水电站用主变压器增容降耗并提高运行质量的更换改造

水电站用主变压器增容降耗并提高运行质量的更换改造

田万春

国家电投集团江西电力有限公司上犹江水电厂   江西赣州　341000

【摘要】对水电站用主变压器增容降耗并提高运行质量的更换改造，通过对上犹江水电厂的无载调压单相双绕组交流电力变压器进行了一系列电磁和结构设计三维场有限元分析，并进行了短路、绝缘和冷却等方面的校验，做了详细的参数分析，使得最终优化的产品在结构上更为紧凑合理，承受短路能力强，绝缘结构可靠，冷却达到了良好效果，尤其是在控制磁通密度、电流密度、涡流损耗、杂散损耗、局部过热和总损耗方面做的更为突出。

【关键词】变压器；容量；冷却方式；空载损耗；负载损耗；主绝缘；承受短路能力

[Abstract] For the replacement and transformation of the main transformer used in hydropower station to increase capacity and reduce consumption and improve operation quality, a series of electromagnetic and structural design three-dimensional finite element analysis of the single-phase double-winding AC power transformer of Shangyoujiang hydropower station was carried out, and the short circuit, insulation and cooling were checked, and detailed parameter analysis was made, which made the final optimized product more compact and reasonable in structure, strong in short circuit resistance, reliable in insulation structure and good in cooling, especially in controlling magnetic flux density and cooling.

[Keywords] Transformer; Capacity; Cooling mode; No-load loss; Load loss; Main insulation; Ability to withstand short circuit

0引言

随着我国变压器行业的发展日趋成熟，尤其在二十世纪九十年代末后的国际先进企业合资准入，运用成熟可靠的技术，定性定量的分析，辅助工具的效验，优化设计的确定，使得变压器在技术工艺制造以及安全运行方面有了一个质的飞跃，也使变压器增容降耗并提高运行质量有了技术基础支撑。

上犹江水电厂是我国第一个五年计划时期自行勘测、设计、施工、前苏联援建的重点水利枢纽工程，1955年开工建设，1957年投产发电的钢筋混凝土空腹重力坝水电站。水库流域面积4565平方公里，总库容8.22亿立方米，调洪库容1.01亿立方米。装有4台1.8万千瓦混流式机组，总容量7.2万千瓦，设计多年年均发电量2.33亿千瓦时。该厂原先安装有两台分相式DF7-15000/110型变压器，变压器分别于1987年和1990投运，根据运行情况决定进行更换改造。

1变压器内部三维场有限元分析

1.1空载损耗的控制

分析空载损耗的分布，准确计算铁心内部不同区域中的最热点温升和表面温升以防止其内部过热，再根据计算结果来确定和优化铁芯油道的分布及放置。

图1 损耗及温升分析

采用冷轧、晶粒取向、低损耗和高磁导率硅钢片，以满足低损耗和低噪声的变压器设计要求。硅钢片叠积采用全斜无孔两片一叠六级错缝，不叠上铁轭来有效降低空载损耗。

图2两片一叠六级错缝

铁芯结构件的夹紧力控制在0.3MPa，芯柱两侧的拉板为多单元固定矩形小截面的无磁钢板材料组合体，铁轭穿越拉杆为σ0.2≥690MPa的钼钢无磁或有磁材料单体，同样也是圆形小截面。较小体积使得它们在三维涡流场中有着较低的损耗，且局部过热风险降低。

1.2负载损耗的控制

分析线圈组漏磁分布，仿真精确计算绕组短路阻抗及各线圈的各种损耗。合理使用换位导线和组合导线，部分中压线圈采用纸包自粘漆换位导线，而部分低压线圈采用特殊的网包自粘漆换位导线，它既有利于线圈的散热，又提高了线圈自身的抗短路能力。

图3自粘漆换位导线

线圈沿轴向均匀布置，减小了横向漏磁场产生的涡流损耗。平方和法完全换位方式使用在所有型式的线圈当中。涡流损耗的定量分析并计算出涡流损耗的分布，再通过比较得出较小的涡流损耗方案。根据计算出的油箱壁上漏磁场强度确定是否采用磁屏蔽，以及尺寸。

1.3绝缘结构的设计

分析冲击分布，由计算结果来确定线圈的主、纵绝缘结构和引线绝缘，同时确定分接引线和分接开关的绝缘水平。引入设计绝缘水平的DIL来比较各种过电压，以最严重的情况作为设计依据，考虑到作用的波形和时间对绝缘的影响：

DIL=U1/K

式中：U1=AC试验电压有效值=冲击试验电压峰值

K= K1×K2，K1=时间系数，K2=波形系数。

图4器身绝缘

根据电场分布选用成型绝缘件，计算程序计算的等位线曲度来制造成型角环，消除沿面放电，高压出头采用成型护套，消除端部沿面爬电的可能性。薄纸筒小油隙结构理念，合理纸板油隙主绝缘结构，优化端绝缘和端部电极结构，均匀电场强度。

使用高品质的绝缘材料，它有着较高的耐压水平，较小的收缩率，较好的机械强度。除最内层和最外层，中间绝缘包纸均采用不搭接方式，保证清洁度和均匀性。垫块和撑条等倒圆角，使其在电场中有较好的形状。相套装保证尺寸准确和稳定。内部金属件均倒圆角。

1.4冷却系统的设计[A1]

分析线圈端部磁场，端部漏磁扭曲的幅向分量可以产生更大的涡流损耗和产生更高的温升，以此来精确计算温升，准确计算流阻，计算定量流速，以得到可靠的温升控制。

分析变压器电磁区内放热率，并精确计算出铁芯温升来有效地控制其热点温升。

图5 线圈端部磁场分析

图6变压器电磁区内放热率分析

分析漏磁场分布，根据局部放热率计算出顶层油温升、油平均温升、绕组温升和最热点温升，选择经济合理运行方式的冷却设备，即该变压器采用片式散热器的油浸自冷。确定内部冷却回路，合理放置导油环，"Z"形冷却回路以回避冷却死角，使油流量在不同绕组中有着合理的分配，使得绕组中的各个线匝都可以得到均匀地冷却。

图7变压器内部温升图

图8 "Z" 形冷却回路

1.5承受短路能力

变压器承受的短路电动力是由端部漏磁通，即磁力线弯曲引起的，可分为轴向力和幅向力。当内外线圈在高度上有差异或安匝分布不平衡时，轴向力的问题尤为严重。

图9短路力

图10内线圈- 承受向内的压力，力的作用使线圈变形。外线圈- 承受向外的胀力，力的作用使线圈变圆。

提高短路能力的技术难点有：绝缘材料的非线性力学特征，铜导线之间以及铜线与绝缘件等结构件之间的静摩擦，绝缘油在冲击状态下的平衡作用和制造过程中的偏差控制等。

为了提高变压器的抗短路能力，设计时尽量保持绕组的安匝平衡(如设置独立的调压线圈)，并有专门的程序对变压器短路运行进行准确模拟，且进行电场、磁场和温度场分析，对所产生的电动力作精确的计算，在此基础上确定绕组的机械强度。

动稳定和热稳定的定量分析，分析每个线圈的失稳临界力，垫块的压应力，轴向和径向的扭曲力，周向张力和压应力等等。在单相、两相及三相对称和非对称短路状态下的线圈短路电流及受力情况，根据短路电流计算出线圈的动、热稳定情况。

在设计方面，铜导线采用σ0.2≥90MPa的硬铜线，合理的撑条数量均匀排布以减小支点间跨距，根据短路计算结果确定线圈压紧力和各部分的支撑结构和机械强度。

在制造工艺方面，按工序对各相线圈进行干燥，压紧，压力测试，高度调整，使线圈高度满足设计要求，从而保证线圈的安匝平衡。相套装工艺保证了线圈径向绝缘件的稳定性，定量控制整体套装的压紧力，恒压干燥保证使线圈压缩到最佳状态。

为保证变压器有着优异的抗短路能力：设计模型与实际短路研究结果相吻合，合理导线材料和导线尺寸的使用，线圈制造轴向偏差和幅向偏差的严格控制，绝缘材料的选择，线圈绕制时的拉紧装置使用，线圈整型时的定量压装，器身紧固时的定量压紧等。

2更换改造前后的主变参数对比

从下表中可以看出，更换改造后的主变的单相在总重和外形尺寸上与更换改造前的主变基本上保持一致，但是更换改造后的主变单相额定容量却增加了1000kVA，冷却方式改为了简单高效并且维护更便捷的油浸自冷，同时单相总损耗也实实在在地降低了19.071kW。

表1 更换改造前后的主变参数对比表

该电站两台主变改造后，两台新变压器相比原变压器每年可增加上网电量为约39万kW∙h，每年可减少下网电量约16万kW∙h，每年可增加效益约30余万元。

3结语

通过对上犹江水电厂的无载调压单相双绕组交流电力变压器进行了一系列电磁和结构设计三维场有限元分析，并进行了短路、绝缘和冷却等方面的校验，做了详细的参数分析，使得最终优化的产品在结构上更为紧凑合理，承受短路能力强，绝缘结构可靠，冷却达到了良好效果，尤其是在控制磁通密度、电流密度、涡流损耗、杂散损耗、局部过热和总损耗方面做的更为突出。

2021年4月，D13-16000/110单相电力变压器通过了全部试验项目，完全满足技术协议中的参数要求，同时也验证了三维场有限元仿真分析结果的可靠性和吻合性。

参考文献：

[1]孙林，王梦云.我国电力变压器发展现状及趋势[J].电力设备，2013.

[2]罗海凹.油浸式配电变压器抗短路能力提升技术研究[J]华南理工大学，2021.

[A1]怎么设计的