油浸式接地變壓器設(shè)計(jì)

吳麗明

（福州天宇電氣股份有限公司，福建 福州350012）

0 引言

接地變壓器簡稱接地變，用在中性點(diǎn)絕緣的三相電力系統(tǒng)中，用來為這種系統(tǒng)提供一個(gè)人為的中性點(diǎn)。該中性點(diǎn)可以直接接地，也可以經(jīng)過電抗器、電阻器或消弧線圈接地。

1 接地變的繞組連接方式

接地變壓器采用Z型接線（曲折型接線），與普通變壓器的區(qū)別是每相線圈分別繞在兩個(gè)磁柱上。其接線原理圖如圖1所示。

圖1 不帶二次繞組ZN連接方式

有時(shí)為節(jié)省投資費(fèi)用，接地變壓器也帶二次負(fù)載，用于代替所用變，此時(shí)其接線原理圖如圖2所示。

圖2 帶二次繞組ZNyn11連接方式

2 接地變的運(yùn)行狀態(tài)

接地變壓器有兩種運(yùn)行狀態(tài)，即系統(tǒng)正常運(yùn)行和系統(tǒng)發(fā)生單相對(duì)地短路。

在系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，對(duì)于不帶二次負(fù)載的接地變相當(dāng)于空載狀態(tài)，接地變壓器繞組中僅流過很小的勵(lì)磁電流。設(shè)計(jì)接地變壓器時(shí)，只需按鐵損計(jì)算油的溫升，使其不超過35K即可。此時(shí)繞組對(duì)油的溫升幾乎為0，在環(huán)境溫度達(dá)到最高40℃時(shí)，繞組的平均溫度不超過75℃。對(duì)于帶二次負(fù)載的接地變此時(shí)其作為所用變?yōu)槎呜?fù)荷供電，其運(yùn)行狀態(tài)同普通電力變壓器。

在系統(tǒng)發(fā)生單相對(duì)地短路時(shí)，接地變壓器的一次繞組每相流過短路電流IK，中性點(diǎn)流過總的短路電流3IK，短路電流的持續(xù)時(shí)間為10s。即在設(shè)計(jì)接地變壓器時(shí)需保證繞組在短時(shí)間短路后的平均溫度小于其最高的允許平均溫度值（銅繞組是250℃）。

繞組（銅繞組）短路后的平均溫度θ1按下式計(jì)算：

式中，θ0為繞組開始短路前的溫度（℃）；J為對(duì)稱短路電流密度的有效值（A／mm2）；t為短路持續(xù)時(shí)間（s）。

對(duì)于不帶二次負(fù)載的接地變?chǔ)?＝75℃，而對(duì)于帶二次負(fù)載的接地變?chǔ)?＝105℃，短路持續(xù)時(shí)間t＝10s。

3 設(shè)計(jì)方法

下面筆者以本公司為厄瓜多爾輸變電工程供貨的其中一臺(tái)接地變壓器（JKS－4100／34.5）為計(jì)算實(shí)例，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)方法做完整的介紹。

3.1 產(chǎn)品主要性能參數(shù)

額定電壓（一次／二次）：34.5／34.5kV；

二次線圈容量（兼作所用變壓器）：630kVA；

連接組別：ZNyn11；

額定頻率：60Hz；

中性點(diǎn)電流：1 800A，10s；

冷卻方式：ONAN；

絕緣耐熱等級(jí)：A級(jí)；

變壓器使用地海拔：3 400m。

3.2 變壓器線圈結(jié)構(gòu)布置方式

接地變的一次側(cè)（高壓側(cè)）為Z接雙半只線圈結(jié)構(gòu)，其布置方式如圖3所示，即（輻向）低壓＋主空道＋高壓（1）＋油道＋高壓（2）。對(duì)高零序阻抗變壓器，可把低壓繞組放在兩個(gè)高壓半繞組之間，即采用高壓（1）＋油道＋低壓＋油道＋高壓（2）布置方式。

圖3 變壓器線圈結(jié)構(gòu)布置方式

3.3 主要參數(shù)計(jì)算

3.3.1 電壓計(jì)算

一次側(cè)Z接各繞組的相量關(guān)系如圖4所示。

由相量圖知，根據(jù)正弦定理：

圖4 各繞組間的相量關(guān)系

由于額定電壓U1N是相電壓的倍，所以：

即在Z接變壓器中，高壓半相線圈的相電壓＝線電壓的1／3。綜上所述：

3.3.2 零序阻抗的確定

接地變的中性點(diǎn)電流為1 800A，則一次繞組故障電流每相值即短路電流Ik＝1 800／3＝600A，接地變每相零序阻抗X0＝U1／Ik＝19 919／600＝33.2Ω，則所設(shè)計(jì)的接地變壓器，其零序阻抗需滿足X0≥33.2Ω／相。

3.3.3 等值長期容量計(jì)算

根據(jù)IEEE－C62.92.3標(biāo)準(zhǔn)對(duì)過載系數(shù)的規(guī)定，換算變壓器短時(shí)容量為持續(xù)額定容量，列入表1。

表1 換算表

中性點(diǎn)直接接地時(shí)一次繞組短路電流Ik＝1 800／3＝600A，一次繞組短路容量34.5×600＝35 850kVA，根據(jù)表1，過載時(shí)間10s的變壓器過載倍數(shù)為10.5，則接地變壓器的等值長期容量：

接地變二次線圈容量為630kVA，則該臺(tái)接地變額定容量SN＝3 414＋630＝4 044kVA，取整SN＝4 100kVA，即該臺(tái)接地變的型號(hào)可描述為JKS－4100／34.5。

3.3.4 鐵芯直徑選擇及繞組匝數(shù)計(jì)算

初選鐵芯直徑：

式中，K為鐵芯直徑經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，接地變此系數(shù)的取值要小于普通電力變壓器，一般取40。

取標(biāo)準(zhǔn)鐵芯直徑D＝245mm，芯柱的凈截面At＝431.262cm2；低壓繞組匝數(shù)取為W2＝1 080匝，變壓器的每匝電勢為et＝U2／W2＝19 919／1 080＝18.444V。鐵芯磁密為：

這里需要注意的是該臺(tái)接地變一次側(cè)沒有調(diào)壓，故其磁密的選取應(yīng)按普通電力變壓器設(shè)計(jì)的磁密值93%～95%選取，以保證特殊情況下不過激磁，同時(shí)降低接地變的空載損耗。

高壓繞組半部分匝數(shù)：

3.3.5 電密的確定

接地變二次繞組的電密同普通電力變壓器選取，一次繞組的電密選取需考慮短路電流持續(xù)10s時(shí)一次繞組的熱穩(wěn)定性。繞組的尺寸計(jì)算等同普通產(chǎn)品，在此不做計(jì)算。繞組線匝排列及尺寸計(jì)算結(jié)果列于表2。

表2 繞組線匝排列及尺寸

在中性點(diǎn)直接接地的情況下，系統(tǒng)發(fā)生單相對(duì)地短路，短路電流持續(xù)10s時(shí)一次繞組的熱穩(wěn)定性核算：

繞組短路后的平均溫度：

3.3.6 零序阻抗計(jì)算

接地變壓器零序阻抗可按普通雙繞組電力變壓器阻抗計(jì)算公式計(jì)算，即：

式中，f為額定頻率，f＝60Hz；WB為高壓繞組半部分匝數(shù)；Σ23為高壓兩個(gè)半繞組的等值漏磁面積；ρ23為洛氏系數(shù)；k為附加電抗系數(shù)；Hk23為高壓兩個(gè)半繞組的平均電抗高度（各尺寸均以cm計(jì)）。

圖5 漏磁組分布圖

以上各參數(shù)的計(jì)算過程同普通雙繞組電力變壓器，在此不一一展開，其計(jì)算結(jié)果如下：

3.3.7 一、二次繞組的阻抗計(jì)算

低壓繞組磁勢F2與高壓繞組（1）磁勢FG1、高壓繞組（2）磁勢FG2的關(guān)系相量圖如圖6所示。

圖6 磁勢相量圖

高壓繞組（1）與高壓繞組（2）分解出軸向分量的磁勢總和等于低壓繞組的磁勢，其大小相等、方向相反，磁勢平衡方程式為：

軸向分量（第一分量）：

式中，I1、I2為一次繞組、二次繞組正常電流。

高壓兩個(gè)半繞組分解出橫向分量的磁勢相互平衡，大小相等、方向相反，磁勢平衡方程式為：

橫向分量（第二分量）：

低壓繞組相對(duì)磁勢A1＝1。

高壓半繞組相對(duì)磁勢的第一分量為：

變壓器有兩個(gè)漏磁組，這兩個(gè)漏磁組的等值漏磁面積計(jì)算如下（參照?qǐng)D5）：

第一分量等值漏磁面積為：

式中，ρ為洛氏系數(shù)；Hk123為高壓兩個(gè)半繞組及低壓繞組的平均電抗高度。

第二分量等值漏磁面積為：

以上各參數(shù)的計(jì)算過程同普通產(chǎn)品，在此不做展開，其短路阻抗計(jì)算結(jié)果如下：

3.3.8 其他參數(shù)計(jì)算

接地變的損耗及溫升等計(jì)算方法同普通產(chǎn)品，在此不做計(jì)算。

3.4 高海拔變壓器設(shè)計(jì)中需注意的問題

該臺(tái)接地變使用地的海拔高度為3400m，為高海拔地區(qū)，故在變壓器設(shè)計(jì)過程中還需對(duì)相關(guān)的參數(shù)根據(jù)海拔高度進(jìn)行修正。海拔高度對(duì)該臺(tái)變壓器設(shè)計(jì)的影響主要體現(xiàn)在以下三方面：

（1）溫升影響：安裝場所海拔高于1 000m，而試驗(yàn)場地低于1 000m，自冷式變壓器繞組平均溫升限值應(yīng)按海拔每增加400m降低1K計(jì)算，故其溫升限值要比常規(guī)產(chǎn)品低6K。

（2）對(duì)絕緣距離的影響：變壓器在海拔高于1 000m的地區(qū)運(yùn)行時(shí)，其所需的空氣間隙值按每增加100m（對(duì)于1 000m海拔而言）增加1%來計(jì)算。

（3）對(duì)套管外絕緣水平的影響：用在高海拔地區(qū)的套管，其外絕緣水平需要按海拔高度對(duì)其雷電沖擊耐壓和工頻耐壓進(jìn)行修正。根據(jù)IEC60694，修正系數(shù)如下：

把海拔高度H＝3 400m代入上式得到Ka＝1.34。修正后的套管外絕緣水平為：LI268kV AC114kV；其內(nèi)絕緣水平為正常值：LI200kV AC85kV。

4 結(jié)語

以上介紹的是帶二次負(fù)載的接地變?cè)O(shè)計(jì)方法，對(duì)于不帶二次負(fù)載的接地變，因其少了低壓繞組，設(shè)計(jì)上更為簡單，可參照上述介紹的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)。

本公司按以上設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的該臺(tái)接地變經(jīng)過整體試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足國標(biāo)和技術(shù)協(xié)議的要求，說明該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法正確。

［1］路長柏，朱英浩.電力變壓器計(jì)算［M］.哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1986.

［2］崔立君.特種變壓器理論與設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1995.