浅谈500kV自耦变压器设计（图文教程）

    变压器的设计研制情况，包括基本参数、设计工艺难点、解决方案及试验结果等方面，用事实证明国内变压器生产企业有能力制造出国际市场需求的500kV级及以上的变压器产品。

    关键字：有载调压 自耦变压器 极限阻抗 电场 局部放电

    1 引言：

    近年来，国内输变电市场竞争日趋激烈，为了进一步开拓国际市场，树立中国500千伏变压器的良好品牌，2004年天威保变为某国电站开发设计了ODFSZ-100000/500电力变压器。这是我国历史上首次批量出口500千伏以上的高电压变压器产品，协议要求供货多台此型号产品，合同金额数亿元，并要求产品满足IEC和DIN标准。为了满足协议要求并保证产品一次试制成功，对此产品进行了研发。产品外型如图1所示。以下对本产品的研制情况作简要介绍。

图2 接线原理图

    3 产品技术难点及解决方案

    3.1产品温度场分析

    由于产品使用地点处于非洲沙漠地带，用户对空载和负载损耗及温升要求有些特殊，例如：过负荷要求130%满容量连续运行，并要求在环境温度50℃、激磁1.15倍、过载1.3倍工况下，测量的长时稳态绕组热点温度不大于130℃，这种长时急救负载温升在国内用户的产品很少有要求，为此进行了详细的温度场计算，绕组温度场计算过程和结果如图3和图4所示。

图3 绕组温度场计算效果示意图

图4 绕组温度场计算结果曲线示意图

    3.2 产品主绝缘结构分析计算

    主绝缘，即绕组之间、绕组对油箱、绕组对铁心柱之间的绝缘结构，是本产品绝缘设计的难点，本产品高压侧(串联绕组)为500kV绝缘水平，中压侧(公共绕组)为220kV级，中压线端的试验电压短时工频耐压460kV、冲击1050kV级水平，比常规220kV级产品(LI950kV，AC395kV)试验电压高，采取把大油隙分割为小油隙的油纸隔板结构，为了防止在工频和冲击试验电压下，油道内不出现放电现象，采用薄纸筒小油隙结构，本结构特点是根据变压器油体积减小时，根据资料[1]变压器油的耐电压强度提高，因不同的材料具有不同的介电常数ε，根据资料[2]当变压器承受正弦交流电压时，其电场在不同绝缘材料中的分布为电容性分布，即取决于不同材料的电容率(介电常数ε)。在介电常数较低的变压器油中电场强度比较高，而在介电常数相对较高的纸板中交流场强较低。因此对于电压等级较高的变压器产品，需要科学合理的绝缘介质匹配设计，其设计原则是使油隙在局部放电试验电压下的电场强度值低于油隙起始局部放电电场强度。为此，本产品在分割完绝缘油隙后，采线各油隙的电场分布，即如图7和图10所示计算出电场应力沿电力线分布的KAPPELER曲线。通过优化绝缘结构消除整个绝缘系统中的薄弱环节。根据电场计算结果，绕组上端电场分布如图5—图7所示。绕组下端部电场分布情况如图8—图10所示。

图5 绕组上端部等位线分布

图6高压绕组上端静电环对旁轭电场分布

图7 高压上端静电环对旁轭电场应力分布

图8 绕组下端部等位线

图9 高压绕组下端静电环对旁轭电场分布

图10 高压下端静电环对旁轭电场应力分布

3.3 产品纵绝缘分析计算

    纵绝缘研究的重点是高压绕组在各种试验电压下的饼间绝缘强度及绕组轴向绝缘强度。利用波过程计算软件计算线圈的冲击电压分布，根据计算结果采取了有效措施，调整线圈屏蔽的段数和匝数、工作线匝绝缘的厚度、屏蔽线匝绝缘的厚度以及油道的大小，通过电容补偿进一步改善冲击电压梯度的分布，各绝缘裕度均大于1.1，保证线圈纵绝缘强度满足绝缘设计要求且具有良好的冲击电压分布，并严格控制场强分布，确保绕组内不发生局部放电。确保绕组的纵绝缘强度。雷电冲击全波电压波形如图11，截波电压波形如图13，高压绕组线段中的雷电全波电压梯度分布如图12所示，雷电截波电压梯度分布如图14所示，

图11 冲击电压全波波形

　图12 高压绕组全波冲击梯度分布示意图

图13 冲击电压截波波形图

图14 高压绕组截波冲击梯度分布示意图

    3.4 产品局部放电量控制

    因为产品局部放电量低是保证变压器安全可靠运行的基础，在产品绝缘设计过程中，按“无起始局部放电电场场强”原则控制关键部位的电场强度不超过设计许用值，而且在生产各工序严格保证质量，使产品的局部放电量得以控制。为此在本产品研发中采取的主要技术措施有：

    3.4.1绝缘设计方面：通过电场计算，对线圈主纵绝缘、引线、开关、套管等关键部位进行详细分析，严格控制各关键点电场强度，具有足够的绝缘裕度。采用无局放设计，并通过局部放电试验(ACSD及ACLD)，局部放电量控制在50pC以下，以确保变压器在长期运行在最高工作电压下的可靠性。

    3.4.2材料的选用及质量控制：采用高质量绝缘纸板，对绝缘纸板的电气性能、灰分含量、金属颗粒度提出严格要求，并进行检测。线圈导线的匝绝缘纸采用超高压产品专用绝缘材料，对匝绝缘的包扎层数、包扎方法提出具体要求。变压器油采用超高压绝缘油，击穿电压≥70kV/2.5mm，油中颗粒度≤1100/100ml(5μm)。对成型绝缘件、引线、套管、开关等重要组部件提出严格的绝缘性能等具体要求，保证外购件的质量。

    3.4.3提高制造过程中的清洁度，减少金属颗粒的污染，对各主要车间进行封闭、净化技术改造，建立空调除尘系统，装配厂房入口处设立风淋室，保证车间最低降尘量的整体要求。操作过程中，要求所用的工装工具，均要保持清洁无尘，用非金属材料覆盖，在使用前要用清洁的白布擦拭过方能使用。引线更多地采用冷压机械连接，消除焊接污染。

    3.4.4产品进行抽真空注油，真空度在103Pa以下，保持48小时，经过真空滤油机注油，注油过程中防止气泡进入变压器内部，对变压器进行热油循环过滤，热油循环后静放72小时以上，再进行试验或投入运行。

    3.5 提高产品抗短路能力的措施

    为了保证变压器在最严重的短路情况下具有足够的抗短路能力，在产品的设计计算和制造工艺两方面，采用下面一些技术措施：

    3.5.1设计计算方面

    3.5.1.1控制变压器线圈漏磁，减小短路发生力，在变压器容量、短路阻抗一定的前提下，为了减小短路发生力，减小变压器的线圈纵向和横向漏磁密度。

    3.5.1.2根据计算分析结果确定导线许用应力的取值，严格控制导线应力及轴向力的计算值在规定范围内，本产品所有绕组导线均采用半硬自粘换位铜导线。

    3.5.1.3在铁芯柱上对应于线圈撑条处，增加圆形撑条，低压线圈内衬硬纸筒，增加撑条数量，加强低压线圈与铁心柱之间的支撑性，以提高低压线圈的辐向稳定性。

    3.5.1.4绕组垫块采用硬质纸板材料。

    3.5.1.5选用压板及压紧装置具有足够的强度和刚度。

    3.5.1.6对引线结构进行电动力计算，据计算结果合理布置引线支撑和夹持件的位置。引线支撑件、夹持件具有足够的强度和刚度，保证引线被充分紧固。

    3.5.1.7夹件、拉板进行强度、刚度计算，以保证具有足够的强度承受绕组压紧力和短路轴向力的综合作用。

    3.5.2制造工艺方面

    3.5.2.1线圈绕制紧实，线圈端部及绕组出头绑扎牢固。

    3.5.2.2绕组垫块采取密化处理工艺，进一步增加材料硬度，垫块周边倒圆角。

    3.5.2.3线圈进行恒压干燥处理，以稳定绕组的轴向尺寸。

    3.5.2.4绕组套装紧实，使器身形成坚固的整体。

    3.5.2.5器身进行恒压干燥处理，并根据计算结果确定器身的压紧力。

    3. 6特殊结构设计

    用户对结构设计提出了非常苛刻的要求，要求遵循欧洲变压器产品标准，大到整体布局小到对阀门、CT、控制箱等组部件甚至小到温度计座的位置均有特殊的要求。

    3.6.1铁心为单柱双框式，全斜无孔绑扎结构，绝缘油道，夹件肢板带磁屏蔽，对应中压出头处的支板采用进口层压木材料，上下轭带铁轭屏蔽，铁心柱外加圆木撑条。铁心及夹件通过出线端子盒从油箱顶部引出后接地。

    3.6.2所有绕组采用恒压干燥。调压绕组首次采用斜端圈静电环。

    3.6.3器身绝缘采用整体套装结构，所有绕组共用一个绝缘压板，用压装垫块压紧绕组，主柱及旁柱均加铁心柱屏蔽筒。

    3.6.4高压引线采用成熟的中部出线结构，高压末头和中压首头引线采用电缆连接;调压出头从上下端部利用线圈原线引出与电缆连接，低压及中性点引线均采用铜排连接。

    3.6.5油箱为平顶桶式，储油柜通过稳固的三角支架牢固地固定在油箱箱壁上。箱壁厚10mm，加强铁竖直布置;箱盖采用平顶结构，箱盖外部焊有槽钢加强铁，保证了箱盖不向内塌陷其计算强度过程如图15所示。油箱与箱盖、升高座与箱盖、视察窗盖板与箱盖之间均用100mm2的接地线相联接。箱壁在高、低压侧对应主柱绕组部位装设磁屏蔽。

    3.6.6冷却系统和联管：产品运行最高环境温度为50℃的热带地区，变压器油为Shell(DialaGX)壳牌油。采用15组片式散热器和30台吹风装置挂在油箱高、低压侧。所有管路用阀门带锁且均引下距轨面1500mm左右，以便于用户的操作。吸湿器配有备用件，通过特殊三通阀门连接并配有专用扳手，在阀门与控制箱等组件位置安装标志牌。

    3.6.7有载分接开关选用MR公司产品，开关带在线滤油机。

    3.6.8二次控制系统：本产品的控制箱和端子箱合为一体，且控制箱固定在箱壁上，测量和控制线路所需的二次电缆在厂内装全，每段电缆的两端压接接线端头套装异型字码管的数码标志。产品带有灭火装置。

    3.6.9运输：本产品要求控制箱、槽盒、电缆等随本体一起运输，其它部件单独装箱后先经铁路后海运抵达苏丹。为此采取了特殊包装和加固措施。

图15 油箱箱盖机械强度分析计算示意图

    4 试验结果

    本产品各项指标的实测值均满足协议要求，部分试验结果见表3。产品一次试制成功，现已运达用户挂网运行，运行状况良好。

   保变研制生产的单相有载调压100MVA/500kV变压器产品为国内公司首次为国外用户研发的批量500kV高电压变压器产品，标志着国内变压器生产企业完全有能力依据DIN或ANSI等欧美标准设计制造出符合国外用户要求的产品。

    参考文献：

    [1]保定天威保变电气股份有限公司.电力变压器手册[M].

    北京：机械工业出版社，2003

    作者简介：

    陈志伟(1973-)，男，河北保定人，高级工程师，主任设计师，从事变压器新产品及换流变压器设计制造研究工作。

    孙优良(1974-)，男，河北保定人，高级工程师，主管设计师，从事变压器新产品及换流变压器设计制造研究工作。

    李洪秀(1956-)女，河北保定人，教授级高级工程师，副总工程师，长期从事变压器新产品设计制造研究工作。

    张喜乐(1964-)男，河北保定人，教授级高级工程师，天威保变电气股份有限公司总工程师，长期从事变压器新产品的开发与技术管理工作。