变压器抗短路能力的保证措施

戎留明 ,郭明军

中电电气（江苏）变压器制造有限公司   江苏镇江扬中市 212200

摘要：从分析变压器线圈所产生的电磁力入手，研究了在电磁计算、器身结构布置和生产制造工艺管控来提高变压器抗短路能力的保证措施。

关键词：变压器 电磁力 短路 线圈 器身结构 制造工艺

随着我国电力工业的快速发展，220kV及以上高电压变压器在电网运行的数量越来越多。这些变压器不可避免地会受到各种短路事故的威胁，其中包括单相对地短路、两相对地短路、两相之间短路、三相之间短路，甚至最严重的变压器出口短路。在短路电流的作用下，一方面产生巨大的电动力，致使线圈发生变形，进一步扩展成匝间、饼间短路，高、中、低压线柱之间短路，甚至将器身崩掉；另一方面，强大的短路电流会造成线圈过热而烧坏绝缘。因此，电力部门及其他用户对变压器的可靠性提出了更高要求，要求变压器有足够的动稳定及热稳定性能。

本文结合设计、生产、工艺，以220kV变压器为例，研究如何解决变压器抗短路能力。

1．短路电动力分析

分析变压器线圈在短路电流作用下的受力情况时，通常把电动力分解为径向力和轴向力。变压器的结构设计中也分别采取措施解决线圈在这两种力作用下的稳定性问题。运行中因短路损坏的变压器，归因于径向力和轴向力的都有。以下对这两项电动力进行简要分析：

1.1径向力

线圈中电流在轴向产生轴向漏磁场Ba（图1），Ba与线圈中电流相互作用产生径向力Fr，它作用于高压线圈上，因沿整个圆周都受到这个力的作用，故径向力企图使高压线圈沿径向向四周胀大。此外，Fr又作用在低压线圈上，企图将低压线圈沿径向向内压缩，所以径向力最后将使主空道的绝缘距离扩大。

      （a） 纵向漏磁分布                       （b）径向漏磁分布

图1  同心式线圈漏磁分布

1 – 铁心；2 – 低压线圈；3 – 高压线圈

1.2轴向力

   由于漏磁场在线圈端部发生畸变，除轴向分量外还产生径向分量Br。此外，当两个线圈高度不同或线圈内有分接线段时，由于沿轴向高度上安匝分布不平衡，也产生径向漏磁分量Br’。这些径向分量的漏磁场与线圈中的电流相互作用，均将产生轴向力，如图2及图3所示。

   由端部畸变漏磁分量Br产生的轴向力Fa，企图使两个线圈均匀向内压缩。由于切除分接线段时的漏磁分量Br’所产生的轴向力Fa’，企图使分接区继续扩大，而对低压线圈产生压缩力。在高压线圈的上下铁轭绝缘上有（Fa’-Fa）力作用，当Fa’＞Fa时，铁轭绝缘上不受力。由于两个线圈高度不同（设计时高度不同，或制造偏差造成线圈高度不同）时的漏磁分量Br’（图2c），使低压线圈产生向上的张力，而使高压线圈产生向下的张力，结果使两个线圈的高度不等程度继续扩大。Fa’在低压线圈下部为零，上部最大为Fa’，Fa’在高压线圈上部为零，下部最大为Fa’。当Fa’＞Fa时，高压线圈下部与低压线圈上部的铁轭绝缘上有（Fa’-Fa）力作用。如果两个线圈上下都不一样，或高压线圈为上下二支路并联，且上下两部分都有分接区时，也有类似于图2及图3所示的作用力情况。

（a）纵向漏磁分布（b）端部畸变径向漏磁分布 （c）安匝不平衡产生径向漏磁

图2  高度不等的线圈漏磁分布

（a） 纵向漏磁分布（b）端部畸变径向漏磁分布 （c）安匝不平衡产生径向漏磁

图3  有分接线段的线圈漏磁分布

2.提高变压器抗短路能力的措施

    根据上述变压器线圈受力分析，为提高变压器抗短路能力，针对变压器的传统结构和工艺，我厂在电磁计算、器身结构、工艺和材料方面采取一些重要的改进措施，现简述如下：

2.1电磁计算

在保证性能指标，温升限值的前提下，综合考虑短路时的动态过程，选择合理的绝缘结构，控制有关技术数据的选用范围，为此可从以下几方面考虑：

（1）线圈设计时，尽量减少不满匝段的分布；

（2）电磁计算时，尽量减少不平衡安匝，达到最佳的安匝平衡；有效控制最大不平衡安匝，最大程度上降低短路机械力；

（3）对于压板厚度的选取，要经过校验，不能够凭主观印象设计，还要充分考虑到在压板上钻孔开槽，会降低其机械强度。

（4）导线电流密度不宜过大，过去常用变压器设计手册规定，导线的电流密度可控制在4.5A／mm2之内。

        实践证明，4A／mm2以上电流密度选取偏大，电流密度应控制在3.5A／mm2之内，最好在3.0A／mm2以下，这样在相同的阻抗电压（即相同的短路电流倍数）下能大大提高线圈的热稳定耐受能力；

   （5）线规选择：宽厚比要适当，不宜为盲目追求降低线圈附加损耗而选择太薄太宽的线规，太薄太宽的导线机械强度差，包纸包不紧，也不容易绕紧，亦可根据线圈电流及机械力计算情况，决定是否选用半硬导线和自粘性换位导线。

（6）对于高电压大型油浸电力变压器机械强度，不仅要按通常的电磁计算规范进行检验，还要考虑变压器内线圈的失稳性，具体的计算方法如下：

作用于线圈每一线饼圆周上的幅向力：

其中：MI一线圈线饼数  h -线圈高度（cm）  Uk-短路阻抗   

  IN一变压器额定电流（A）

      W-线圈匝数

  其中:E－铜导线的弹性模量，对于退火铜导线取E＝1250000kg／cm2

       R -内线圈的平均半径（cm），R=lm/2π。

       m -内线圈的有效支撑数，为实际支撑数的一半，m=Zk/2

       lm-线圈平均周长（cm）

       Zk-内线圈的内撑条数

       I－导线的惯性距（cm4）

其中：nb-线饼中幅向导线根数；

      nt-线饼中轴向导线根数；

      b-每根导线的幅向厚度（cm）；

       t-每根导线的轴向厚度（cm）；

       y-经验系数，取决于线饼和导线的结构；一般在1和3之间．

       如果FB>Fc，内线圈不会发生机械失稳问题。

2.2器身结构

    线圈是产生电动力又直接承受机械力的结构部件，器身是机械力传递的结构部件，合理的结构可以大大提高变压器抗短路能力。

（l）线圈

    a线圈尤其是内线圈要绕在硬纸筒上，（图1）；

    b螺旋式线圈绕制时最好采取端部线饼拉平措施；使线圈绕制后受力效果能类似机械强度较好的连续式线圈；

c 线圈尤其是内线圈一般宜加辅助撑条，所有线圈均要加外撑条，以提高线圈的径向抗弯强度和绕组的支撑强度(见图2)；

    d线饼中垫条尽可能均匀分于线饼中，并尽可能选用成型的绝缘垫物，以保持线圈烘后有较好的整体刚性；

e采取特殊措施固定线圈出头，并尽可能使出头弯折方向顺应线圈的绕向，并在出头位置和换位处采用适形垫块以保证线圈的稳定性；

f增加铁芯对内绕组的支撑点，使铁芯与内绕组撑条的支撑点处于撑紧状态，保证内绕组受径向压紧力作用时，绕组不变形。

（2）铁心结构

轴向电动力最终作用在铁心框架结构上。如果铁心固定框架产生局部结构失稳或变形，将导致线圈失稳而变形损坏。

因此，设计时铁心各部分结构件强度要留有充分的裕度，各部分间尽量采用无间隙配合和互锁结构，使变压器器身成为一个坚固的整体。

具体要注意以下几个方面：

    a夹件及压块支板强度要足够，拉板强度要通过计算留有足够裕度；设计上建议采用高强度的钢板代之以低磁钢作为拉板材料，从而保证变压器抗短路强度；

    b铁心的叠积要到位，心柱要圆，上下铁轭尤其是下铁轭叠装尺寸要符合设计要求；

    c铁心的阶梯垫木要到位，要与铁心的每一级配合紧密；

d铁心的垫脚和上梁的强度要通过计算，留有足够裕度；

（3）器身

   a器身设计时采用整体套装结构，通过单相的线圈整体预组装及烘燥以保证线圈的均匀压紧；

   b器身压紧用压板要用整圈的大压板，为进一步加强压板强度，还需用强度较高的辅助副压板，并且压块位置的布置必须均匀合理：

   c内线圈套装时，通过纸板或撑条的调节来保证线圈套装紧度，尤其是内线圈绝缘筒与铁心柱间的较大间隙要用干燥后的围板或撑棒撑紧，位置对应好内绕组撑条位置。

2.3工艺手段

    一个好的设计需要通过有效的工艺手段来控制，工艺手段和工艺管理是提高产品质量的重要保证，为提高变压器承受短路的能力，以下几个方面的工艺措施应予以高度重视；

  (1）线圈绕制

    a尽可能用立式绕线机绕制线圈，在绕制过程中，需使用导线拉紧装置以使线圈绕制紧实，幅向工艺系数趋近于“ 1”；

   b线圈绕制时S弯换位应平整服帖顺势过渡，不能形成剪刀口，对于幅向较厚的导线换位处，上下垫块间留下的间隙须以适形的垫块垫实；

    c对螺旋式线圈端部要采取适当的措施使线饼拉平绕制，对线圈的端部及所有的出头要采取加强措施绑扎固定，对低压线圈及圆筒式线圈尤其应注意端部的固定；

    d线圈绕制用的垫块需经过预密化处理，通过预密化使纸板的密度增加4％－8％，吸潮速度降低2／3，回弹高度也降低了，这样使垫块的配制精度大为提高，线圈高度就更接近设计要求。

（2）绝缘装配

a线圈采用整体套装，除采用硬纸筒作骨架外，绕制完工后，将高、中、低压线圈冷压后真空干燥；

b真空干燥后热压调整轴向高度至设计尺寸，在专用工装上统一套装，整体套装时听到“吱吱吱”声，为套紧，围屏撑条采用进口PET带打包收紧工艺。上中下各打一道；

c整套后压装，采取压敏纸来保证高、中、低、、调压线圈受力均匀；

b符合设计尺寸要求的单相线圈整体套于铁心柱上，这样既缩短了线圈露空时间，又保证了高、中、低、调压各线圈都能均匀压紧；

    e在线圈整体套于心柱过程中，首先须注意下铁轭上表面垫块要校平，线圈下部的整体下铁轭绝缘端圈需具有一定的抗短路强度；

f在初装叠上铁轭及其夹件装配完工后，要特别留意上下铁心绝缘压块面是否水平，如有倾斜或间隙现象，则需校平以改善接触面受力状况，可用干燥的绝缘纸板垫实；同时也要检查上梁和上铁轭是否留有间隙，如有间隙需用用干燥的绝缘纸板垫实，以使铁心成为一坚实的框架，提高变压器整体的抗短路强度； 

 g引线装配完后器身需进行彻底的真空烘燥，使用煤油气相真空烘燥方式，烘燥结束后，立即对器身进行紧固整理，整相均匀施压，在设计上所允许的压力范围内把器身紧固到位，再垫紧压块及相间撑板，以保证线圈在器身轴向上处于压紧状态。

2.4材料方面的措施：

  采用优质的新材料，亦是保证产品质量，提高变压器抗短路性能的有效措施

  (1）采用优质的无氧铜电磁线，控制其软化程度，当选用普通线规时，最好是采用强度更好的半硬铜线。

  （2）采用自粘线换位导线，尤其是容量较大的变压器，其低压线圈要优先选用自粘性换位导线，这种导线在制造过程中，预先涂上一种绝缘漆，在其用于线圈绕制时，经烘燥，就粘结固化成一个整体，大大地增强了导线的抗弯强度。

  （3）采用高强度的电工绝缘材料作为器身的压紧部件

    目前，国产的电工层压木，材质不是太理想，密度不太结实，这在一定程度上影响了其机械强度，一般不用于220KV主变的主压板，220KV主变器身压紧用的主压板一般均为高强度层压纸板，或者也可以采用进口高强度的电工层压木。      （4）采用高强度的结构件

    众所周知，铁心的拉板抗拉强度在变压器短路时起的作用非常大，过去设计时，我们侧重从漏磁会引起较大的结构耗和局部过热的角度出发，选择低导磁的20Mn23Al低磁钢板作为拉板材料，而实际情况是这种低磁钢板的抗拉强度比普通钢板低得多，这在一定程度上影响了拉板的强度，结构设计上建议采用高强度的钢板代之以低磁钢作为拉板材料，从而保证变压器抗短路强度；

   b采用高强度的螺栓，铁心装配中所有螺丝均需采用8.8级高强度螺栓以增加铁心框架的牢固性。

  （5）采用高密度的绝缘材料

用高密度的绝缘材料作为电磁线绝缘包纸。并制作垫块、撑条、硬纸筒等，以减少绝缘件的收缩，从而保证了线圈的机械强度。

3.结束语

  经过我公司不断地深入研究变压器的磁场、能量场、温度场来优化设计、结构、工艺来提高生产制造技术，短路事故造成变压器失效得到了有效的防止，造成的停电损失也将会大大得到减轻。

通过采取以上的措施保证，我公司生产的新二级能效SSZ20-240000/220变压器2021年在国家电器产品质量监督检验中心一次性通过含短路承受能力在内的全部试验，并且所以试验数据满足IEC标准要求（国家电器产品质量监督检验中心报告查询号：21M0728-S）。该变压器是目前国内最先通过短路能力最大容量的二级能效变压器，该产品具有损耗小、温升低、局放低、噪声低、绕组绝缘介损小、抗短路能力强、过载能力强等优点，满足最新国标GB20052-2020 电力变压器能效定值及能效等级要求，标志着我公司的变压器制造水平又上了一个新的台阶。