110kV有载调压变压器的优化设计

吕腾飞，陈传明，徐永伟

（山东电力设备有限公司，山东济南，250022）

摘要：本文分别从绕组涡流损耗计算、引线结构及电场分布、油箱机械强度等方面对110kV有载调压变压器进行了研究。通过优化设计和样机试制，并与之前方案对比，验证了该优化方案的经济性和实用性。

关键词：有载调压变压器；涡流损耗；引线结构；油箱机械强度；优化设计

The Optimal Design of the 110kV On-load Tap Changing Transformer

Lv Teng-fei，Chen Chuan-ming，Xu Yong-wei

（Shandong Power Equipment Co., Ltd.，Jinan，250022，China）

Abstract: In this paper, the study of the 110kV On-load Tap Changing transformer is accomplished in ways as follows: eddy current loss calculation, lead structure, electric field distribution and oil tank mechanical strength, respectively. By the optimal design method and the manufactured prototype, also the comparison with the previous design plan, the economic effect and the practicability of the proposed design solution is verified.

Keywords: On-load Tap Changing Transformer；Eddy Current Loss；Lead Structure；Oil Tank Mechanical Strength；Optimal Design

1 引言

随着电力变压器产品需求量日趋增长，市场竞争日趋激烈，进行110千伏有载调压变压器结构的优化设计成为各生产厂商关注的焦点。未来产品的设计将不仅只关注降低损耗，而且会从运行可靠性、安全环保、方便维修、节能降耗等方面进行综合考虑，研制出低损耗、低噪音、运行可靠、抗短路能力强的电力变压器产品。

目前，国内外110千伏有载调压变压器产品的引线结构，主要是三相调压分接线均位于高压侧中部水平走线方式，此结构形式已得到各生产厂家的广泛应用。本文以我公司生产的变压器样机为依托，通过对110千伏有载调压变压器产品进行优化设计，通过软件仿真分析，选取最优引线绝缘距离，优化引线布置方式，大大减小油箱体积，提高了产品经济效益。此外，本文通过进行仿真分析，选取最优的绕组导线规格（简称为“线规”）和匝绝缘厚度，降低线圈运行过程中产生的涡流损耗和线圈幅向尺寸，实现了节能降耗、降低产品运营成本的目的。

2 110kV有载调压变压器

众所周知，变压器涉及电学、磁学、热学、力学等多种学科，在设计过程中需要综合考虑多方面的问题，主要包括：合理的线规以避免因涡流损耗大而产生局部过热，合适的导线匝绝缘厚度，可以有效减小线圈幅向尺寸，缩小变压器器身体积，进而缩小油箱体积，提高油箱空间利用率；合理、美观的引线结构以满足电气和机械性能；制造工艺性好、油箱外形美观、可操作性高、设计成本低等。因此，本文对110kV有载调压变压器优化设计方案主要内容包括：绕组涡流损耗、引线结构、油箱机械强度。

2.1绕组涡流损耗

变压器运行过程中产生的损耗主要是空载损耗和负载损耗^[1]。空载损耗，又称铁心损耗，主要与变压器硅钢片的材质有关。负载损耗除了导线的电阻损耗之外，附加损耗也占较大的比重，主要包括并联导线间的环流损耗和导线在漏磁场中产生的涡流损耗。其中，涡流损耗是由导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，导体内感生的电流所产生的能量损耗。本文重点研究变压器绕组中的涡流损耗。

目前，典型110kV变压器产品普遍采用心式结构，即绕组套装在铁心柱外。此时，变压器绕组主要处于纵向漏磁场中，由纵向漏磁产生纵向涡流损耗。我公司110kV三相有载调压变压器线圈型式通常为饼式线圈，涡流损耗计算公式^[2] [3] 如下：

，（1）

式中：——绕组的涡流损耗，；——绕组的电阻损耗，；——涡流损耗占电阻损耗的百分数，。

已知，绕组的电阻损耗计算公式为：

（2）

式中：——高、中压绕组主分接相电流，低压绕组相电流，；——在75℃参考温度下，绕组的每相电阻，。

绕组涡流损耗系数计算公式为：

（3）

式中：——绕组的涡流损耗系数，在75℃参考温度下，铜线：，铝线：，在其他温度下，需要进行换算；——变压器工作频率，；——垂直于漏磁方向的导线总根数；——平行于漏磁场方向的导线总根数；——裸导线厚度，；——单根导线截面积，；——洛式系数；——平均电抗高度，。

通过公式（3）可以得出，在变压器运行过程中，涡流损耗的大小与绕组线规有关。目前，电力变压器绕组一般采用扁铜导线绕制，对于变压器漏磁场中的扁导线而言，导线在漏磁场中感应出电势并产生涡流。此涡流建立起自身的磁场，进而削弱变压器的漏磁场，即所谓涡流的去磁作用。涡流的去磁作用，随着频率的增加和导线在垂直漏磁场方向尺寸的增大而增强。综上所述，合理选取绕组线规对降低变压器的涡流损耗意义重大。

2.2引线结构

众所众知，引线主要包括：线圈引出端与套管之间的连线，线圈引出端之间的连线，分接线引出端与分接开关之间的连线。引线结构设计与变压器的主、纵绝缘结构设计是变压器结构设计的重要组成部分。在电力变压器的引线结构设计过程中，需要综合考虑各方面的绝缘距离要求，主要包括：引线与接地部分的绝缘距离，异相及不同电压等级引线之间的绝缘距离，分接开关及分接引线与线圈、套管带电部分（均压球、接线板）、油箱、铁心的绝缘距离，引线沿夹持木件的爬电距离等。

目前，110kV变压器产品的引线材料一般采用铜绞线、电缆线、铜排、铜管及铜棒。在实际产品应用中，引线可以是裸露的导线，也可以是裸导线外包扎不同厚度的绝缘（皱纹纸、电缆纸等）或裸导线外套绝缘管。通常，通过层压木、层压纸板或成型绝缘件与焊接在铁心夹件上的固定板配合，实现对引线可靠的夹持、固定。下面给出常规典型110kV有载调压变压器产品的高压引线结构，如图1所示。

图1 典型110kV有载调压变压器高压引线结构

目前，电力变压器产品现有的引线结构相对而言比较固化，安全裕度过高，引线结构有很大的优化空间；再者，引线材料也在逐步升级换代，对降低电力变压器产品的引线损耗意义重大，进而实现降本增效的目的。

2.3油箱

变压器的三大组成部分主要是铁心、绕组和油箱，在变压器的生产、运输和运行过程中，油箱会受到不同程度的载荷，因此，油箱结构和强度的优劣直接决定变压器是否安全可靠运行。目前，国内外各生产制造厂家对110kV电力变压器产品普遍采用钟罩式结构，即分为上节油箱和下节油箱，上、下节油箱通过密封垫圈及螺栓、螺母进行密封连接。

钟罩式油箱的主要优点是便于现场吊罩检查，并利于变压器器身的维护和检修，在变压器检修时，只需要起重设备将上节油箱起吊即可。目前，大容量电力变压器产品上节油箱的重量一般不会超过变压器器身的重量，大大降低了对现场起重设备能力的要求。因此，我国电力变压器产品主要采用钟罩式油箱结构型式。

3  110kV有载调压变压器优化设计

综上所述，在电力变压器安全稳定运行的前提下，为了满足节能降耗的需求，实现电力变压器小型化设计的目的，同时，提高典型110kV电压等级电力变压器产品经济性能，必须优化当前产品结构，主要包括绕组线规与匝绝缘厚度选取、引线结构、油箱结构等。本文以110kV有载调压变压器产品为研究对象，分析变压器绕组不同线规下的涡流损耗、引线的电场分布、油箱结构及其机械强度，并通过仿真软件对其进行仿真验证，最终选取合理的线规、最优的绝缘距离、最优油箱结构，从而实现电力变压器整体结构的优化设计。

3.1  绕组导线规格与匝绝缘厚度选取

通过前文分析可知，涡流损耗的大小与绕组线规有关。本文以我公司研发设计的变压器样机为依托，通过VEI/REST仿真软件对三种高压绕组线规进行验证分析，搭建饼式线圈仿真模型，最终选取最优线规，仿真结果如表1所示。

表1三种线规下绕组涡流损耗

注：表中HMXL代表最大分接时，高压线圈与低压线圈运行状态；HMNL代表最小分接时，高压线圈与低压线圈运行状态；HNRL代表额定分接时，高压线圈与低压线圈运行状态。

通过仿真结果和理论计算可知，高压绕组采用线规3时，产品在各种运行状态下总涡流损耗最小。此外，减少绕组导线间的匝绝缘厚度，可以减少线圈的幅向尺寸，使变压器器身体积减少，进而缩小了变压器油箱体积，提高了产品的经济性能。

3.2引线结构优化及电场分析

电力变压器结构优化设计过程中，为了充分提高油箱空间利用率，设计者必须选择合理的引线结构，提高引线的绝缘强度，并满足引线对变压器各部分结构的绝缘距离。引线结构的设计，不仅需要考虑引线自身的绝缘厚度，并且需要考虑引线与变压器铁心、绕组、器身、油箱各部分的绝缘距离，包括：引线与铁心腹板平面、引线与结构件尖角、引线之间、引线与绕组、引线与套管均压球、以及引线与油箱等的绝缘距离。此外，在变压器实际运行中，产品不仅需要长期承受工作电压和负荷电流，并且在故障中需要承受短时过电压、短路电流、短路电动力，这些均会影响到变压器引线结构的设计。

综合考虑所有制约因素，严格保证引线对接地金属结构件的绝缘距离是变压器安全运行的首要条件。本文提出的引线优化结构，优于典型110kV有载调压变压器三相调压分接线均位于高压侧中部水平走线的方式。优化的引线结构主要是调整分接引线的布线方式，为了充分利用三相绕组相间空间，两相分接引线沿高压铁心下夹件通过夹持木件两侧水平布线，一相分接线位于低压侧布线，最终连接至有载开关的接线方式，如图2和图3所示。同时，为了缩小变压器器身体积，缩短低压引线夹持木件尺寸，减少引线夹持木件规格。优化后的引线结构布线更美观整齐，并且具有良好的机械强度和可靠的电气性能。

图2 110千伏有载调压变压器高压引线优化结构

图3 110千伏有载调压变压器低压引线优化结构

为了验证优化后引线结构的电气性能，通过搭建110kV有载调压变压器引线模型，利用Mainlnsulation仿真软件对不同绝缘距离的引线电场进行分析验证。此外，通过对模型的仿真分析，寻找到引线绝缘结构的薄弱点，即高压均压球到油箱箱壁的绝缘距离。在引线优化结构设计过程中，对此处薄弱点采取有效地防护措施，即在油箱磁屏蔽外侧增加防护纸板，通过仿真分析可以得出，未加防护纸板时，均压球到油箱磁屏蔽的安全裕度为1.78，添加防护纸板后，安全裕度为4.03，因此可以得出，油箱磁屏蔽外侧增加纸板防护，可以有效降低此处电场强度或者改变此处引线的电极形状，此时，高压均压球到油箱磁屏蔽的绝缘距离L=100mm，仿真结果如图4所示。

（a）油箱磁屏蔽无防护纸板（b）油箱磁屏蔽有防护纸板

图4 高压均压球对油箱箱壁及油箱磁屏蔽的电场分布及安全裕度

此外，为了缩小油箱体积，通过仿真分析软件Mainlnsulation对调压线圈到油箱箱壁的绝缘距离进行验证。再者，为了进一步缩小油箱体积，通过仿真分析软件Lead对调压分接引线到油箱箱壁的绝缘距离进行验证，通过两种仿真结果综合分析，选取调压线圈到油箱箱壁的最优绝缘距离L=75mm，此时仿真结果如图5所示。

（a）调压线圈对油箱箱壁

（b）调压分接引线对油箱箱壁

图5 电场分布及安全裕度仿真结果

通过仿真分析总结得出，在满足电气可靠运行和机械强度的前提下，合理优化引线结构型式，寻求高压均压球、调压线圈、调压分接引线到油箱箱壁的最优绝缘距离，可以显著提高油箱空间利用率，缩小油箱体积，降低钢材和变压器油用量，对大批量产品生产意义重大。

3.3油箱结构优化及强度分析

电力变压器油箱，在产品生产、运输、运行过程会受到不同程度的载荷，因此，对油箱机械强度的研究十分重要。本文通过搭建110千伏变压器油箱模型，对不同油箱厚度下油箱的机械强度进行分析，寻求最优箱盖和箱壁厚度。

本文通过Creo 2.0软件建立油箱简化模型，参数如表2所示，三维模型如图6所示。

表2油箱简化模型参数

1）原油箱结构             2）油箱优化结构（箭头所示）

图6 油箱三维结构示意图

本文通过ANSYS仿真软件进行有限元仿真分析，网格参数如表3所示，模型有限元网格划分如图7所示。

表3 仿真网格参数

图7 ANSYS前处理单元划分示意图

本文主要对三种油箱结构进行验证分析，在满足油箱正压试验时变压器最大应力不超出材料许用范围，油箱最大变形量低于许用值的前提下，确定油箱最优结构，如表4所示。

表4 三种油箱结构数据表

通过表4可以看出，优化后的油箱结构大大降低了油箱重量，减少了钢材的使用量，降低了电力变压器生产成本，提高产品经济性。

4  实例

综上所述，本文以我公司110kV有载调压变压器样机为研究对象，进行产品优化设计，设计思路如图8所示，优化数据如表5所示。

图8 110kV有载调压变压器优化结构

表5 优化产品与前期同类型产品数据对比

通过表5的数据对比可以看出，优化后的产品结构明显优于前期同类型产品，显著减小了变压器油箱体积，降低了铜、铁、变压器油等原材料的消耗，大大提高了产品的经济效益。

5  结束语

本文通过对110kV有载调压变压器产品整体结构的优化设计，选取最优的绕组导线规格尺寸、减少绕组导线的匝绝缘厚度、寻求最优绝缘距离、设计引线结构型式，大幅度缩小了电力变压器的油箱体积。此外，高、低压引线结构的优化设计，电气性能稳定可靠，机械强度满足要求。此优化结构不仅实现了电力变压器小型化设计的目的，而且节省铜材、铁材、钢材、变压器油等原材料用量，同时，降低了储油柜选用规格，减少变压器整体尺寸和现场占地面积，节省变压器运输费用，降低产品生产制造成本，显著提高了110kV有载调压变压器产品的经济性和产品实用性。

参考文献

[1]路长柏.电力变压器理论与计算[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2007.4.

[2]刘传彝.电力变压器设计计算方法与实践[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2002.9.

[3]李湘生，陈乔夫.变压器的理论计算与优化设计[M].武汉：华中理工大学出版社，1990.12.

基金项目：

作者简介：

吕腾飞（1987-），女，山东烟台，山东电力设备有限公司工程师，主要从事电力变压器的研发和设计工作；