小阻抗、大電流變壓器短路阻抗設(shè)計淺析

王麗丹 劉洋 汪斌

摘 要：本文從變壓器短路阻抗的定義及構(gòu)成因素入手，詳細分析了不同短路阻抗產(chǎn)品的設(shè)計方法和不同構(gòu)成要素對短路阻抗的影響趨勢，并通過對具體小阻抗試驗變壓器產(chǎn)品阻抗的分析計算及與試驗結(jié)果的比對，分析證實了大電流引線電感對變壓器阻抗的影響，提出了采用同相逆并聯(lián)的方法抵消其產(chǎn)生的交變磁通的可行性。

關(guān)鍵詞：小阻抗；大電流；同相逆并聯(lián)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.178

1 概述

本項目YD-4100/10的單相大電流試驗變壓器，用于產(chǎn)品做突發(fā)短路試驗時，給試品提供短路電流。要求試驗變壓器的短路阻抗小于2%，以降低整個試驗系統(tǒng)的短路阻抗，提高短路電流。

由于本產(chǎn)品的短路阻抗要求特別小，短路阻抗的正偏差對系統(tǒng)影響顯著；采取合理的器身結(jié)構(gòu)和引線結(jié)構(gòu)，正確分析并精確計算變壓器短路阻抗成為本產(chǎn)品設(shè)計的重點和難點。

2 產(chǎn)品設(shè)計要點

2.1 產(chǎn)品性能參數(shù)

型號：YD-4100/10；

額定電壓：初級額定電壓12kV；

2個次級繞組W1、W2，額定電壓2×240=480V ；

額定電流：205/8542A；

額定適時試驗工作制：每次最大短路工作容量為52MVA，通電5秒，間歇30分鐘，通電5秒，間歇30分……，每天共進行16個工作循環(huán)；

短路阻抗：≤2%（對于4100kVA）。

2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點

對于小短路阻抗、大電流試驗變壓器，采用合理的器身結(jié)構(gòu)、全面分析短路阻抗的構(gòu)成因素和對短路阻抗影響，是設(shè)計小短路阻抗變壓器的關(guān)鍵。

變壓器短路阻抗通常由阻抗分量和電抗分量組成，即Uk=Ur+jUx；此處的電阻分量不僅僅指的是線圈和引線的直流電阻引起的，而是在短路狀態(tài)下變壓器所消耗的能量，集中的反應在短路電阻上，是一個等效值，它包含了漏磁通在結(jié)構(gòu)件中的損耗，也包括大電流引線等在結(jié)構(gòu)件中的雜散損耗。常規(guī)變壓器阻抗計算僅計算繞組的電抗分量，其電阻分量很小，可以忽略不計，但對于該產(chǎn)品來說，恰恰其電阻分量占有很大的比重，要合理分析，不可忽視。

對于此類產(chǎn)品低壓電壓極低、繞組匝數(shù)少、電流大、線圈采用雙餅結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品采用單相、雙器身結(jié)構(gòu)，兩個器身完全相同，單器身又采用兩柱并聯(lián)的結(jié)構(gòu)增加漏磁組數(shù)增加降低繞組電抗分量。其次在計算短路阻抗時，由于短路阻抗小，要充分考慮短路電阻對短路阻抗的影響，包括低壓大電流引線自身電阻及其所產(chǎn)生的漏磁通，還有外部短路銅排自身電阻及其所產(chǎn)生的漏磁通。

雙餅式低壓繞組工藝簡單，結(jié)構(gòu)設(shè)計時也容易滿足磁勢平衡及大電流引線的引出，變壓器低壓側(cè)每相采用兩塊豎置銅排，將每相的首末端分成了兩個支路。兩個支路電流的大小相等、方向相反，盡量減小兩銅排的間距，使其產(chǎn)生的交變磁通相互抵消，同相逆并聯(lián)效果更好；這樣不僅減小了銅排之間的互感，也大大減小引線銅排帶來的短路電阻分量對短路阻抗的占比。

3 量化引線電感對阻抗的影響

（1）變壓器的阻抗通常采用相對漏磁組進行計算，計算值為Ux%=1.766%，再乘以預估的引線電阻分量的占比1.07后為Ux%=1.89%，同時計算出的負載損耗Pk為11.56kW，那么電阻分量：Ur% = Pk/（S*10） = 0.28%，在公式Uk=Ur+jUx中，電阻分量是有功分量，而電抗分量是無功分量，二者相位差為90°，故短路阻抗1.92%。雖然計算時考慮了引線的影響，但對應實測值2.36%，此方法只計算繞組部分的阻抗，無法完全考慮到引線及外部短路銅排的電抗占比。

（2）為了精確的計算引線及外部短路銅排的電抗占比，本產(chǎn)品采用了三維有限元法對變壓器漏磁場進行了仿真分析。

1）圖2是對變壓器鐵心、繞組以及引線銅排等建立的三維模型，為了看清內(nèi)部結(jié)構(gòu)，油箱先設(shè)為不可見。計算變壓器短路感抗的漏磁場模型由鐵心，高、低壓繞組組成，同柱的高低壓繞組滿足磁勢平衡，同時將繞組匯流的低壓引線銅排、低壓出線端子以及外部短路銅排的連接引入磁場圖。

2）經(jīng)過仿真計算，變壓器自身條件下帶模擬短路引線的短路阻抗模擬計算值為2.05%，與利用VIT驗證的阻抗1.89%比較偏大0.16%（VIT驗證無法考慮引線銅排的電抗影響）。不能消除短路引線的電阻和漏抗，只能是盡量降低短路引線的電阻和漏抗，因此變壓器自身的阻抗為<2.05%。

3）在采用專用的并聯(lián)短路銅排（如圖2）模擬的情況下，模擬驗算的值為2.28%，這與并聯(lián)試驗的實測值2.36%接近，此時并聯(lián)時外部短路用短接片的阻抗應是>0.23%。這表明短路引線的電阻和電抗影響變壓器的阻抗測量。

（3）后來通過改變繞組電抗實現(xiàn)變壓器阻抗小于2%。

4 小結(jié)

（1）設(shè)計小阻抗變壓器時，增加繞組的漏磁組數(shù)以降低繞組電抗分量。

（2）設(shè)計小阻抗變壓器時，不能簡單的利用傳統(tǒng)方法計算短路阻抗，此方法只計算了繞組部分的短路阻抗，但不能充分考慮內(nèi)部引線、出線端子及外部短路銅排的電阻分量的占比。

（3）產(chǎn)品的引線銅排在布置時應充分利用同相逆并聯(lián)的原理，將變壓器每相的首末端分成了兩個支路，兩個支路電流的大小相等、方向相反，盡量減小兩銅排的間距，使其產(chǎn)生的交變磁通相互抵消，這樣不僅減小了銅排之間的互感，也大大減小銅排本身的短路阻抗。

后期另外一臺產(chǎn)品設(shè)計時，由于與本臺產(chǎn)品引線結(jié)構(gòu)相近，利用本產(chǎn)品的阻抗進行歐姆值的折算，考慮銅排電流和長度的影響反推帶入該產(chǎn)品，實測值與計算值偏差很小。