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1、某供货商变压器主要技术特点a、提高抗短路能力措施1 概述对于超高压电力变压器来说，由电磁力所引起的绕组中的机械应力非常巨大， 同时，由于绕组的直径变大而使其刚度降低，使保证绕组在短路过程中的稳定性 变得更加困难。我公司对大量的全尺寸模型及超高压特高压变压器产品进行了研究 试验及理论研究，总结出一整套的经验及方法，编制一系列的计算软件，对于短路 过程中的短路电流、绕组中的应力、绕组中的温度以及绕组的机械强度给予精确的 计算，以保证变压器在短路过程中的安全性。由于综合考虑导线的辐向力的作用使绕组产生残余变形，从而降低变压器的 主绝缘强度。因此，有必要把绕组视为一个机械系统，尺寸、导线和绝缘材料的
2、机械特性等因素，来准确计算绕组的变形。对于辐向受压的绕组，需考虑其机械强度及动力稳定性。机械强度考虑最大 弯曲及压缩应力的合成，通过与不同温度下的许用应力的比较，来确定绕组机械 强度的安全性。由于轴向电动力可能对绕组夹紧结构产生巨大的冲击力，并有可能使导线在 轴向失稳，因此有必要准确计算绕组线饼所受的轴向压力、轴向位移、对夹紧结 构的作用力以及必要的压紧力。2 提高抗短路能力关键技术1 ） 变压器线圈中短路电流及漏磁场的计算A. 短路电流的计算 （软件名称： TOK ）根据绕组的布置、绕组的几何尺寸和绕组的电气支路连接表，可计算并联导 线间的电流分布、绕组截面电流分布、多绕组变压器多个绕组短路
3、时绕组中的电 流，绕组发生内部故障时绕组中的紧急电流。软件计算时考虑了支路中的电流和 电路节点电压、数个电压源和电流源、外部有功感应元件（电网，发电机，补偿 器等的阻抗）等。B. 变压器线圈中漏磁场的计算（软件名称：MPO）将绕组分成数个恒定安匝密度区域，按照芯柱、铁轭及油箱镜像的二维模式计算磁场，给出每个绕组每个线饼上磁通密度的轴向与辐向分量。2）变压器绕组的机械强度、刚度及稳定性分析计算（软件名称：ELDINST）A. 为保证绕组动稳定性所采取的方法： 换位导线中单根线的胶合保证短路时轴向电磁作用下绕组的高抗倒伏强度，增加绕组导线在幅向和轴向弯曲力矩影响下的抗弯强度。根据动稳定计算结果，选
4、用强度合适的铜导线。保证了变压器的短路下 的电动稳定性。绕组的压紧系统可以保证变压器在整个运行期间其绕组上的压力恒定， 这样保证了变压器在整个运行期间保持高的电动稳定性。使用最先进的绕组动稳定性计算软件（ELDINST 2.0软件），此软件建立 在VIT研究所三十多年的实践经验上，在大比例模型和实际变压器上进行试验， 软件得到了验证。使用软件可以优化变压器结构，准确计算结构件，绕组短路时 的机械力。B. ELDINST 2.0软件的计算结果： 选择最严重的短路状态计算电动稳定性，此状态下绕组和结构件中产生最大的力。按照七个标准评价绕组动稳定性计算结果（取决于绕组型式，绕组排列，作用 力方向，K
5、1幅向力作用下绕组强度安全系数；K2幅向力作用下绕组刚度安全系数；K3幅向力作用下绕组稳定性安全系数；K4轴向电动力作用下导线抗弯曲强度安全系数；K5幅向电动力作用下导线抗弯曲强度安全系数；K6绕组导线抗倒伏稳定性安全系数；K7轴向力作用下绕组强度安全系数。 软件计算绕组轴向振动动态过程中的轴向力，同时考虑到了超高压变压器绕组的 固有振动。C. 辐向电动力作用下内绕组的抗失稳强度 经过大量的变压器实体与模型的短路试验和理论研究，得出如下的观点：a. 轴向压紧力对内绕组的辐向失稳有非常大的影响。b. 导线的辐向尺寸与内绕组的辐向失稳强度接近线性关系，即：b二b，而不n是平方关系。c. 在变压器的
6、短路情况下，不考虑支撑对内绕组辐向失稳强度的支撑作用影响d. 铜导线作为塑性材料并基于变压器运行时的绕组温度来考虑。绕组在不同的 运行温度时的强度不同，温度越高，强度下降。基于以上观点，在计算辐向电磁力作用下的绕组电动稳定性时，确定导线径 向截面中的平均应力，及辐向方向上导线的变形。根据这些应力和变形，通过与 屈服点极限值和允许辐向位移相应的比较，来检验辐向上绕组的强度和刚度，并 计算保证绕组辐向稳定性的轴向压紧力。D. 导线的抗弯曲强度在计算导线在受轴向和辐向电磁力时的抗弯强度时，确定单根导线中的由轴 向和辐向电磁力引起的最大弯曲力矩，考虑到单根导线的平均应力，计算轴向和 辐向弯曲时的极限允
7、许弯曲力矩。通过轴向和辐向电磁力引起的最大弯曲力矩与 相应的极限允许弯曲力矩的比较，检验绕组导线在辐向和轴向方向上的抗弯强度 图1 为导线受力的示意图。图 1 导线受力示意图E. 绕组的轴向电动力分布根据图2 所示建立绕组的动力学模型，夹件、拉件、压板、端绝缘简化为端部弹簧，其质量简化为端部质量，绕组中线饼简化为质量，饼间垫块简化为弹簧， 为了模拟绝缘材料在变压器油中的特性，把其视为具有迟滞阻尼特性的非线性弹簧。图 2 绕组轴向动力学模型以线圈压紧力作为初始受力状态，各线饼所受的电磁力（短路时间的函数） 作为载荷，可计算出各线饼在任一短路时刻所受的轴向压力、线饼轴向位移及作 用在上、下压紧结构
8、上的最大应力。图 3 给出了线饼在短路过程中运动轨迹。time图 3 线饼在短路过程中随时间传移情况F. 绕组线饼的轴向抗倒伏强度导线在轴向上的倒伏状态如图 4 所示，经过大量的变压器实体与模型的短路2 - spacersAHCTaHiiHpyiomHe npoKJiaAKHnp0B04HHKH3 - stripsnpouiMBOHHbie peHKM图 4 线饼的轴向倒伏示意图试验和理论研究，得出如下的观点：1） 把线饼在轴向上的倒伏也视为一种失稳状态，线饼中各匝由各匝间绝缘的 摩擦力而具有一定的联系。2） 对于饼式线圈，线饼的抗倒伏强度与径向受力基本无关，但对于螺旋式线 圈，线饼的抗倒伏强
9、度需要考虑径向受力的因素。3） 绕制线饼的松紧度对导线的抗倒伏强度有很大的影响，线饼绕制的越紧， 各匝间的摩擦力变大，其抗倒伏强度越高。3 试验验证乌克兰变压器研究所（VIT）抗短路能力的研究不仅仅局限在理论的研究上。曾对一系列的模型、样机及实物进行了短路验证试验。通过短路试验的产品如下序号变压器型号容量（M VA）电压等级（kV）试验单位1电站用三相辅助变压器4035RCHVA2单相牵引变压器1025AREI3三相双绕组变压器10110RCHVA4三相三绕组变压器25110RCHVA5三相三绕组变压器40110RCHVA6三相三绕组变压器63150RCHVA7三相三绕组变压器80110RCH
10、VA8三相电炉变压器160110HPTS9三相三绕组自耦变压器125220/110HPTS10220kV电网突发负荷转换运 行的专用三相变压器100/200220HPTS11单相换流变压器175500/750OSC “VIT” HPTS12单相换流变压器320500/400OSC “VIT” HPTS13单相换流变压器320500/750OSC “VIT” HPTS14三相发电机用变压器666500HPTS注: 除了用双倍电流冲击做的 30 万次常规的短路承受试验 除了用屏蔽故障击穿可控硅的一次常规短路承受试验 采用一种新的方法变压器两侧同时激磁做试验缩写：AREI全俄罗斯电工协会，俄罗斯、莫
11、斯科RCHVA “高压设备研究中心”股份公司，俄罗斯、莫斯科HPTS全俄罗斯电工协会分会高压试验站，俄罗斯其中 320MVA， 750kV 换流变压器为全世界仅有的实际验证过的 750kV 变压 器的短路强度试验。667MVA，500kV变压器为国际上通过突发短路试验最大容量 的产品，这些能够承受强度试验的设计数据及制造经验，全部有效地使用在产品 制造上。4 提高产品抗短路能力的措施4.1 设计阶段 采用从乌克兰 VIT 引进的专用软件对变压器在实际运行过程中各种短路情 况进行全面计算。并考虑最严重的运行情况，例如对三绕组变压器低压绕组 按高压系统和中压系统，两侧同时接电源，低压三相短路的条件
12、进行短路电 流计算。 利用 VIT 的计算机计算分析软件，不仅能对整体线圈产生的径向力、整体线圈的轴向力进行解析，而且对线圈中的每一个单元由于短路电流形成的电磁场而产生的电磁力进行精确计算，分别计算轴向力、幅向力及合成力。可以 对线圈中各垫块所承受的压力进行计算，从而能采取措施对线圈各段间垫块 所承受的力进行控制。 采用 VIT 软件，对器身上所有的结构件（如拉板、拉带、夹件、压板等）强 度进行计算，并采用已得到试验验证的结构。 对于每个线圈的端部，由于该处的电磁场同时存在着轴向和径向两个分量， 对其轴向力、辐向力及合成力进行计算。 对每个绕组所需压紧力进行详细计算，并通过详细的技术要求保证每
13、个绕组 得到所需的压紧力。 按照 VIT 已通过试验验证的计算程序对普通导线，复合导线、换位导线所能 承受的轴向抗倒伏强度进行计算校核。因此， 一系列的方法和措施，最大程度的对线圈的失稳进行定量的分析。 从而提高变压器自身的抗短路能力。4.2 导线选用A. 根据导线应力计算结果，选用强度合适的铜导线、热固性的自粘性换位导线。B. 对超高压变压器的低压绕组，采用热固性自粘性换位导线。自粘性导线的表面涂履有一层热固化性树脂，加热处理后，树脂自行固化，形成十分坚硬的桶体。采用自粘性换位比导线普通换位导线机械强度要提高2-3 倍，使导线线匝自身具有良好的抗失稳能力。自粘性换位导线的使用可以看作抗 短路
14、的“主保护”，而铁芯支撑则作为“后保护”，这样彻底保证了线圈的稳定和 可靠。4.3 变压器结构A. 在绕组上下部采用整体大压板，具有足够的强度和刚度。合理调整绕组安 匝分布，减少短路时轴向电动力。B. 铁芯柱园整化，在铁芯台阶处加不等内径的撑杆，加强对内部绕组的径向支持。C. 铁芯的上下夹件、拉板、下部垫脚、上部横梁，形成一个牢固的框架。D 内绕组内衬高强度硬纸筒，根据计算结果，适当增加内外撑条数目。E 加强对线圈出头绑扎，对出头进行固定。F 对螺旋式线圈采用自粘性换位导线。G 采用合理的引线夹持结构，保证引线具有足够的机械强度，特别是对大电 流引线的夹持消除悬臂梁。4.4 主要工艺措施A 绕
15、组绕制采用带张力拉紧装置的立绕机绕制，提高绕组的张紧度。消除每 根导线间的间隙，提高抗倒伏强度。B 采用恒压干燥。C 严格控制安匝分区，并按安匝分区调整各绕组的轴向高度。D 铁芯芯柱采用乌克兰 VIT 技术制造的铁芯绑扎机进行绑扎。E 对器身干燥采用三次干燥工艺使垫块充分收缩。F 在各道工序对绕组高度进行调整，使每个绕组得到所需的压紧力。G. 器身总装配时采用德国进口液压缸，按计算要求的压紧力，对器身进行压 紧。5 我公司通过突发短路试验的产品序号产品型号试验地点时间1ZGS11-Z.F-2200/35武咼所20132ZGS11Z.F1600/35武咼所20113SFZ8-31500/110虎石台19964SFZ9-31500/110虎石台1998
