论文部分内容阅读
【摘要】介绍长圆铁心箱式变压器一种依据等周长原理计算短路阻抗的方法
【关键词】长圆铁心 短路阻抗
引言
我国风力发电已进入大发展时期，风电用35kV箱变的市场需求急剧增大。风力发电一般具有明显的季节性，空载时间较长，负荷率较低。考虑节能降耗，风电用变压器的空载损耗要求较低。如果只是简单采取降低变压器铁心磁通密度的措施来降低空载损耗，达到空载损耗低的要求，势必会增加变压器的制造成本，降低变压器的经济性能。我公司35kV箱变采用多级阶梯长圆型铁心截面结构，减少了铁心用硅钢片的重量，在不降低铁心磁通密度的情况下，有效的降低了变压器的空载损耗。
但是采用长圆铁心结构的变压器，其绕组也随铁心柱的形状绕成长圆型绕组形式，不同于传统的圆式绕组形式，因此短路阻抗不能再沿用传统的计算方法。本文对长圆型铁心变压器短路阻抗的计算方法做了简单的分析及公式推导。
1.短路阻抗的计算
变压器的短路阻抗Uk是由电阻分量Ukr和电抗分量Ukx两部分决定的，具有如下关系：
在这两个分量中，电阻分量Ukr是由变压器绕组电阻决定的，仅与变压器的负载损耗Pk和额定容量SN有关，计算公式如下：
变压器的容量及负载损耗确定后，电阻分量的大小就已基本确定。电抗分量Ukx是由漏磁通所决定的变压器的漏电抗，在公式（1）中起着决定性的作用，其主要决定因素在于变压器绕组的空间结构形式，计算比较复杂。变压器的电抗分量计算公式如下：
其中只有等效漏磁面积∑D由绕组形状和布置相互位置决定，公式（3）中其它参数与此无关。
变压器的性能参数及基本设计方案确定后，公式（3）中的
其它参数不再改变，因此当变压器绕组结构与传统的绕组结 图1箱式变压器器身结构示意图
构不同时，只需要重新计算等值漏磁面积∑D，其它参数的确定及计算与传统方法相同。
如图1所示箱式变压器与传统变压器的圆型截面不同，铁心采用多级阶梯长圆型截面，高、低压绕组均为长圆型绕组，绕组排列方式为（由铁心向外）： 铁心→低压绕组→高压绕组。
b： 铁心主级片宽，即长圆铁心两端部半圆直径，cm
t： 铁心主级片厚，即长圆铁心的直线部分，cm
a： 低压绕组到铁心的距离，cm
a1： 低压绕组辐向尺寸，cm
a12：高、低压绕组主空道的辐向尺寸，cm
a2： 高压绕组辐向尺寸，cm
传统的圆型绕组结构如图2所示，∑D的计算与绕组及主空道的半径有关，计算公式如下：
长圆型绕组电抗分量的计算关键在于等值漏磁面积∑D的计算，可采用将长圆型截面折合为等效圆截面的方法计算其漏磁面积，等效圆依据等周长的原则折合圆的半径，将图1中长圆铁心和长圆绕组折合成如图2所示的等效圆结构：
a： 低压绕组到铁心的距离，cm
a1： 低压绕组辐向尺寸，cm
a12： 高、低压绕组主空道的辐向尺寸，cm
a2： 高压绕组辐向尺寸，cm
r： 铁心等效圆半径，cm
r1： 低压绕组等效圆平均半径，cm
r12： 高、低压绕组等效主空道平均半径，cm
r2： 高压绕组等效圆平均半径，cm
依据等效周长的原则，即长圆与等效圆的周长相等，长圆型等效为圆型之后的铁心半径计算如下：
将以上等效为圆型后所得数据代入等效漏磁面积∑D计算公式（4），计算出∑D的值，将∑D代入电抗分量计算公式（3），即可得出长圆型绕组的电抗值Ukx。
箱变产品一般容量较小，高低压绕组为层式绕制结构，绕组层间加纵向油隙，计算等效漏磁面积∑D时按传统层式计算方法计算即可，这里不再赘述。
电抗分量计算时还有一点需要注意的是电抗修正系数Kf的取值。据分析，影响Kf取值的因素主要有两个方面：一方面是端部横向漏磁的影响，长圆型绕组端部横向漏磁比圆型绕组减小；另一方面与各生产厂家的绕制工艺相关，长圆型绕组绕制尺寸一般比设计值偏大，综合上述两方面的因素，长圆型绕组Kf取值应略低于传统圆式绕组。
2.设计实例试验结果验证
某ZGS11-Z-1600/35箱变产品，变压器技术参数要求如下：
此产品短路阻抗设计值为6.48%，以下列举其中随机抽取的5台产品试验结果，对短路阻抗设计值与试验值进行对比验证，列表如下：
从表1中可以看出，短路阻抗设计值与试验值非常接近，此批产品中出现的最高偏差就是产品编号2的变压器，偏差1.5%，这足以证明以上短路阻抗计算方法准确可靠。
3.结束语
目前我公司已经生产多批风电用35kV箱变产品，短路阻抗等重要参数均一次试验合格，为国内多个风电场提供了高质量的箱式变压器。我们推导出的短路阻抗计算方法，原理明确、公式简单、准确度高，是保证短路阻抗值精确的一个重要手段。在我们开发生产箱变产品的過程中起着极其重要 的作用。
参考文献：
（1） 谢毓城. 电力变压器手册[M] 北京：机械工业出版社，2003
作者简介：赵徐（1978-），女，河北辛集人，保定天威集团特变电气有限公司工程师，主要从事220kV级以下变压器设计工作。
【关键词】长圆铁心 短路阻抗
引言
我国风力发电已进入大发展时期，风电用35kV箱变的市场需求急剧增大。风力发电一般具有明显的季节性，空载时间较长，负荷率较低。考虑节能降耗，风电用变压器的空载损耗要求较低。如果只是简单采取降低变压器铁心磁通密度的措施来降低空载损耗，达到空载损耗低的要求，势必会增加变压器的制造成本，降低变压器的经济性能。我公司35kV箱变采用多级阶梯长圆型铁心截面结构，减少了铁心用硅钢片的重量，在不降低铁心磁通密度的情况下，有效的降低了变压器的空载损耗。
但是采用长圆铁心结构的变压器，其绕组也随铁心柱的形状绕成长圆型绕组形式，不同于传统的圆式绕组形式，因此短路阻抗不能再沿用传统的计算方法。本文对长圆型铁心变压器短路阻抗的计算方法做了简单的分析及公式推导。
1.短路阻抗的计算
变压器的短路阻抗Uk是由电阻分量Ukr和电抗分量Ukx两部分决定的，具有如下关系：
在这两个分量中，电阻分量Ukr是由变压器绕组电阻决定的，仅与变压器的负载损耗Pk和额定容量SN有关，计算公式如下：
变压器的容量及负载损耗确定后，电阻分量的大小就已基本确定。电抗分量Ukx是由漏磁通所决定的变压器的漏电抗，在公式（1）中起着决定性的作用，其主要决定因素在于变压器绕组的空间结构形式，计算比较复杂。变压器的电抗分量计算公式如下：
其中只有等效漏磁面积∑D由绕组形状和布置相互位置决定，公式（3）中其它参数与此无关。
变压器的性能参数及基本设计方案确定后，公式（3）中的
其它参数不再改变，因此当变压器绕组结构与传统的绕组结 图1箱式变压器器身结构示意图
构不同时，只需要重新计算等值漏磁面积∑D，其它参数的确定及计算与传统方法相同。
如图1所示箱式变压器与传统变压器的圆型截面不同，铁心采用多级阶梯长圆型截面，高、低压绕组均为长圆型绕组，绕组排列方式为（由铁心向外）： 铁心→低压绕组→高压绕组。
b： 铁心主级片宽，即长圆铁心两端部半圆直径，cm
t： 铁心主级片厚，即长圆铁心的直线部分，cm
a： 低压绕组到铁心的距离，cm
a1： 低压绕组辐向尺寸，cm
a12：高、低压绕组主空道的辐向尺寸，cm
a2： 高压绕组辐向尺寸，cm
传统的圆型绕组结构如图2所示，∑D的计算与绕组及主空道的半径有关，计算公式如下：
长圆型绕组电抗分量的计算关键在于等值漏磁面积∑D的计算，可采用将长圆型截面折合为等效圆截面的方法计算其漏磁面积，等效圆依据等周长的原则折合圆的半径，将图1中长圆铁心和长圆绕组折合成如图2所示的等效圆结构：
a： 低压绕组到铁心的距离，cm
a1： 低压绕组辐向尺寸，cm
a12： 高、低压绕组主空道的辐向尺寸，cm
a2： 高压绕组辐向尺寸，cm
r： 铁心等效圆半径，cm
r1： 低压绕组等效圆平均半径，cm
r12： 高、低压绕组等效主空道平均半径，cm
r2： 高压绕组等效圆平均半径，cm
依据等效周长的原则，即长圆与等效圆的周长相等，长圆型等效为圆型之后的铁心半径计算如下：
将以上等效为圆型后所得数据代入等效漏磁面积∑D计算公式（4），计算出∑D的值，将∑D代入电抗分量计算公式（3），即可得出长圆型绕组的电抗值Ukx。
箱变产品一般容量较小，高低压绕组为层式绕制结构，绕组层间加纵向油隙，计算等效漏磁面积∑D时按传统层式计算方法计算即可，这里不再赘述。
电抗分量计算时还有一点需要注意的是电抗修正系数Kf的取值。据分析，影响Kf取值的因素主要有两个方面：一方面是端部横向漏磁的影响，长圆型绕组端部横向漏磁比圆型绕组减小；另一方面与各生产厂家的绕制工艺相关，长圆型绕组绕制尺寸一般比设计值偏大，综合上述两方面的因素，长圆型绕组Kf取值应略低于传统圆式绕组。
2.设计实例试验结果验证
某ZGS11-Z-1600/35箱变产品，变压器技术参数要求如下：
此产品短路阻抗设计值为6.48%，以下列举其中随机抽取的5台产品试验结果，对短路阻抗设计值与试验值进行对比验证，列表如下：
从表1中可以看出，短路阻抗设计值与试验值非常接近，此批产品中出现的最高偏差就是产品编号2的变压器，偏差1.5%，这足以证明以上短路阻抗计算方法准确可靠。
3.结束语
目前我公司已经生产多批风电用35kV箱变产品，短路阻抗等重要参数均一次试验合格，为国内多个风电场提供了高质量的箱式变压器。我们推导出的短路阻抗计算方法，原理明确、公式简单、准确度高，是保证短路阻抗值精确的一个重要手段。在我们开发生产箱变产品的過程中起着极其重要 的作用。
参考文献：
（1） 谢毓城. 电力变压器手册[M] 北京：机械工业出版社，2003
作者简介：赵徐（1978-），女，河北辛集人，保定天威集团特变电气有限公司工程师，主要从事220kV级以下变压器设计工作。