邱在東,馬清麗,王克亮

（河南逐鹿變壓器有限公司,河南新鄉(xiāng)453000）

近年來,隨著電力事業(yè)的發(fā)展,人們對(duì)非晶合金變壓器承受電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件要求越來越高.從國家電網(wǎng)公司近年來公布的變壓器事故情況分析,抗短路能力不足已成為非晶合金變壓器事故的首要原因.非晶合金變壓器因短路故障而損壞,主要表現(xiàn)為矩形繞組軸向失穩(wěn)、輻向失穩(wěn)和引線固定失穩(wěn).非晶合金變壓器的空載損耗非常低,僅為S11型變壓器的三分之一,年運(yùn)行成本平均降低22.7%,空載電流下降一半,是一種被廣泛應(yīng)用的優(yōu)良的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品.但作為非晶合金變壓器磁路的主要材料非晶合金,其帶材厚度為0.02～0.03 mm,因其硬而脆,難以剪切,因此非晶合金變壓器鐵心截面均采用矩形,相應(yīng)高低壓繞組也只能采用矩形.矩形繞組相對(duì)圓形繞組而言抗短路能力較差,所以提高非晶合金變壓器抗短路能力很有必要.

非晶合金變壓器抗短路能力與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、選材、工藝、試驗(yàn)、運(yùn)輸、運(yùn)行維護(hù)等諸多因素有關(guān).筆者針對(duì)非晶合金變壓器矩形繞組的特點(diǎn),并根據(jù)生產(chǎn)非晶合金變壓器的經(jīng)驗(yàn),提出了提高非晶合金變壓器抗短路能力的方法,供大家參考.

1 非晶合金變壓器矩形繞組受力分析

非晶合金變壓器繞組是矩形結(jié)構(gòu),所受電動(dòng)力遠(yuǎn)不如普通變壓器圓形繞組均勻,承受突發(fā)短路電動(dòng)力時(shí)更容易變形,如圖1所示.由于非晶合金變壓器的鐵心材料對(duì)機(jī)械應(yīng)力非常敏感,無論是張應(yīng)力還是彎曲應(yīng)力都會(huì)影響其性能[1],所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)加以充分考慮,以減少鐵心受力.需采取特殊的緊固措施,將非晶合金變壓器器身采用軸向承重結(jié)構(gòu).非晶合金鐵心和矩形繞組受力互不干擾,矩形繞組通過上下夾件及壓板壓緊,壓緊結(jié)構(gòu)自成體系.因此矩形繞組的軸向和徑向所承受短路電動(dòng)力的考驗(yàn)要比圓形繞組嚴(yán)酷[2].

由長期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和短路強(qiáng)度試驗(yàn)情況可知,非晶合金變壓器在突然短路中,線圈中流過的電流比額定電流大幾十倍,因此負(fù)載損耗將比額定運(yùn)行時(shí)大幾百倍,是繞組損壞的主要原因,并使線圈溫度迅速上升,若不能在最短時(shí)間內(nèi)排除故障,則變壓器就有被燒壞的可能,因此要增強(qiáng)非晶合金變壓器抗短路能力,以減小短路時(shí)的輻向力和軸向力作用[3].

1.1 輻向力

矩形繞組中電流在其周圍產(chǎn)生漏磁場(chǎng),分為軸向分量和輻向分量.軸向漏磁場(chǎng)與矩形繞組中的電流相互作用產(chǎn)生幅向力.沿矩形繞組徑向的輻向力,使內(nèi)繞組受壓力,外繞組受拉力作用,如圖1（a）、（b）所示.當(dāng)壓力和拉力在繞組上所產(chǎn)生的應(yīng)力大于導(dǎo)線的許用應(yīng)力時(shí),繞組將產(chǎn)生明顯變形.對(duì)于非晶合金變壓器矩形繞組結(jié)構(gòu),應(yīng)用Ansys結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)矩形繞組進(jìn)行分析,得出矩形繞組在承受短路電動(dòng)力時(shí),長軸方向的徑向變形最為嚴(yán)重[4],如圖1（c）所示.

在對(duì)突發(fā)短路而燒毀的非晶合金變壓器的拆修中,此現(xiàn)象也得到了印證.其主縱絕緣結(jié)構(gòu)遭到破壞,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)線被拉斷[5].

圖1 繞組的幅向受力分析Fig.1 Windingradial force analysis

1.2 軸向力

在雙繞組非晶合金變壓器中,矩形繞組的漏磁場(chǎng)輻向分量產(chǎn)生的軸向力,使繞組承受壓力或拉力的作用.拉力方向是向著鐵軛,它由繞組端部,通過鐵軛絕緣傳至上下夾件.當(dāng)拉力大于各結(jié)構(gòu)件的機(jī)械強(qiáng)度時(shí),可使矩形繞組、壓板及夾件等零件產(chǎn)生變形,嚴(yán)重時(shí)可將非晶合金鐵心震裂、震碎,上軛頂起,夾件裂縫,破壞整個(gè)鐵心結(jié)構(gòu),使整個(gè)矩形繞組拉壞[3].

圖2 作用在雙繞組非晶合金變壓器上的電磁力Fig.2 Role of the double windingtransformer amorphous alloybyelectromagnetic force

圖2（a）表示兩個(gè)磁勢(shì)均勻分布的等高矩形繞組.外力是純輻向力Fr,內(nèi)力是軸向力,它使矩形繞組高度降低.由于設(shè)計(jì)（主要調(diào)壓分接頭）或制造原因,兩矩形繞組不等高（圖2（b）（c））或磁勢(shì)分布不均勻時(shí),在繞組中出現(xiàn)軸向外力.這些力總是使其不對(duì)稱性增大.軸向外力較之其它的力更能成為產(chǎn)生嚴(yán)重事故的原因.

矩形繞組的漏磁通大小,很難用數(shù)值確定,矩形繞組的短路力的大小,尚無計(jì)算公式,要減少繞組的幅向力是非常困難的,我們只有增強(qiáng)繞組的機(jī)械強(qiáng)度,調(diào)整繞組長短軸尺寸來改善幅向受力情況.

2 非晶合金變壓器抗短路能力的提高方法

非晶合金變壓器的抗短路能力是影響非晶合金變壓器可靠性的重要因素之一.非晶合金變壓器在系統(tǒng)運(yùn)行中,由于各種偶然因素的存在,要想完全杜絕短路故障的發(fā)生是不可能的,所以要求非晶合金變壓器有一定的抗短路能力.根據(jù)非晶合金變壓器矩形繞組受力分析及矩形繞組導(dǎo)線與抗短路能力的關(guān)系,下面將在設(shè)計(jì)和制造工藝方面,提出提高非晶合金變壓器抗短路能力的措施.

2.1 設(shè)計(jì)方面

（1）合理選擇矩形繞組的長寬比,避免矩形繞組長軸和短軸差別過大.因?yàn)榫匦卫@組在承受短路電動(dòng)力時(shí),長軸方向的徑向變形最為嚴(yán)重.

（2）導(dǎo)線最好采用半硬漆包銅導(dǎo)線（σ0.2=140～180 MPa）,盡量增大單根導(dǎo)線的尺寸,在保證損耗等性能指標(biāo)的前提下,內(nèi)繞組盡量增大單根導(dǎo)線輻向尺寸（盡量采用箔式繞組）,如有并聯(lián)時(shí)盡量軸向并聯(lián)；外繞組加大導(dǎo)線截面,可以提高導(dǎo)線自身的機(jī)械強(qiáng)度.

（3）減小安匝不平衡程度.軸向力是由輻向漏磁引起的,輻向漏磁大小取決于安匝不平衡程度,設(shè)計(jì)時(shí)使矩形繞組安匝盡可能平衡.高壓繞組有分接匝時(shí),需將各分接檔匝數(shù)沿軸向均勻分布,以使分接開關(guān)無論調(diào)到哪一檔,安匝不平衡程度均最小.

（4）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),還應(yīng)保證每個(gè)矩形繞組的磁場(chǎng)中心在同一高度.否則可增大沿矩形繞組軸向的安匝不平衡,從而使輻向的漏磁通增大,引起軸向電動(dòng)力的增大.低壓繞組盡可能采用箔繞,且銅箔的高度盡可能與高壓繞組的電抗高度一致.低壓繞組若采用線繞,其每層的第一匝和最后一匝要拉平,與相臨匝的縫隙用紙板填平,以保證兩繞組的電抗高度一致[5].

（5）設(shè)計(jì)合適的矩形繞組端部絕緣結(jié)構(gòu),端部壓緊結(jié)構(gòu).繞組端部采用20 mm厚的高強(qiáng)度層壓木（帶油道）作為端部絕緣,并采用工字形和槽形整體結(jié)構(gòu),增加高、低壓繞組的軸向壓緊面積.并采用一定機(jī)械強(qiáng)度的夾件,將上下壓板和矩形繞組緊緊壓裝在一起,使矩形繞組支撐在單獨(dú)的繞組支撐系統(tǒng)上,從而提高了抗短路能力.

（6）矩形繞組繞完后有脹力存在,雖然整形壓裝后已達(dá)設(shè)計(jì)尺寸,但在短路時(shí)外力作用下可能在矩形繞組層間出現(xiàn)離層現(xiàn)象.為避免這種現(xiàn)象,保證相間尺寸不發(fā)生變化,在相間和旁軛與矩形繞組間用機(jī)械強(qiáng)度較好的相當(dāng)厚度的絕緣板（帶油道）填充,限制其長軸方向因輻向力作用而產(chǎn)生變形.

（7）采用合理的引線結(jié)構(gòu),保證引線具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度.低壓引線銅排一定要在夾件上有效的固定,尤其是箔式矩形繞組的首尾銅排,其根部一定固定在一起,以免短路時(shí)因劇烈震動(dòng)造成絕緣的損壞.引線支架間的距離要適當(dāng)減小,高壓引線自動(dòng)打彎,使得短路的機(jī)械力或器身的強(qiáng)烈震動(dòng)不致?lián)p壞開關(guān)[6].

2.2 制造工藝方面

（1）改進(jìn)繞制設(shè)備和工藝,提高矩形繞組繞制緊密度.矩形繞組由于疊繞,層間有反作用力的作用,長邊極易繞成松散的橢圓形.因此繞制時(shí)要使導(dǎo)線受一定的牽引力和正壓力,盡量減少疊繞系數(shù),以提高繞組自身整體機(jī)械強(qiáng)度.在繞制高低壓矩形繞組時(shí),在繞制設(shè)備上增加一對(duì)直徑150 mm的氣動(dòng)壓輥.壓輥材料選用強(qiáng)度、韌性、耐磨性均較好的聚氨酯,氣動(dòng)壓力調(diào)至0.2～0.25 MPa.在非晶合金矩形繞組繞制時(shí),兩只壓輥始終壓住矩形繞組的兩邊,既不會(huì)損傷導(dǎo)線絕緣,又能較好地保證矩形繞組的尺寸及緊實(shí)度,提高了矩形繞組的抗短路能力.

（2）加強(qiáng)低壓繞組內(nèi)支撐,以承受在短路時(shí)內(nèi)縮力.由于非晶合金鐵心對(duì)力極具敏感性,所以低壓繞組必須繞在高強(qiáng)度骨架上,即機(jī)械強(qiáng)度足夠高的矩形硬紙筒.由于矩形繞組長邊中間不易與硬絕緣筒充分接觸,在繞制結(jié)束時(shí),還必須用硬紙板將間隙塞緊,以減少導(dǎo)線（銅箔）的自由度,保證內(nèi)繞組導(dǎo)線發(fā)生向內(nèi)變形時(shí)內(nèi)層的支撐強(qiáng)度,并有效減小了阻抗電壓的變化.內(nèi)繞組產(chǎn)生的輻向力,作用于骨架上,有效減少了對(duì)鐵心的應(yīng)力,鐵心空載損耗變化也較小.器身裝配時(shí),在硬紙筒和鐵心間輕輕打入密化過的硬紙板,輔助加強(qiáng)矩形繞組的輻向撐緊,又不致將短路力傳于鐵心,增加空載損耗.在相間及A、C相與旁柱間用帶油道的環(huán)氧布板撐緊繞組,旁柱與側(cè)夾件間用橡膠板撐緊,大大減少了矩形繞組長邊的自由度,經(jīng)受住非晶變壓器短路時(shí)短路力的考驗(yàn).

（3）加強(qiáng)高壓繞組機(jī)械強(qiáng)度,以承受在短路時(shí)外脹力.在非晶變壓器短路時(shí),外繞組受到向外的拉力.拉力使繞組變得“飽滿”.在繞組幅向受力時(shí),所有導(dǎo)線都向外凸出,尤其是長邊（相間）位移會(huì)更大些.這樣,外繞組導(dǎo)線伸長導(dǎo)致絕緣破損.在溫升允許條件下,在線圈油道內(nèi)表面和線圈最外層半疊繞一層緊縮帶.且每層軸向壓8根緊縮帶,分別在四角和短軸方向放置6根,其余2根放在長軸側(cè),繞制時(shí)拉緊緊縮帶并軸向編織.層間或匝間（箔繞）采用雙面網(wǎng)點(diǎn)上膠紙,軟紙筒、瓦楞油道、端絕緣涂電木膠.繞組加壓整形干燥時(shí),網(wǎng)點(diǎn)上膠紙上的膠和涂刷的電木膠熔化再固化,把銅箔或?qū)Ь€與絕緣固結(jié)成一體.矩形繞組經(jīng)壓緊加熱整形達(dá)尺寸要求后,進(jìn)行真空浸漆處理,進(jìn)一步增加其機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度[7].

真空浸漆工藝為：將矩形繞組裝入真空罐中,抽真空至0.133 Pa,打開閥門,高強(qiáng)度絕緣漆流入真空罐中,浸沒矩形繞組50 mm以上,關(guān)閥門,繼續(xù)抽真空至0.133 Pa,保壓20 min,使絕緣漆充分浸透矩形繞組,解除真空,吊出矩形繞組,進(jìn)行干燥處理[8].

3 短路測(cè)量

對(duì)改進(jìn)后的的SH15-315/10型非晶合金變壓器抽樣到國家變壓器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行了短路試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 短路試驗(yàn)電抗測(cè)量Tab.1 Measurement ofshort circuit test reactor

從表1中可以看出,試驗(yàn)數(shù)據(jù)為最大相電抗差為0.38%（≤2%）,短路阻抗變化值很小,充分說明采取的措施方法,行之有效[9-10].

4 結(jié)論

影響非晶合金變壓器突發(fā)短路能力的因素很多,而且也比較復(fù)雜.本文對(duì)耐受突發(fā)短路能力的部分影響因素進(jìn)行了分析,從設(shè)計(jì)和制造工藝方面采取了改進(jìn)措施,提高了非晶變壓器的使用壽命,為國家電網(wǎng)提供了既節(jié)能又安全的高質(zhì)量變壓器.

[1] 劉煥.淺談非晶合金變壓器[J].變壓器,2007,44（4）：15-17.

[2] 姚志松,姚磊.新型節(jié)能變壓器選用運(yùn)行與維護(hù)[M].北京：中國電力出版社,2010.

[3] 路長柏,朱英浩.電力變壓器計(jì)算[M].哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社,1990.

[4] 劉傳彝.電力變壓器設(shè)計(jì)計(jì)算方法與實(shí)踐[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2002.

[5] 洛君婷,謝德馨,李曉峰,等.變壓器繞組導(dǎo)線對(duì)抗短路能力的影響[J].變壓器,2010,47（5）：16-25.

[6] 李洪春.提高變壓器抗短路能力的方法[J].變壓器,2006,43（8）：1-4.

[7] 洛君婷.影響變壓器突發(fā)短路能力的兩個(gè)因素[J].變壓器,2008,45（11）：13-16.

[8] 楊中地,吳穎.非晶合金變壓器[J].變壓器,2007,44（7）：1-8.

[9] GB1094-5-2008,電力變壓器第5部分；承受短路的能力[S].2008.

[10] IEC60076-5-2006.電力變壓器第5部分；承受短路的能力[S].2006.