单相双绕组试验变压器设计及绕组冲击电压分布研究

陈勇（国网四川省电力公司绵竹市供电分公司   四川 绵竹  618200）

 

摘要：研究变压器绕组冲击电压分布对变压器绕组绝缘结构优化设计具有重要的意义。本文中，首先设计了一台带抽头的单相双绕组变压器，型号为10kVA-220V/2400V，主要考虑变压器铁芯和绕组抽头结构的设计。然后基于该变压器，利用纳秒脉冲发生器、示波器和电容分压器，搭建了变压器绕组冲击电压分布试验平台。最后，在不同电压大小，不同脉冲电压宽度条件下，测量了变压器绕组的电压分布，并得出：冲击电压下，绕组电压分别极不均匀，绕组首端承受的电压最大。

关键词：变压器；绕组；冲击电压分布；抽头

 

0 引言

计算和测量变压器绕组冲击电压分布具有重大的经济价值和现实意义。但变压器绕组没有抽头引出线，无法对其直接测量绕组冲击电压分布。并且电力变压器^[1-6]价格昂贵，制造工艺复杂、绝缘要求严格，不可能对绕组进行抽头结构设计，而且也不利于变压器稳定运行。因此设计带抽头的变压器进行绕组电位分布^[7-9]研究很有意义。

针对变压器绕组的电压分布，清华大学杨学昌、王赞基等人^[10-12]提出了计算电力变压器线圈暂态电压分布的贝杰龙法。武汉大学阮江军等人^[13]基于多导体传输线模型(MTLs)，针对特高压换流变压器，研究了绕组电位分布，同时还对锥形绕组^[14]和脉冲变压器^[15]特快速暂态过电压分布进行研究。这些文章重点都是采用不同的数值计算方法计算变压器绕组电压分布。但通过直接测量变压器绕组冲击电压分布的研究还较少。

针对以上问题，首先设计了一台带抽头的单相双绕组变压器，型号为10kVA-220V/2400V，主要考虑变压器铁芯和绕组抽头的设计。然后基于该变压器，利用纳米脉冲发生器、电容分压器和示波器搭建了变压器冲击电压分布试验平台。最后通过测量在不同电压大小，不同脉冲电压宽度条件下的变压器绕组抽头的电压，研究绕组冲击电压分布。

 

1 单相双绕组试验变压器设计

1.1铁芯结构设计

变压器容量S为10kVA，根据经验公式，变压器铁芯直径D如下：

其中，k取值为55-65。代入数据，k取58，得到：

根据设计要求，取变压器铁芯直径为105mm。

变压器铁芯采用口字型结构，具体尺寸结构如图1所示。

图1 口字型结构铁芯

变压器铁芯截面宽度b与厚度r的关系如下表所示：

表1 变压器铁芯截面宽度b与厚度r的关系

铁芯截面形状及具体尺寸如图2所示。

图2 变压器铁芯截面

铁芯截面积为S₁，是由硅钢片叠成的矩形的面积之和，计算公式为：

带入表中的数据，得变压器铁芯截面积为：

考虑到铁芯叠片系数k=0.95，铁芯有效截面积S为：

按照上面的设计，用硅钢片叠压好的铁芯结构如图3所示。

 

图3 变压器铁芯结构

如上图所示：变压器铁芯为口字型结构，左右柱为圆柱，上下柱为方柱。白色的为环氧布，黑色的表示硅钢片。

1.2绕组匝数设计

变压器绕组绕制在铁芯外面，位置如图4所示。

图4 变压器绕组和铁芯的位置关系

图4表示变压器绕组和铁芯的位置关系。铁芯直径为105mm，中间为环氧布和环氧管，116mm以外为变压器高低压绕组。

根据经验公式，变压器每匝电压为u，单位为V/匝，其计算公式如下：

式中，f取为工频50Hz，B_m为铁芯磁通密度，这里取15T。代入数据，得到：

 V/匝

低压绕组匝数为N₁，高压绕组匝数为N₂，分别如下所示：

匝

匝

式中：U₁为低压绕组电压，U₂为高压绕组电压。

流过低压绕组的电流为I₁，流过高压绕组的电流为I₂，取铜导体的电流密度为2.9A/mm²，S₁和S₂分别为低压导体和高压导体的截面积。

考虑到绕制的方便性，变压器低压绕组取的丝包扁铜线，丝的厚度为0.2mm。

考虑到绕制的方便性，变压器高压绕组取φ1.45/φ1.53的漆包铜线。截面积为1.65mm²。

绕制好的变压器绕组如图5所示。

 

图5 变压器绕组结构

1.3变压器绕组抽头设计

变压器高压绕组共有960匝，分为两个部分，每部分480匝，位于左右两个圆柱。绕组每48匝作为一层，连续绕在铁芯外。且每48匝引出一个抽头，共有20个抽头。具体抽头结构如图6所示。

图6 抽头示意图

变压器低压绕组共有176匝，平均分布在铁芯左右两个圆柱上。当两个低压绕组串联时，输入220V的电压，高压每级输出60V，共20级，最大可输出V。当两个低压绕组并联时，输入220V的电压，高压每级输出120V，共20级，最大可输出V。

1.4变压器封装

为了使变压器更牢固，变压器用铁壳进行密封，如图7所示。

 

(a)                   (b)

图7 变压器内部及界面

图7(a)是变压器密封过程中的一张图片。黑色的线条是变压器绕组的引出线。封装完成后如图7(b)所示。这样封装的界面最大的有点就是比较简洁。a和x表示低压侧，既可以串联也可以并联。0到20表示高压侧，共有20级输出电压。图中的接地表示铁芯和变压器外壳的接地。

2 绕组电压分布试验平台搭建

2.1试验设备

(1)试验变压器

本文变压器为单相双绕组试验变压器，型号为10kVA-220V/2400V，即：容量为10kVA，低压测额定电压为220V，高压侧额定电压为2400V。

给出变压器基本结构参数，如表2所示。

表2 绕组基本结构参数

(2)试验电源

本文试验电源为纳秒脉冲发生器。其触发由工控机控制，输出电压脉冲宽度范围为几十纳秒到上千纳秒，可输出最大电压幅值达5kV。

(3)分压器和示波器

本文分压器采用TJF10-300电容分压器，分压比为350：1，额定电压为10kV，低压臂电容为0.1033μF，高压臂电容303.7pF。本文采用的两个四通道示波器，型号相同，为泰克TDS2024C，采样率最高可达200MHz。

2.2试验平台

基于上述变压器、试验电源、分压器和示波器，搭建绕组冲击电压分布试验平台，测量不同电压、不同脉冲宽度电压下变压器绕组电压分布。试验平台如图8所示。

 

图8 绕组电压分布试验平台

基于绕组电压分布试验平台，由工控机触发纳秒脉冲发生器产生不同电压幅值、不同脉冲宽度的电压，分别施加在串联使用的低压绕组和并联使用的低压绕组，经过电容分压器分压，由示波器测量得到高压绕组各抽头电压波形。

3 绕组电压分布测量及分析

3.1 绕组电压波形

基于上一节搭建的试验平台，进行不同电压下、不同脉冲宽度下绕组电压测量。当变压器低压绕组串联和并联时，测量得到高压绕组各个抽头的电压波形经过滤波分别如图9和图10所示。

 

图9 变压器低压绕组串联                     图10 变压器低压绕组并联

3.2不同电压下绕组电压分布

当低压绕组串联并使用纳秒脉冲发生器施加脉冲宽度为1400ns，电压别为30V、40V、50V、60V (实际施加电压为8倍)时，取各抽头电压峰值，如图11所示。

 

图11 低压串联绕组电压分布

由图11可知：在低压绕组串联并施加脉宽为1400ns的脉冲时，电位分布不均匀，绕组首端承受电压较大。

当低压绕组并联时，使用纳秒脉冲发生器施加脉冲宽度为1400ns，电压分别为15V、20V、25V、30V (实际施加电压为8倍)，取各抽头电压峰值，如图12所示。

 

图12 低压并联绕组电压分布

由图12可知：在低压绕组并联并施加脉宽为1400ns的脉冲时，电位分布极不均匀，绕组首端承受电压较大。

3.3不同脉宽下绕组电压分布

当低压绕组串联时，分别施加脉冲宽度200ns、400ns、800ns和1400ns的脉冲电压，绕组各抽头电压波形依次为图13(a)、(b)、(c)、(d)。当低压绕组并联时，分别施加脉冲宽度200ns、400ns、800ns和1400ns的脉冲电压，绕组各抽头电压波形依次为图14(a)、(b)、(c)、(d)。

 

图13 低压串联不同脉宽下各抽头电压波形

 

图14 低压并联不同脉宽下各抽头电压波形

由图13和图14可得：当低压绕组串联时，不同脉冲宽度电压下各绕组抽头电压波形都为正极性的单峰脉冲波形；当低压绕组并联时，各绕组抽头电压波形出现了正极性的双峰脉冲波形。

当变压器低压侧串联时，取各抽头电压峰值，得到低压绕组串联不同脉宽电压分布如图15所示。当变压器低压侧并联时，取各抽头电压峰值，得到低压绕组并联不同脉宽电压分布如图16所示。图15和图16的横坐标表示变压器高压绕组抽头编号，纵坐标表示绕组抽头的电压占各抽头电压总和的比例。不同颜色的曲线表示不同脉冲宽度下的绕组抽头电压分布。

 

图15 低压绕组串联不同脉宽电压分布

 

图16 低压绕组并联不同脉宽电压分布

由图15可得：当变压器低压绕组串联施加不同脉宽的电压时，各抽头电压分布趋势大致相同，绕组电压分布极不均匀，编号1到7电压上升较缓慢，编号9到14电压变化不大，编号14到20电压上升较大。脉冲宽度越小，高压端承受的电压比例越大。

由图16可得：当变压器低压绕组并联施加不同脉宽的电压时，各抽头电压分布趋势大致相同，编号1到10电压上升较均匀，编号10到16电压变化不大，编号16到20电压上升较大。脉冲宽度越小，高压端承受的电压比例越大。

4 结语

1）本文设计了一台带抽头的单相双绕组变压器，型号为10kVA-220V/2400V。主要考虑变压器铁芯和绕组抽头的设计。

2）基于设计的单相双绕组变压器，利用纳米脉冲发生器、示波器和电容分压器搭建了变压器冲击电压分布试验平台并测量绕组电压分布。

3）在不同电压大小，不同脉冲电压宽度条件下，测量了变压器绕组电位分布。冲击电压下，绕组电压分别极不均匀，绕组首端承受的电压最大。冲击电压脉冲宽度越小，高压端承受的电压比例越大。