配电变压器低压绕组引线结构分析

变压器

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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)

变压器

(a) 绕组首末头铜排在夹件外侧引出

变压器

(b) 绕组首末头铜排分别在夹件内外侧引出

变压器

(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。

变压器

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

变压器

(a)引线电流500A

变压器

(b)引线电流1000A

变压器

(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

变压器

(a)引线电流500A

变压器

(b)引线电流1000A

变压器

(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

变压器

(a)引线电流500A

变压器

(b)引线电流1000A

变压器

(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

变压器

(a)引线电流500A

变压器

(b)引线电流1000A

变压器

(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

变压器

(a)引线电流500A

变压器

(b)引线电流1000A

变压器

(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

变压器

(a)引线电流500A

变压器

(b)引线电流1000A

变压器

(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

变压器

表2 夹件中的磁滞损耗

变压器

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

变压器

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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