摘要：采用量化設計方式，應用有限元仿真分析技術確定了串、并聯繞組結構布置及開關絕緣水平，開發設計了三相128kV雙電壓電力變壓器。

　　關鍵詞：變壓器;有限元;雙電壓

　　1前言

　　隨著世界經濟的不斷發展，電力資源的高效利用以及電網系統的不斷升級改造，用戶對雙電壓變壓器的需求有所增加。雙電壓的特點主要有電壓轉換后聯結組別不變，兩種電壓運行狀態下無閑置匝數，用戶使用方便，可以根據實際需求進行兩種電壓間的轉換。新產品設計方案通過了電場、磁場、溫度場及機械力等方面的全方位分析計算，根據模擬分析結果，優化了產品的結構，利用技術手段控制產品成本，保證分析數據符合生產廠家的量化分析控制標準要求。通過采用量化設計方式，應用成熟的工藝技術和多種有限元仿真分析手段，成功開發設計了三相128kV雙電壓電力變壓器。

　　2主要技術參數

　　型號：SF11-11000/128額定頻率：50Hz額定容量：11/11MVA額定電壓：128±2×2.5%-64+3-1×5%/5.5kV短路阻抗：9%聯結組別：YNd11冷卻方式：ONAN/ONAF空載損耗：≤12.5kW負載損耗：≤59.6kW絕緣水平：h.v.線路端子LI650AC275l.v.線路端子LI60AC20l.v.中性點端子LI385AC165

　　3產品結構及設計控制

　　3.1方案確定及結構

　　此臺變壓器為雙電壓無勵磁調壓，雙電壓分接級數及百分數不同，串并聯聯結方式及調壓結構成為設計方案的關鍵。通過對多種方案的對比分析，確定此臺產品采用高壓繞組分兩段，通過開關進行串并聯之后，再串入調壓繞組的這種方式能夠滿足用戶雙電壓128±2×2.5%-64+3-1×5%/5.5kV的使用要求，兩種電壓下調壓部分通過的電流不同，并聯方式為串聯方式的2倍。變壓器高壓繞組分上、下完全對稱的兩段，通過串并聯開關實現聯結，調壓繞組通過無勵磁分接開關連接各級電壓，鐵心采用三相三柱式結構。高壓繞組采用全糾結式，端部進線結構，低壓繞組采用連續式，端部進線結構，高壓和低壓繞組的安匝平衡好，安匝不平衡引起的短路力較小。高、低壓套管從油箱頂部引出，串并聯開關布置在高壓A相附近儲油柜對側。接線原理圖如圖1所示，外形圖如圖2所示。高壓繞組為Y接法，分上、下兩段，首、末端分別與開關觸頭連接，絕緣水平高。高壓繞組首端出頭通過三通管分別引至套管及串并聯開關，分接段放置在高壓繞組末端，高壓中性點連線路徑長，連線后采用軟銅絞線直接從油箱頂部升高座引出至套管。因產品絕緣水平高，繞組端部絕緣及引出線的絕緣結構設計是產品的關鍵所在。

　　3.2設計控制

　　在設計階段，通過采用有限元仿真分析計算，對產品設計方案全面量化，利用技術手段控制產品成本，完善技術分析手段，優化產品的結構布置，將先進技術全部應用到實際產品中，分析數據滿足公司的量化控制標準，達到產品性能優越、結構簡單、安全可靠及節約成本的目的。通過模型或產品的試驗數據進行跟蹤對比驗證，持續修改控制規范，完善分析體系，實現設計產品達到真正數值上的量化。下面通過新產品開發簡單敘述整體設計分析方案。3.2.1絕緣結構設計產品容量小，絕緣等級高，絕緣結構設計是變壓器設計的關鍵，同時需要考慮絕緣結構的安全性和經濟性。充分利用有限元仿真分析軟件，計算變壓器在標準和協議要求的各種試驗電壓作用下，繞組之間、繞組對地以及繞組的匝間、餅間的電位分布和電場強度。根據計算數據，確定變壓器主、縱絕緣的參數和絕緣結構，并確保有足夠的安全裕度。繞組在雷電沖擊電壓作用下的絕緣強度是絕緣設計的重點。通過波過程計算程序分別計算繞組在雷電全波和雷電截波作用下的電位及梯度分布，計算主要分為下面兩種情況。(1)串聯時，高壓繞組首端全波入波，高壓兩段串聯，其余繞組接地。高壓繞組的單元最大沖擊梯度7.41%，安全裕度1.58。(2)并聯時高壓繞組首端全波入波，其余繞組接地。高壓繞組的單元最大沖擊梯度9.70%，安全裕度1.67。通過繞組波過程計算，因為串、并聯后，入波電壓值不同，絕緣結構相同，串聯時，梯度低，安全裕度小，并聯時，梯度大，安全裕度大。繞組的沖擊場強在設計許用值之內，且整體安全裕度較大，繞組絕緣安全可靠。3.2.2串并聯開關的應用及高壓中部電場分析(1)此臺變壓器串并聯轉換通過串并聯開關實現，通過軟件分析計算產品在串聯及并聯時，開關觸頭在沖擊電壓下的電壓分布情況，折算至感應電位，觸頭電壓分布如表1所示。通過計算各觸頭電壓，嚴格控制帶電體絕緣在油中的表面場強，使其滿足設計的場強許用值。根據計算電位，確認串并聯開關的絕緣水平選取，對首端沖擊650kV，工頻275kV，級間沖擊450kV，工頻180kV.(2)高壓中部電場計算如圖3所示，油中最大電場強度7.5kV/mm，有較大裕度。3.2.3漏磁分布當變壓器中流過負載電流時，產生漏磁通，漏磁通在油箱壁上和繞組內產生附加損耗。通過分析計算，控制最大漏磁通密度及其分布。(1)并聯時產品最負分接漏磁分布如圖4所示，箱壁漏磁較大的部位在箱壁下部，最大值約為0.38T，小于設計允許的磁密值，裕度為43%。故本臺產品不會產生局部過熱現象，無需采用屏蔽措施。因高壓上部和高壓下部流過電流與繞組的安匝分布及不平衡度有關，調整安匝不平衡度，高壓上部電流比高壓下部電流大約25%，設計時按照大的電流選擇導線進行計算。(2)串聯時繞組漏磁分布如圖5所示，高壓上部和下部的電流是相等，漏磁分布與常規一致。3.2.4流體計算熱點溫升通過對變壓器的油流分布進行分析調整，改善了繞組的油流分布及散熱效果，因絕緣等級高，油道尺寸較大，散熱效果好，對繞組進行流體計算，得到了繞組的熱點溫升及熱點位置，最熱點溫升為68K，在第一個餅上，繞組的溫度分布圖，如圖6所示。3.2.5機械強度本臺產品主要計算繞組的短路強度及油箱的機械強度。通過設計計算和工藝保障，提高繞組的動、熱穩定性能，主要內容如下。(1)采用變壓器繞組抗短路能力計算程序進行繞組的輻向失穩和軸向失穩的計算，確保有足夠的安全裕度。(2)針對高、低壓繞組的輻向穩定性采取了加強措施。采用半硬銅導線，以提高繞組的輻向失穩平均臨界應力;增加低壓繞組的內撐條數量;繞組內襯硬紙筒，硬紙筒與鐵心柱之間用撐棒撐實;繞組繞制套裝緊實。(3)繞組墊塊采用高密度紙板并進行預壓密化處理;繞組采用恒壓干燥處理;對繞組進行軸向預壓緊等工藝保障措施。繞組的強度計算裕度如表2和表3所示。(4)油箱采用鐘罩式結構，箱壁采用高強度鋼板整板焊接，下節油箱采用立板加強，上節油箱采用立式加強筋，箱蓋采用平頂結構，通過機械強度的核算，合理地布置加強筋的數量和位置，使油箱在滿足機械強度要求下簡潔且美觀。負壓計算最大彈性變形為5.4mm，如圖7所示。正壓計算最大彈性變形為6.48mm，如圖8所示。3.2.6低噪聲變壓器噪聲主要由鐵心的磁致伸縮產生振動引起，在設計中采取下列方法并通過工藝保障措施減小鐵心的振動。(1)此臺產品鐵心采用三相三柱式，全斜六級接縫型式，鐵心片為高導磁冷軋取向硅鋼片。(2)上、下鐵軛采用高強度板式鋼夾件，通過均勻分布的鋼拉帶對鐵軛施以均衡的夾緊力，同時嚴格控制夾緊力的大小。(3)鐵心柱使用高強度聚酯帶緊實綁扎，芯柱受力均勻。并在每級疊片邊緣涂環氧膠，固化后可增圖7負壓油箱變形圖加鐵心邊緣的粘結力，降低鐵心的振動。(4)采用高精度的數控剪切設備剪切硅鋼片，減小了鐵心片在剪切過程中產生的內應力。鐵心采用不疊上鐵軛工藝，避免了鐵心片附加機械應力的產生，同時也減少了空載損耗。(5)在鐵心墊腳和油箱底之間放置減震彈性膠墊，在鐵心和箱底定位釘之間放置減震橡膠環，有效降低了變壓器的噪聲。上述這些方法和措施的采用使變壓器的噪聲為60dB。

　　4主要試驗項目的結果

　　產品的出廠例行試驗和型式試驗由突尼斯和法國專家監測完成，所有試驗項目結果符合國家標準及技術協議要求，產品合格。(1)雷電沖擊試驗。全波及截波試驗波形無畸變，試驗合格。(2)感應耐壓試驗合格，長時局部放電測量高壓和低壓線端測得視在放電量均為30pC以下。(3)溫升和局部過熱測量。溫升滿足國家標準和技術協議要求，沒有局部過熱現象。(4)噪聲測量。噪聲測量結果為60dB。

　　5結束語

　　量化設計在變壓器設計開發過程中至關重要，在多年的有限元仿真分析探索中，由點到面逐次展開，形成了較全面的分析流程，形成自主特色的量化分析控制標準。在設計開發新產品128kV雙電壓變壓器過程中，應用量化設計，充分利用有限元仿真對產品方案進行電場、磁場、流體和機械力等分析計算，保障了產品數據的可靠性，尤其在串并聯開關及無勵磁分接開關整體設計方案的可行性、不對稱漏磁引起的漏磁變化、特殊開關的絕緣水平確定、繞組之間的電流分配等方面為設計提供了重要設計依據。

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　　《128kV雙電壓式電力變壓器的開發設計》來源：《變壓器》，作者：桑旺 梁作德 褚微 李建明 杜昀霈 宗偉