变压器
本文提及的三种结构中:
1)结构1杂散损耗低,为传统结构,安全可靠,
2)结构2杂散损耗大且存在安全隐患,不宜采用。
3)结构3杂散损耗低,安全可靠,可降低油箱体积,是值得推广的结构。
1 引言
小容量配电变压器的低压绕组一般采用双层层式结构,当容量增大至400kVA 及以上时,低压绕组一般采用箔式绕组结构,箔式绕组的首末头全部在绕组上部引出,其中首头接至低压套管,尾头封成零线后接至零相套管。
2 低压箔式绕组低压引线结构分析
市场竞争的不断加剧需要配电变压器进一步节材降耗。随着配电变压器容量的增大,箔式绕组引出铜排尺寸也相应加大,减小绕组到油箱壁的距离可以降低变压器油的用量,而载有大电流的引线铜排与箱壁间要保证一定的绝缘和机械距离,以降低大的引线电流在油箱中产生的附加损耗,避免局部过热的发生。 箔式绕组引线铜排一般是在绕组端部向外水平弯折,经过夹件槽钢下方后再向上弯折,由夹件外侧向上引至套管,如图1(a)所示。此结构下,箔式绕组的首末头两个铜排都是在夹件外侧,铜排与油箱间要保证一定的磁性距离,以下简称结构1。 有的厂家将箔式绕组的内侧铜排在夹件内侧引出,箔式绕组的外侧铜排在夹件外侧引出,如图1(b)所示。此结构下,铜排外限可减少30mm~40mm,油箱壁可缩小相应的距离,以下简称结构2。
另外一种结构,是箔式绕组的内外侧铜排都在夹件内侧引出,如图1(c)所示。这种结构下,为了铜排顺利引出,需要加大铁心叠片与夹件间的距离。这些增加的距离需要用绝缘纸板或层压木垫块填充,在变压器运行中绝缘件收缩时,铁心的夹紧力可能会降低。此结构下,绕组引出铜排不再是影响油箱尺寸的关键因素,油箱壁可缩小的距离比结构2 更大,以下简称结构3。
另外一种结构,是箔式绕组的内外侧铜排都在夹件内侧引出,如图1-c所示。这种结构下,为了铜排顺利引出,需要加大铁心叠片与夹件间的距离。这些增加的距离需要用绝缘纸板或层压木垫块填充,在变压器运行中绝缘件收缩时,铁心的夹紧力可能会降低。此结构下,绕组引出铜排不再是影响油箱尺寸的关键因素,油箱壁可缩小的距离比结构2更大。(以下简称结构3)
(a) 绕组首末头铜排在夹件外侧引出
(b) 绕组首末头铜排分别在夹件内外侧引出
(c)绕组首末头铜排在夹件内侧引出
图1 绕组引线铜排三种结构
3箔式绕组引线三种结构仿真
配电变压器低压侧绕组一般电压低、电流大,引线中流过电流时,在其周围产生磁场。当两根电流方向相反的引线互相靠近时,引线之间的磁场相互叠加,磁场强度大大增强,两根电流方向相反的引线间磁力线分布如图2所示。当引线流过大电流时,引线之间的结构件中会产生过大的杂散损耗,进而造成产品的负载损耗超标,甚至发生局部过热。
图2 电流方向相反的两根引线间磁力线分布
3.1 仿真模型说明
针对上述三种箔式绕组的三种引线铜排结构进行磁场仿真分析,取三相中的B相上端部建模,采用3D模型,模型包括上铁轭、夹件、箔式绕组引线铜排和空气包,模型如图1所示。
模型结构说明:铁心采用电工钢带,绕组引线铜排为铜,夹件材料为A3钢。在引线铜排中施加大小相同、方向相反的电流。采用涡流场求解,边界条件为自然边界,电流流入和流出端与空气包重合,夹件采用阻抗边界,由软件自行计算集肤深度和其中的损耗。
在模型中分别施加有效值为300-2000A、频率50Hz的电流,得到相应的仿真结果。
防盗链
3.2 磁场仿真结果
分别给出夹件中磁通密度仿真结果和杂散损耗密度仿真结果,软件可在求解的结果中分别给出非线性材料中的涡流损耗(Ohmic Loss)和磁滞损耗(Hysteresis Loss)。
3.2.1磁通密度分布
三种引线结构下,分别施加500A、1000A、2000A电流后的磁通密度分布云图如图3-图5所示。
结构1
(a)引线电流500A
(b)引线电流1000A
(c)引线电流2000A
图3 结构1的磁通密度云图
三种不同电流下夹件中的最大磁通密度分别为0.25T、0.38T、0.6T。
结构2
(a)引线电流500A
(b)引线电流1000A
(c)引线电流2000A
图4 结构2的磁通密度云图
三种不同电流下夹件中的最大磁通密度分别为1.45T、1.6T、1.74T。
结构3
(a)引线电流500A
(b)引线电流1000A
(c)引线电流2000A
图5 结构3 的磁通密度云图
三种不同电流下夹件中的最大磁通密度分别为0.19T、0.29T、0.49T。
3.2.2杂散损耗分布(涡流损耗+磁滞损耗)
三种引线结构下,分别施加500A、1000A、2000A电流后的杂散损耗分布云图如图6-图8所示。
结构1
(a)引线电流500A
(b)引线电流1000A
(c)引线电流2000A
图6 结构1 的损耗云图
三种不同电流下,最大损耗密度在引线中,夹件中的杂散损耗密度最大值分别为18861W/m2、43724W/m2 和104479W/m2。
结构2
(a)引线电流500A
(b)引线电流1000A
(c)引线电流2000A
图7 结构2 的损耗云图
三种不同电流下,最大损耗密度在夹件中,最大值分别为:1.21665×106 W/m2、3.15882×106W/m2、7.51531×106 W/m2。
结构3
(a)引线电流500A
(b)引线电流1000A
(c)引线电流2000A
图8 结构3 的损耗云图
三种不同电流下,最大损耗密度在引线中,夹件中的损耗密度最大值分别为:12212W/m2、26799W/m2、 73541W/m2。
表1和表2分别为三种引线结构下,绕组引线铜排分别通过300-500-700-1000-1500-2000A的电流,夹件中的涡流损耗和磁滞损耗仿真值 。
表1夹件中的涡流损耗
表2 夹件中的磁滞损耗
防盗链
4 箔式绕组引线出头结构分析
由图3-图8和表1-表2的磁场仿真结果可看出,结构2的夹件中涡流损耗是结构1的约700倍,是结构3的约1500倍;结构2的夹件中磁滞损耗是结构1的300倍,是结构3的约400倍。
结构1和结构3中,虽然引线距离夹件很近,但由于低压绕组首末头电流相反,引线相距很近,因而两根引线的外部磁场大部分可相互抵消,而两根引线间磁场是增强的,但引线间一般不会有导磁结构件,并不会产生不良影响。因此,对于结构1和结构3,进入夹件的磁通并不大,相应产生的磁滞损耗和涡流损耗也不高。结构1为常规结构,拥有多年成熟的设计制造经验,是一种安全可靠的结构。结构2中的夹件处于低压绕组首末头引线之间,两根引线间的磁场是互相叠加的,即夹件处于两根引线大电流产生的叠加增强磁场中,因此,进入夹件的磁通明显增大,相应产生的磁滞损耗和涡流损耗也很大。当夹件中损耗密度达到一定数值后,还可引发局部过热。
在三台630kVA产品上,低压引线分别采用结构1和结构2结构,一台采用结构1,两台采用结构2(分为1#和2#),实测的杂散损耗对比如表3所示。
表3 引线结构1和结构2(1#、2#)的杂散损耗实测比较
表3中,结构2的杂散损耗明显高于结构1的杂散损耗,主要是由引线结构原因造成的。因此,针对结构2,在小容量配电变压器和对损耗要求不高的变压器中尚可以使用,对负载损耗要求严格特别是在《GB20052-2020电力变压器能效限定值及能效等级》标准实施后,结构2没有实用价值。结构3在处理好铁心夹紧的问题后,不失为一种值得推广的结构。
5 结论
箔式绕组低压引线结构设计,应充分考虑引线与夹件间的结构造成的影响,无论哪种结构,两铜排间不应有导磁结构件存在。
审核编辑:汤梓红
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