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1、 低阻抗大电流短路试验变压器的优化设计 摘要：介绍了一种低阻抗大电流短路试验变压器的优化设计方法，包括容量计算、绕组结构、阻抗的修正及温升试验等。并通过实例验证了该方法的正确性。关键词：试验变压器；大电流；低阻抗1前言作为开关或变压器短路冲击试验用的大电流试验变压器不同于普通的电力变压器，也不同于高电压试验变压器，它们的不同之处在于大电流试验变压器的短时容量大、工作电流大；高电压试验变压器电流小而电压高。某检测中心的一台大电流试验变压器，型号为YLS40000/66,此台产品技术要求比较特殊:15000kVA长期运行，8h内允许进行10次试验.每次循环间隔30min，试品试验时的容量为1500
2、00kVA。电气产品的工作制分为长期工作制、反复工作制和短时工作制。前二种工作制是经过一段时间以后即可达到一种稳态的温升；而后者是工作一段时间后停止工作，自然冷却到工作前的温度，间歇一段时间后又从这个冷却后的温度开始工作，这样反复工作，而每次工作的起始温度大致相等，但不能达到一个稳定的温升。本文中涉及的大电流试验变压器属于短时工作制。2产品设计时的几个要点2.1容量计算既然大电流试验变压器有这些特征，那么能否按常规的连续运行的方法设计呢？而且能否利用这一特征找到一种较佳技术经济的方案呢？下面就介绍一种方法，利用一个关系式，将短时工作制转化为长期工作制的参数，这样就可以按常规的方法进行计算，而且
3、也大大地降低了产品的成本。2.1.1结构容量及其它参数的确定从前面已经得知大电流试验变压器属于短时工作制。具体来说是工作在一个极短的时间t1(通常为几秒钟),再停止工作t2(几分钟以上),这样循环下去。图1表示此工作制的负载曲线。图1的短时工作制的负载曲线可以用图2的长期工作制的负载曲线代替，但要求是在同一周期内两者的发热量必须相等，亦即:0.24I12R1t1=0.24I22R2(t1+t2)(1)式中I1、I2短、长时工作的电流，AR1、R2短、长时工作的绕组电阻，t1、t2短、长时工作的时间，s且R1=R2，整理式（1）得：(2)两边同时乘U，得：(3)式中S1、S2短、长时工作的容量，
4、kVA这样可以将短时工作制的容量转化为长期工作制的容量（即结构容量）来计算了。结构容量确定了，那么其它参数也要相应转化到结构容量下的参数。图1短时工作制的负载曲线图2长期工作制的负载曲线2.1.2结构容量的确定技术条件：型号:YSL-40000/66标称容量:40000kVA长时容量:15000kVA额定短时工作容量:150000kVA一次电压:66kV二次电压:1l.5kV工作制:通电20s,间歇30min,共10个循环短路阻抗:4%(相当于标称容量)短路功率因数:cos0.1上述技术条件中，一、二次电压是确定的，而短时工作容量(150000kVA)只工作4s、间歇30min。一般来讲铜线达
5、到稳定的温升需要20min30min,而变压器油达到稳定的温升需要10h-18h.这样结构容量由式(3)得：这样就可以按15000kVA来设计了，很显然它远远小于短时工作容量。技术条件中规定了短路功率因数cos0.1，即：式中PK短路损耗，kW(标称容量下)S短路视在功率，kVAS=UK%S标称=4%40000=1600kVAPK=cos=16000.1=160kW那么在结构容量下的短路损耗应正比于结构容量与标称容量之比的平方，并与标称容量下的短路损耗成正比，即：PK结构=160（15000/40000）2=22.5kW技术条件中规定了标称容量下的阻抗为4%.那么在结构容量下的阻抗为：所以在1
6、5000kVA下，短路损耗不超过22.5kW，阻抗电压为1.5%。此台产品的结构容量计算需综合考虑，既要考虑经济性又要注意它的安全运行可靠性。我们按等损耗下过载电流时间均方根法进行折算，折算的结果还要综合各方面的因素，既要考虑变压器给检测中心长时供电运行15000kVA，又要重点考虑产品短时运行150000kVA时的动热稳定性，因为此时电磁力与电流平方成正比，当短时运行150000kVA时，其电磁力将达到长时15000kVA的100倍。在与用户协商后此台变压器标称容量定为40000kVA。2.2阻抗计算用户要求基于40000kVA基准容量的阻抗小于4%,根据以往设计小阻抗电力变压器的经验，在设
7、计时必须要考虑附加电抗系数，这与一般的大容量变压器的阻抗计算有明显不同之处。实际产品试验结果也充分验证了这一点，如果不考虑附加电抗系数则阻抗实测值偏差较大。设计值为3.38%,实测值为3.39%。2.3绕组设计本台产品高压电压等级为66kV，低压电压等级为11.5kV。针对产品特殊的工作条件，如果还采用原来的66kV高压绕组结构，高、低压绕组将因高压绕组首、末端不满匝的原因很难达到安匝平衡，绕组动稳定将很难保证。为此笔者大胆采用了无内垫内屏连续式高压绕组，并且屏蔽深度很小，只有两匝。通过采用上述绕组结构，使高、低压绕组达到了基本的安匝平衡，减小了短路轴向力。通过此台产品的设计经验积累，可以为进
8、一步优化66kV等级变压器的全连续等安匝设计提供了依据和经验。高、低压绕组导线采用半硬铜线绕制，采用特殊的绑扎手段使绕组更加牢固。3产品试验时的几个要点3.1负载损耗试验本产品因为运行条件特殊，因此负载损耗的试验要以长时运行15000kVA为准。但是实测值比设计值偏小约2000W,分析后认为是40000kVA时的阻抗为3.39%，当运行在15000kVA时阻抗将减小为1.27%,杂散损耗将大幅度减小。同时因为变压器阻抗小，绕组端部漏磁磁力线弯曲程度小(洛氏系数达到了0.98),有一部分被铁轭吸引进入到铁心中，进一步减小了漏磁在钢结构件中的杂散损耗和端部横向漏磁在绕组里的涡流损耗。3.2温升试验
9、这台产品在做温升试验时也有一定特点。根据试验设备的实际情况，通常情况下采用短路法进行试验。此方法的原理是利用变压器短路产生损耗来进行温升试验。试验分两个阶段进行，第一阶段先施加一定倍数的电流(通常在1.2倍以下),在这个电流下的损耗包括了最大负载损耗和空载损耗来考核变压器油面温升(因短路法只是施加短路电压，铁心磁密很低，空载损耗很小忽略不计)此阶段绕组的总损耗通过绕组和变压器油的热交换，将热量散给变压器油。绕组和变压器油均提高了自己的温度，变压器油通过油箱和散热器将热量传给冷却介质，一直达到顶层油温升的变化率小于1K/h，并维持3h,取最后一小时的平均值为油顶层温升。然后施加绕组额定电流来考核
10、绕组温升，这一阶段维持1h,然后切断电源测量热电阻计算绕组温升。本台产品因为要考核长时运行15000kVA的温升，但15000kVA时的空载损耗与负载损耗非常接近，如果还采用习惯的短路法，那么施加的电流将达到额定电流的1.5倍1.6倍，将导致绕组温升超过标准，使绕组导线绝缘受到损害，并且当电流降到额定电流时有可能还出现负的铜油温差,这是不符合客观规律的，因此必须改变试验方法。通过分析电磁计算过程，发现此台产品因为运行条件特殊，磁通密度并没有像一般电力变压器那样选到1.75T左右，而是1.65T。可以采用空载过励磁的方法。用空载损耗来作为热源使油面温升先达到要求，然后再使绕组达到额定电流来考核绕组温升。通过采用此方法，温升试验取得了比较满意的结果。4结束语通过以上特殊设计和独特的温升试验方法的检验，此台变压器完全符合技术协议的要求，取得了比较满意的结果。表1是此台产品的设计值和实测值的比较，通过比较可以看出实测值完全符合技术要求。表l设计值与计算值比较参考文献：1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,1995.2谢毓城.电力变压器手册M.北京：机械工业出版社,2003. -全文完-
