三相双绕组高阻抗变压器设计研究

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　　摘 要
　　本文在介绍高阻抗变压器特点的基础上，揭示了高阻抗变压器在设计过程中存在的主要问题，分析了按传统方法设计高阻抗变压器所造成的阻抗和负载损耗偏差的原因，并依据高阻抗变压器的特点，对阻抗和负载损耗的计算方法提出了相应的改进意见。
　　关键词
　　变压器;阻抗;负载;偏差;设计
　　中图分类号： TN784                        文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.050
　　0 引言
　　电力变压器在电力系统中运行，发生短路是人们竭力避免而又不能绝对避免的，短路时巨大的过电流产生的机械力，对电力变压器危害极大，因此，国家标准GB1094和国际标准IEC76均对电力变压器的承受短路能力做了相应的规定，然而，近年来对全国电力变压器事故统计分析表明，因电网发生故障，变压器本身抗短路能力不够造成变压器损坏并导致电网停电的事故屡有发生，而且近年来呈逐渐上升态势。
　　为了有效地提高变压器的抗短路能力，近几年普遍青睐于应用高阻抗变压器，尽管高阻抗变压器也有一定的负面影响，如功耗有所增加而效率有一定程度的下降，但优点仍十分明显，具体表现在如下方面：（1）降低短路电流，增强抗短路能力;（2）热稳定性好;（3）降低投资成本。
　　总之，使用高阻抗变压器，能提高电力系统的稳定性，因此，目前正在越来越多地使用高阻抗变压器。
　　1 高阻抗变压器设计中存在的问题
　　目前，三相双绕组高阻抗变压器的设计和研究还停留在普通型电力变压器的基础上，因为人们普遍基于这样的思考：三相双绕组高阻抗變压器的工作原理、结构与普通型变压器相同。因此，在设计高阻抗变压器时，无论是设计公式的应用，还是修正系数的选取，均仍按普通型变压器的设计思路进行，然而按此设计而得出的结果却出人意料——阻抗和负载损耗的实测值均与设计值有较大的偏差，即阻抗实测值比设计值低得多，而负载损耗实测值却比设计值高得多。
　　随着此类高阻抗变压器设计型号和数量的增加，我们发现这种不能被接受的偏差普遍存在，而且稍有不慎，就会出现不合格产品，使企业蒙受巨大的经济损失，即使偏差没有超出国家标准规定范围，但这种偏差带来的抗短路能力和效率的下降等不利因素是显而易见的。
　　通过分析和研究，我们发现问题出在设计思路和设计方法上。
　　2 原因剖析和设计研究
　　2.1 阻抗方面
　　导致三相双绕组高阻抗变压器阻抗偏低的根本原因，是此类变压器的电抗修正系数与普通型变压器的电抗修正系数不一样。
　　高阻抗变压器由于绕组外形比较矮胖，即长径比较小，从理论分析和实例验证中均可以得出产生阻抗值偏低的主要原因是由于使用了不当的电抗修正系数。即三相双绕组高阻抗变压器的电抗修正系数应修改为：k=1+β2ρ2h2/12ρ1τδ×104，（其中，h为绕组电抗高度;ρ1和ρ2分别为纵向和横向的洛氏系数;τ为绕组的漏磁宽度;δ为漏磁空道的折算宽度）。
　　应该指出的是，上面的阻抗设计修正系数针对的不仅仅是高阻抗变压器高压绕组调压区在中部的情况，对于高阻抗变压器高压绕组调压区在两端或在一端的情况，此修正系数同样适用。
　　2.2 负载损耗方面
　　通过分析和研究，并经许多实例验证，可以得出如下结论：
　　线圈的电阻损耗分析：三相双绕组高阻抗变压器的线圈电阻损耗可以按普通型变压器电阻损耗公式来计算，并能获得比较准确的实际损耗值;
　　引线损耗分析：可以按普通型变压器经验公式计算，且不会产生较大的偏差;
　　纵向涡流损耗分析：按普通型变压器的公式计算，如果在中小容量的变压器中，两者差距不大。但在普通型变压器设计时，我们通常忽略横向漏磁在线圈中产生的涡流损耗，因此，在大容量高阻抗变压器中，由于漏磁通的增大，因此，不能忽略横向漏磁在线圈中产生的涡流损耗。
　　影响变压器横向漏磁的因素有两个：一是不平衡安匝，二是漏磁场端部边界的弯曲效应。传统的仅由不平衡安匝来计算横向漏磁的计算方法在三相双绕组高阻抗变压器设计中是错误的，由此导出的横向涡流损耗的计算公式误差也极大。因此，建议工程上对于上述部分采用场的方法进行计算，而在中小容量的高阻抗变压器中，横向漏磁产生的涡流损耗不大。
　　环流损耗的分析：环流损耗只有在绕组不完全换位时产生，而且其计算公式是在简化漏磁场的前提下导出的，有很大的局限性和近似性。由于变压器纵向磁场沿线圈的轴向分布不等以及在线圈端部形成弯曲，它对环流的影响是不能忽略的。而高阻抗变压器漏磁场较大，因此，应考虑实际漏磁场分布来计算线圈的环流损耗，以提高计算的准确性。
　　传统观点认为，横向漏磁不产生环流损耗，可是，我们研究发现，变压器横向漏磁在双螺旋以及多螺旋式绕组中产生环流损耗，对于大容量变压器或高阻抗变压器，横向漏磁产生的环流损耗占到该绕组电阻损耗的5%～10%，因此，在设计大容量高阻抗变压器时，建立“横向漏磁也在绕组中产生环流损耗”的概念是十分必要的。
　　杂散损耗分析：通过分析可以得到，三相双绕组高阻抗变压器的杂散公式和普通型变压器的杂散公式在形式上类似，但具体的参数值并不相同。因为，高阻抗变压器一般来说比较矮胖，因此，其漏磁校正系数不能像普通型变压器那样忽略不计。另外，两者在经验系数的选取上也有较大的差别。普通型变压器杂散公式中的经验系数，是通过对普通型变压器试验反推出来的统计平均值，因此不能用此统计值作为高阻抗变压器杂散损耗的经验系数，否则，将造成很大的误差，这也是以往用普通型变压器的杂散公式来计算中小容量高阻抗变压器杂散损耗所造成的负载损耗偏差的主要原因。
　　3 结语
　　尽管从原理和结构上说，高阻抗变压器与普通型变压器没有本质上的区别，因此，高阻抗变压器设计时仍沿用普通变压器的相关理论和公式，但在使用相关理论和公式时，在阻抗修正系数和负载损耗等方面应进行适当的调整。
　　参考文献
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