冲短路变压器；低阻抗；大电流；设计；试验中图分类号：TM402文献标识码：B文章编号：1001－8425（2012）06－0005－041前言我公司最近为中科院合肥物质科学研究所研制了一台容量为20MVA的脉冲短路变压器，用于ITER交流测试平台为晶闸管变流器提供试验电源。由于ITER交流测试平台的系统阻抗较大，用户要求变压器的阻抗为3%，以确保变压器输出要求的脉冲短路试验电流。因此，如何保证变压器阻抗的实测值符合用户的要求并确保三相阻抗基本平衡是该变压器设计的关键。我公司在产品装配完工后测试变压器阻抗时，发现阻抗实测值比设计值偏差较大，后来通过了一系列有针对性的试验，分析出了问题的原因所在，找到了解决问题的办法（本文中用阻抗代替短路阻抗）。2变压器的主要技术参数和负载条件2.1主要技术参数额定容量：20MVA，要求能在100MVA过载容量下工作0.5s；额定电压：10kV/0.4kV；额定频率:50Hz；短路阻抗:3%（对于额定容量），偏差符合国家要求，三相阻抗不平衡率不超过10%；联结组别：Yd11；绝缘耐热等级：H级。2.2负载条件为晶闸管变流器提供交流电源，变流器的负载为感性负载；验证负载变流器直流侧在短路故障情况下的动稳定特性；变压器须能提供所需的短路冲击电流，最大短路冲击电流为350kA；短路试验时间为0.5s，两次短路试验间隔时间不小于4h。3变压器阻抗的设计计算由于该脉冲短路变压器低压电压较低，电流较大,因此变压器阻抗设计的关键在于变压器本体的阻抗计算及低压引线铜排阻抗的估算。3.1变压器本体的阻抗计算由于变压器本体阻抗的减小对变压器材料成本影响较大，因此采用合理的结构是设计低阻抗变压器的关键。目前降低双绕组变压器阻抗的主要方法有三种：①增大铁心直径即减小绕组匝数增大绕组的匝电势。②增大绕组的电抗高度即增大铁心窗高。③拆分高、低压绕组。用户要求该变压器阻抗仅为3%，远低于容量为20MVA变压器的正常阻抗（不低TRANSFORMER第49卷第6期2012年6月Vol.49JuneNo.62012Developmentof20MVALowImpedanceHighCurrentDry-TypePulseShort-CircuitTransformerLIYong-xin,GUOFeng,YIJi-liang（SuntenElectricEquipmentCo.,Ltd.,Shunde528300,China）Abstract：Thedesignandstructurecharacteristicsoflowimpedancehighcurrentdry-typepulseshort-circuittransformerareanalyzed.Thecomparisonofimpedancedataispresented.Keys：Pulseshort-circuittransformer；Lowimpedance；Highcurrent；Design；Test第49卷x1a1L1L2H1H2AXa2x2图1绕组排列Fig.1Windingarrangement于8%），经综合考虑采用了以上三种方法，通过专用的电磁优化设计软件计算并确定变压器本体的阻抗为1.9%。3.2变压器低压引线铜排的阻抗估算该变压器低压额定电流高达28867.5A，而且用户要求进行闭口三角形连接。根据我公司以往制造低电压大电流特种变压器的经验，取低压引线铜排的阻抗为变压器本体阻抗的55%，即为1.9×55%=1.045%。3.3变压器整体阻抗的计算变压器整体阻抗为本体阻抗和低压引线铜排的阻抗之和，即1.9%+1.045%≈2.95%。4变压器绕组和引线的结构设计为满足用户接线方便及确保变压器具有较高的机械强度和良好的抗脉冲短路冲击能力，对变压器的绕组和低压引线的结构设计采取了相应措施，具体如下。4.1变压器高、低压绕组的结构设计将变压器高、低压绕组分别拆分为等容量的轴向上下布置的两个绕组，类似于轴向双分裂结构，再通过外部引线进行并联连接，见图1。高压绕组采用分段圆筒式，上下两部分绕组整体绕制，整体浇注；低压采用箔式绕组，上下两部分绕组分别浇注，采用特殊工艺进行套装，使上下两部分绕组之间不产生位移。4.2低压引线铜排的结构设计变压器低压引线铜排的结构及连接方式采用将上下两组低压绕组各自分别进行三角形连接，再把对应的相通过竖铜排实现并联连接，在竖铜排的中部引出三相出线，这样便于引线铜排的支撑及定位牢固可靠。引线铜排的结构及连接方式见图2（外形图）。5变压器阻抗实测数据及分析变压器装配完工后，对变压器进行了阻抗试验，在三相竖铜排的中部短接，见图3。测得变压器阻抗值如1所示。由表1实测数据可知，变压器阻抗实测值严重超出了设计值，高达4.8%（三相平均值）；三相阻抗严重不平衡，最大相为6.1%，最小相为4.2%。为此，进行了初步分析，认为主要原因可能有如下五个方面：①变压器本体阻抗偏大及三相阻抗不平衡。②变压器上下两部分低压绕组各自实行三角形连接，而且布置在变压器上下端部漏磁区附近，铜排和绕组之间有电磁耦合，铜排之间的互感较大，增大了角接图2变压器外形图Fig.2Outlineoftransformer图3变压器三相短接示意图Fig.3Threephasesshortcircuitconnectionoftransformer表1变压器阻抗实测值(Ⅰ)项目名称电压/V电流/A阻抗/%A317.691034.36.1B273.591274.24.3C258.611221.74.2三相平均283.301176.74.8Table1TestedvaluesⅠofimpedanceoftransformer6李永新、郭峰、易吉良：20MVA低阻抗大电流干式脉冲短路变压器的研制第6期铜排本身的阻抗。③变压器三相的角接铜排长度不一致，a-y和b-z较短，而c-x较长，造成了三相铜排的阻抗不平衡。④变压器低压每相两块竖铜排实际上是将每相的线电流分成了两个支路，两个支路电流的大小相等、方向相同，产生的交变磁通相互加强，同时两个支路铜排的互感也较大，增大了每相竖铜排的阻抗。⑤变压器进行阻抗试验时短路点的选择可能不合理。根据以上分析，决定再进行有针对性的阻抗测试试验，以求找到产品阻抗实测值严重偏大及三相阻抗严重不平衡的真正原因。6用现场试验的方法发现、分析问题6.1变压器本体的阻抗测试其目的是实测变压器本体阻抗是否偏大及三相阻抗是否平衡。具体操作：拆下上下两部分低压绕组的角接铜排及三相的竖铜排，直接在变压器上下两部分低压绕组的出头处短接，见图4，测得的变压器本体阻抗值见表2。由表2实测数据可知：变压器本体的阻抗实测值比设计值（1.9%）偏大5%，变压器本体三相的短路阻抗是平衡的。6.2变压器本体带低压竖铜排后的阻抗测试其目的是实测变压器低压三相竖铜排的阻抗值大小及不平衡率。具体操作：安装好低压竖铜排，将上下两部分低压绕组的头尾a1、a2、x1、x2、b1、b2、y1、y2、c1、c2、z1、z2和竖铜排对应并联，使每相两块竖铜排的电流大小相等、方向相反。再在每相两块竖铜排的中部短接，见图5，测得的阻抗值见表3。由表3实测数据可知：变压器低压三相竖铜排的阻抗值分别为0.66%、0.65%和0.66%，三相是平衡的。6.3变压器低压引线进行三角形连接后的阻抗测试其目的是实测变压器低压三相铜排角接后的阻抗值大小及不平衡率和变压器整体阻抗值大小及不平衡率。具体操作：在低压三相竖铜排中部外侧进行三角形连接，再在角接铜排的中部短接，见图6。测得的阻抗值见表4。由表4实测数据可知：变压器低压三相铜排角接后的阻抗值分别为1.26%、1.13%和1.16%，三相最大不平衡率为6.5%；变压器低压引线铜排的阻抗实测值为1.19%，接近于设计取值1.045%；变压器整体的阻抗实测值比设计值偏大8%，比用户要求值偏大6%，能满足用户要求；变压器整体三相的阻抗最大不平衡率仅为2.2%，能满足用户要求。同时，试验结果也说明：①图6接线方式在有效减小变压器阻抗的同时，也有效消除了三相阻抗不图4变压器本体分相短接示意图Fig.4Phaseshortcircuitconnectionoftransformer表2变压器本体阻抗实测值(Ⅱ)项目名称电压/V电流/A阻抗/%A37.1442372.9242.0B37.3103370.5392.0C37.5327371.9732.0三相平均37.3291371.8122.0Table2TestedvaluesⅡofimpedanceoftransformer图5变压器本体带低压竖铜排分相短接示意图Fig.5PhaseshortcircuitconnectionoftransformerwithLVverticalbusbar表3变压器本体带竖铜排的阻抗实测值项目名称电压/V电流/A阻抗/%A49.8638374.4782.66B49.6976375.3742.65C49.9489375.4262.66三相平均49.8367375.0932.66Table3Testedvaluesofimpedanceoftransformerwithverticalbusbar7第49卷收稿日期：2011-07-08作者简介：李永新（1967-），男，湖南邵东人，顺特电气设备有限公司首席工程师，从事干式变压器设计和研发工作。平衡的现象。②图6所示的低压引线铜排的结构及连接方式是一个较理想的方案。7变压器结构改进后的阻抗实测数据根据图6现场试验接线方式，对变压器低压引线铜排的结构设计进行了改进，取消变压器上下两部分低压绕组的角接铜排，把变压器上下两部分低压绕组的头尾a1、a2、x1、x2、b1、b2、y1、y2、c1、c2、z1、z2对应并联，然后在变压器竖铜排中部实现角接，并且在角接的铜排中部位置引出三相出线。变压器低压引线铜排的结构改进生产完工后，对产品进行了阻抗出厂试验（短接三相引出线），测得的阻抗值见表5。由表5实测数据可知：变压器整体的阻抗实测值比用户要求值偏大5.7%，三相阻抗的最大不平衡率仅为1.6%，很好地满足了用户的要求。8结束语（1）对于低阻抗变压器的设计计算，需根据实际情况综合采用多种方法才能在控制材料成本的同时达到降低阻抗的目的。（2）对于低压为低电压大电流的低阻抗变压器，由于变压器本体的阻抗值很小，基本上和低压引线铜排的阻抗在同一个数量级，变压器低压出线铜排的结构和连接方式对变压器阻抗有突出影响。而常规阻抗变压器由于本体的阻抗值较大，低压出线铜排的结构和连接方式对变压器阻抗的影响要小得多。（3）对于低电压大电流的变压器，低压引线铜排的布置应尽可能将每相的相电流均分为一个或几个支路，使各支路头尾电流大小相等、方向相反的铜排相互交错排列在一起，即类似或等同于同相逆并联结构，使其产生的交变磁通相互抵消，这样不仅减小了铜排之间的互感，也大大减小铜排本身的阻抗。（4）对于低电压大电流、而用户又要求进行闭口三角形连接的变压器，低压引线铜排的布置应尽可能使三相角接铜排布置在三相相电流铜排中部的外侧，并在角接铜排的中部引出三相出线，这样三相角接铜排的交变磁通可相互抵消较大部分，可以减小各角接铜排之间的互感及本身的阻抗，同时还可以减小因三相角接铜排长度不一致导致的阻抗不平衡现象。参考文献：[1]路长柏，朱英浩.电力变压器计算[M].哈尔滨：黑龙江科技出版社，1990.[2]路长柏.干式电力变压器理论与计算[M].沈阳：辽宁科技出版社，2003.[3]崔立君.特种变压器理论与设计[M].北京：科学技术文献出版社，1996.图6变压器低压引线进行三角形连接后的短接示意图Fig.6ShortcircuitdiagramafterDeltaconnectionofLVleadwireoftransformer表4变压器低压引线进行三角形连接后的阻抗实测值项目名称电压/V电流/A阻抗/%A100.03612.763.26B98.364628.613.13C99.733630.313.16三相平均99.375623.893.19Table4TestedvaluesofimpedanceafterDaltaconne-ctionofLVleadwireoftransformer项目名称电压/V电流/A阻抗/%A180.561128.563.20B179.001147.43.12C182.931150.53.18三相平均181.021142.13.17表5变压器出厂阻抗实测值Table5Testedvaluesofimpedanceoftransformerinroutinetest8免费查重：http://free.paperyy.com3亿免费文献下载：http://www.ixueshu.com超值论文自动降重：http://www.paperyy.com/reduce_repetitionppt免费模版下载：http://ppt.ixueshu.com-------------------------------------------------------------------------------阅读此文的还阅读了：1.低压断路器的限流作用及低压电缆的热稳定校验2.探讨主变近区短路后的电气试验及诊断3.变压器引线短路力的校核计算4.干式变压器温度信号监控仪5.变压器故障的缺陷分析6.变压器内部短路现象分析7.对“提高国产500kV变压器制造质量的意见”的补充建议8.大型变压器短路故障分析9.变压器内部匝间短路故障分析及判断方法10.冶炼炉变压器大电流引出及联结11.900MVA变压器的研制12.质量智能控制技术在井架基础施工中的应用13.干式变压器检测检验浅谈14.探讨主变近区短路后的电气试验及诊断15.600kV高压大电流脉冲变压器的研制16.浅析如何预防变压器出口短路17.论提高变压器抗短路能力的措施18.变压器绕组变形测试技术在广西电力系统中的应用19.出口短路对变压器的影响及预防措施20.变压器差动保护的探讨21.20/25MVA大容量干式电力变压器的研制22.一台220kV主变压器故障的分析与处理23.水冷式工频大电流绕结机的研制24.浅谈铁路变压器的保护措施25.自并励励磁系统中励磁变压器保护方式的选择26.变压器绕组短路位置对环流损耗的影响27.变压器绕组的短路电动力分析28.NOMEX^(R)纸在干式变压器中的应用29.乐得RSX-10677.1环绕声接收机30.大型电力变压器线圈短路稳定性的三维有限元分析31.低损耗干式配电变压器32.浅谈预防大型电力变压器因短路故障损坏的几点措施33.一台220kV变压器短路故障的分析34.903主变匝间短路事故原因分析35.电力系统变压器的抗短路能力提升的方案研究36.变压器绕组变形测试技术的应用37.提高电力变压器抗短路能力的技术措施38.一起因变压器短路导致10kV线路烧毁原因分析及措施39.影响干式高压变压器质量的几个问题40.变压器绕组变形的分析与修复41.变压器经受短路冲击后继续运行的决策42.浅谈电力变压器抗短路能力的措施43.影响干式高压变压器质量的几个问题44.环氧树脂浇注干式变压器浅谈45.提高电力变压器抗短路能力的技术措施46.三种防火变压器简介47.短路机械力耐受能力试验48.降低变压器短路事故的若干措施49.变压器零序和间隙零序在110kV大电流接地系统中的应用50.电力系统中变压器抗短路能力提高的措施