高阻抗变压器内置电抗器的抗短路能力计算及绕组热点分析_都兴双.pdf

高阻抗变压器内置电抗器的抗短路能力计算及绕组热点分析都兴双，李洪春，苏晓龙，胡岭，刘爱平（南京立业电力变压器有限公司，江苏 南京 210000）摘要：本文中作者选取典型的高阻抗变压器内置电抗器，采用二维、三维有限元法对两种不同设计的电抗器进行了抗短路能力计算和绕组温度场分析，为高阻抗变压器内置电抗器的设计提供一些建议。关键词：高阻抗变压器；内置电抗器；抗短路；热点；有限元中图分类号：TM401+.1文献标识码：B文章编号：10018425（2023）03000705Short-circuit Resistance Capacity Analysis and Winding Hot SpotCalculating of High Impedance Transformer Built-in ReactorDU Xing-shuang,LI Hong-chun,SU Xiao-long,HU Ling,LIU Ai-ping（Nanjing Liye Power Transformer Co.,Ltd.,Nanjing 210000,China）Abstract：The typical high impedance transformer built-in reactor is chosen in this paperby the authors,the 2D and 3D finite element methods are used to calculate the short-circuit resistance capacity and analyzed the winding temperature field of two kinds ofdifferent design of the reactor,and some suggestions for the design of high impedancetransformer built-in reactor are provided.Key words：High impedance Transformer；Built-in Reactor；Short-circuit resistance；Hotspot；Finite element method1 引言随着电网容量的不断增长，高阻抗变压器得到了广泛的应用。串联内置式电抗器作为实现高阻抗变压器的一种重要方式，具备了励磁涌流小、各分接阻抗集中度高、成本低等优点。因此内置电抗器式高阻抗变压器逐渐成为主流。本文中笔者以一台220kV、240MVA高阻抗变压器为研究对象，分别设计了两种不同最大漏磁磁通密度值Bmax的电抗器，并对其抗短路能力和绕组热点温升进行了分析计算，为内置式电抗器的设计提供了依据。2 产品参数选取的高阻抗变压器具体参数见表1。内置电抗器的阻抗为42%，磁分路采用开口轭，油箱布置磁屏蔽，电抗器具体参数见表2。1#和2#电抗器为同一设计，区别在于1#电抗器选用网包自粘半硬换位导线，2#电抗器选用普通半硬扁线；3#和4#表1 220kV、240MVA变压器基本参数变压器型号SFSZ22-240000/220容量/MVA240/240/120电压比/kV（2308*1.25%）/115/10.5频率/Hz50联接组标号YNyn0d11阻抗/%14-64-50电抗器型号XKS-25000/12容量/MVA25设计号1#2#3#4#绕组匝数1061068080绕组内径/mm449449449449绕组辐向/mm135135167167绕组高度/mm16551655985985导线尺寸/mm1.444.9/39/222.559.68/441.435.09/39/222.18.48/64Bmax/T0.4020.4020.4860.486铁轭尺寸/mm210740210740250810250810表2内置电器基本参数TRANSFORMER第 60 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.60MarchNo.32023DOI:10.19487/ki.1001-8425.2023.03.003第 60 卷电抗器为同一设计，区别在于3#电抗器选用网包自粘半硬换位导线，4#电抗器选用普通半硬扁线。3 电抗器绕组热点分析采用MagNet有限元软件对电抗器的二维漏磁场进行了仿真分析，并对每根导线所在位置的轴向、辐向漏磁场进行了提取，进而计算了绕组每个线饼的轴向涡流损耗和辐向涡流损耗。图1为1#电抗器的二维漏磁场分布图。图2为1#、2#电抗器绕组的每饼损耗值。图3为3#、4#电抗器绕组的每饼损耗值。电抗器的损耗及热点温升见表3。根据图2、图3、表3可知，1#、2#电抗器由于绕组较高，辐向漏磁较小，所以在导线轴向高度相近的情况下其热点系数远小于3#、4#电抗器。2#和4#电抗器采用了普通半硬扁线，导线轴向高度分别为9.68mm和8.48mm，热点系数分别达到了1.53和1.7，远高于正常变压器的热点系数，绕组热点温升远超标准要求值（78K），而且导线轴向高度并非很高，因此高阻抗内置式电抗器应优先选用自粘半硬换位导线，选用普通半硬扁线时必须谨慎。采用MagNet Thermal有限元热场仿真软件对电抗器绕组的温度场进行了二维仿真分析，图4和图5分别为1#、2#、3#和4#电抗器的绕组温度场图1 1#电抗器二维漏磁场分布图图2 1#、2#电抗器绕组每饼损耗值图3 3#、4#电抗器绕组每饼损耗值表3电抗器损耗及热点温升电抗器设计号1#2#3#4#直阻损耗/W55333.2 56036.2 42010.9 42609.2轴向涡流损耗/W3356.9134943395.38707.7辐向涡流损耗/W1254.45784.230779687.7总损耗/W59944.5 75314.4 48483.2 61004.6最大饼损耗/W563.31146.6857.31293.9最小饼损耗/W477.1676.4641.6665.8热点系数1.141.531.261.7绕组铜油温差/K19.2722.2518.5518.02油顶温升/K53.653.653.653.6绕组热点温升计算值/K75.5787.6476.9784.23绕组热点温升仿真值/K74.48876.284.2图4 1#（左）和2#（右）电抗器绕组温升分布图8都兴双、李洪春、苏晓龙等：高阻抗变压器内置电抗器的抗短路能力计算及绕组热点分析第 3 期分布图。根据表3可知绕组热点温升理论计算值和仿真值非常接近。由于内置式电抗器的阻抗非常大，其漏磁远大于常规变压器，根据表3可知即使绕组采用自粘换位导线，绕组热点温升也很高，因此在设计中必须留有一定的裕度。4 电抗器抗短路能力计算4.1电抗器短路电流计算电抗器采用带磁分路的空心电抗器，变压器在发生短路的时候磁分路会过饱和，电抗器的短路阻抗值将小于额定电流下的阻抗值。3#电抗器在1倍和8倍额定电流下的磁场能量分布图见图6和图7，铁磁材料输入B-H曲线，8倍额定电流为估算短路电流值。根据能量法分别计算得出3#电抗器额定电流下和短路电流下的阻抗值：UR=1.25720096235032400000022=42.1%USC=1.257115954423503240000002282=37.96%1#和3#电抗器短路电流参数见表4。根据表4可知，电抗器短路电流下的阻抗值小于额定阻抗值，且绕组越矮短路电流下的阻抗小的越多，因此在计算变压器和电抗器的抗短路能力时应当使用在短路电流下的阻抗值。4.2电抗器轴向和辐向抗短路能力计算电 抗 器 轴 向 和 辐 向 抗 短 路 能 力 计 算 参 照图5 3#（左）和4#（右）电抗器绕组温升分布图图6 3#电抗器1倍额定电流下的磁场能量分布图图73#电抗器8倍额定电流下的磁场能量分布图表4电抗器短路电流参数电抗器设计号1#3#额定电流阻抗值/%42.7342.1短路电流阻抗值/%40.2737.96变压器中低阻抗值/%88额定阻抗/%50.7350.1短路状态下阻抗/%48.2745.96非对称系数1.91.9短路电流倍数（峰值，忽略系统阻抗）11.1332311.69289第 60 卷GB1094.5-2008电力变压器第5部分：承受短路的能力进行核算。1#和3#电抗器抗短路能力计算结果见表5。根据表5可知，两种电抗器的轴向和辐向抗短路能力都能够满足标准要求。4.3电抗器相间短路力计算电抗器每相只有一个绕组，在短路状态下由于磁分路过饱和，各相的漏磁会有较大部分外溢到其他绕组的位置，且大小不同，从而产生相间绕组相互排斥而远离的力。采用三维有限元软件对电抗器的相间短路力进行了仿真分析，图8为3#电抗器A相绕组相间斥力分布图。根据计算A相绕组在短路情况下受到的总斥力为314.0kN。由于绕组内部没有可靠支撑，整个绕组只能靠静摩擦力保证绕组在发生短路时不产生横向位移。每饼线压得很紧，静摩擦系数按1取值。3#电抗器相间短路力计算：相间总斥力为314.0kN，撑条数位12，垫块宽度为40mm，绕组辐向为167mm，P=31400011240167=3.9N/mm2。1#电抗器相间短路力计算：相间总斥力为186.6kN，撑条数位12，垫块宽度为40mm，绕组辐向为135mm，P=18660011240135=2.88N/mm2。根据计算1#电抗器绕组的压紧力达到3N/mm2即可满足要求，而3#电抗器绕组的压紧力必须达到4N/mm2才能合格。5 电抗器振动噪音分析由于绕组辐向漏磁很大，电抗器在额定电流下运行时，磁分路和绕组都会产生不小的轴向力，磁分路受力见图9。电抗器负载为50Hz正弦波电流，其轴向力在波峰时达到最大值，过零时为零。因此为避免电抗器在额定电流运行时产生额外噪音，需保证磁分路和绕组的自重能够吸收产生的轴向力，即磁分路、绕组重力大于其产生的轴向力。根据表6可知，1#电抗器能够满足上述要求，而3#电抗器不满足。6 结束语图8 3#电抗器A相绕组相间斥力分布图表5电抗器抗短能力校核结果绕组平均环形拉伸应力/Mpa135在幅向垫块之间的跨度内的导线轴向弯曲应力/Mpa135与导线倾斜相关的每个实体绕组上的最大轴向压缩力/kN自粘半硬换位线每个实体绕组的最大轴向端部推力幅向垫块的压缩应力/Mpa80纸板层压端圈的压缩应力/Mpa80纸板制成的公共压环或压板的压缩应力/Mpa80计算应力值17.24（1#）20.37（3#）57.1（1#）117.7（3#）719.4（1#）1209.0（3#）431.6（1#）725.4（3#）26.69（1#）45.16（3#）17.8（1#）30.11（3#）29.4（1#）49.7（3#）短路型式计算项目中低短路耐受值图9 3#电抗器磁分路受力计算10都兴双、李洪春、苏晓龙等：高阻抗变压器内置电抗器的抗短路能力计算及绕组热点分析第 3 期本文中笔者选取一台220kV、240MVA高阻抗变压器为研究对象，对不同设计的内置电抗器进行了绕组热点分析、抗短路能力计算以及振动噪音分析，得出如下结论。1）由于高阻抗内置式电抗器的轴向和辐向漏磁很大，为避免绕组热点温升超标，设计时应优先考虑选用自粘半硬换位导线，选用普通半硬扁线时必须谨慎。2）电抗器短路状态下磁分路过饱和会导致短路阻抗下降，因此需要用短路电流下的阻抗进行抗短路能力计算。电抗器相间绕组受力比较大，也应当进行核算。3）电抗器绕组的辐向漏磁在额定电流下会使磁分路和绕组产生较大的轴向力，为避免产生额外的振动噪声需对其进行核算。参考文献：1李彬.高阻抗变压器内置电抗器两种磁分路的比较分析J.变压器，2020，57（2）:52-55.2张学娟，孟天男，井永腾，等.变压器绕组振动特性的电磁-机 械 场 仿 真 与 试 验J.变 压 器，2021，58（4）:20-25，13.3都兴双，李洪春，胡岭，等.粗细调在220kV高阻抗变压器中的应用J.变压器，2021，58（3）:5-10，35.4黄棋悦，王豪，仵健磊，等.110kV系统变