摘要：采用量化设计方式，应用有限元仿真分析技术确定了串、并联绕组结构布置及开关绝缘水平，开发设计了三相128kV双电压电力变压器。
关键词：变压器;有限元;双电压
1前言
随着世界经济的不断发展，电力资源的高效利用以及电网系统的不断升级改造，用户对双电压变压器的需求有所增加。双电压的特点主要有电压转换后联结组别不变，两种电压运行状态下无闲置匝数，用户使用方便，可以根据实际需求进行两种电压间的转换。新产品设计方案通过了电场、磁场、温度场及机械力等方面的全方位分析计算，根据模拟分析结果，优化了产品的结构，利用技术手段控制产品成本，保证分析数据符合生产厂家的量化分析控制标准要求。通过采用量化设计方式，应用成熟的工艺技术和多种有限元仿真分析手段，成功开发设计了三相128kV双电压电力变压器。
2主要技术参数
型号：SF11-11000/128额定频率：50Hz额定容量：11/11MVA额定电压：128±2×2.5%-64+3-1×5%/5.5kV短路阻抗：9%联结组别：YNd11冷却方式：ONAN/ONAF空载损耗：≤12.5kW负载损耗：≤59.6kW绝缘水平：h.v.线路端子LI650AC275l.v.线路端子LI60AC20l.v.中性点端子LI385AC165
3产品结构及设计控制
3.1方案确定及结构
此台变压器为双电压无励磁调压，双电压分接级数及百分数不同，串并联联结方式及调压结构成为设计方案的关键。通过对多种方案的对比分析，确定此台产品采用高压绕组分两段，通过开关进行串并联之后，再串入调压绕组的这种方式能够满足用户双电压128±2×2.5%-64+3-1×5%/5.5kV的使用要求，两种电压下调压部分通过的电流不同，并联方式为串联方式的2倍。变压器高压绕组分上、下完全对称的两段，通过串并联开关实现联结，调压绕组通过无励磁分接开关连接各级电压，铁心采用三相三柱式结构。高压绕组采用全纠结式，端部进线结构，低压绕组采用连续式，端部进线结构，高压和低压绕组的安匝平衡好，安匝不平衡引起的短路力较小。高、低压套管从油箱顶部引出，串并联开关布置在高压A相附近储油柜对侧。接线原理图如图1所示，外形图如图2所示。高压绕组为Y接法，分上、下两段，首、末端分别与开关触头连接，绝缘水平高。高压绕组首端出头通过三通管分别引至套管及串并联开关，分接段放置在高压绕组末端，高压中性点连线路径长，连线后采用软铜绞线直接从油箱顶部升高座引出至套管。因产品绝缘水平高，绕组端部绝缘及引出线的绝缘结构设计是产品的关键所在。
3.2设计控制
在设计阶段，通过采用有限元仿真分析计算，对产品设计方案全面量化，利用技术手段控制产品成本，完善技术分析手段，优化产品的结构布置，将先进技术全部应用到实际产品中，分析数据满足公司的量化控制标准，达到产品性能优越、结构简单、安全可靠及节约成本的目的。通过模型或产品的试验数据进行跟踪对比验证，持续修改控制规范，完善分析体系，实现设计产品达到真正数值上的量化。下面通过新产品开发简单叙述整体设计分析方案。3.2.1绝缘结构设计产品容量小，绝缘等级高，绝缘结构设计是变压器设计的关键，同时需要考虑绝缘结构的安全性和经济性。充分利用有限元仿真分析软件，计算变压器在标准和协议要求的各种试验电压作用下，绕组之间、绕组对地以及绕组的匝间、饼间的电位分布和电场强度。根据计算数据，确定变压器主、纵绝缘的参数和绝缘结构，并确保有足够的安全裕度。绕组在雷电冲击电压作用下的绝缘强度是绝缘设计的重点。通过波过程计算程序分别计算绕组在雷电全波和雷电截波作用下的电位及梯度分布，计算主要分为下面两种情况。(1)串联时，高压绕组首端全波入波，高压两段串联，其余绕组接地。高压绕组的单元最大冲击梯度7.41%，安全裕度1.58。(2)并联时高压绕组首端全波入波，其余绕组接地。高压绕组的单元最大冲击梯度9.70%，安全裕度1.67。通过绕组波过程计算，因为串、并联后，入波电压值不同，绝缘结构相同，串联时，梯度低，安全裕度小，并联时，梯度大，安全裕度大。绕组的冲击场强在设计许用值之内，且整体安全裕度较大，绕组绝缘安全可靠。3.2.2串并联开关的应用及高压中部电场分析(1)此台变压器串并联转换通过串并联开关实现，通过软件分析计算产品在串联及并联时，开关触头在冲击电压下的电压分布情况，折算至感应电位，触头电压分布如表1所示。通过计算各触头电压，严格控制带电体绝缘在油中的表面场强，使其满足设计的场强许用值。根据计算电位，确认串并联开关的绝缘水平选取，对首端冲击650kV，工频275kV，级间冲击450kV，工频180kV.(2)高压中部电场计算如图3所示，油中最大电场强度7.5kV/mm，有较大裕度。3.2.3漏磁分布当变压器中流过负载电流时，产生漏磁通，漏磁通在油箱壁上和绕组内产生附加损耗。通过分析计算，控制最大漏磁通密度及其分布。(1)并联时产品最负分接漏磁分布如图4所示，箱壁漏磁较大的部位在箱壁下部，最大值约为0.38T，小于设计允许的磁密值，裕度为43%。故本台产品不会产生局部过热现象，无需采用屏蔽措施。因高压上部和高压下部流过电流与绕组的安匝分布及不平衡度有关，调整安匝不平衡度，高压上部电流比高压下部电流大约25%，设计时按照大的电流选择导线进行计算。(2)串联时绕组漏磁分布如图5所示，高压上部和下部的电流是相等，漏磁分布与常规一致。3.2.4流体计算热点温升通过对变压器的油流分布进行分析调整，改善了绕组的油流分布及散热效果，因绝缘等级高，油道尺寸较大，散热效果好，对绕组进行流体计算，得到了绕组的热点温升及热点位置，最热点温升为68K，在第一个饼上，绕组的温度分布图，如图6所示。3.2.5机械强度本台产品主要计算绕组的短路强度及油箱的机械强度。通过设计计算和工艺保障，提高绕组的动、热稳定性能，主要内容如下。(1)采用变压器绕组抗短路能力计算程序进行绕组的辐向失稳和轴向失稳的计算，确保有足够的安全裕度。(2)针对高、低压绕组的辐向稳定性采取了加强措施。采用半硬铜导线，以提高绕组的辐向失稳平均临界应力;增加低压绕组的内撑条数量;绕组内衬硬纸筒，硬纸筒与铁心柱之间用撑棒撑实;绕组绕制套装紧实。(3)绕组垫块采用高密度纸板并进行预压密化处理;绕组采用恒压干燥处理;对绕组进行轴向预压紧等工艺保障措施。绕组的强度计算裕度如表2和表3所示。(4)油箱采用钟罩式结构，箱壁采用高强度钢板整板焊接，下节油箱采用立板加强，上节油箱采用立式加强筋，箱盖采用平顶结构，通过机械强度的核算，合理地布置加强筋的数量和位置，使油箱在满足机械强度要求下简洁且美观。负压计算最大弹性变形为5.4mm，如图7所示。正压计算最大弹性变形为6.48mm，如图8所示。3.2.6低噪声变压器噪声主要由铁心的磁致伸缩产生振动引起，在设计中采取下列方法并通过工艺保障措施减小铁心的振动。(1)此台产品铁心采用三相三柱式，全斜六级接缝型式，铁心片为高导磁冷轧取向硅钢片。(2)上、下铁轭采用高强度板式钢夹件，通过均匀分布的钢拉带对铁轭施以均衡的夹紧力，同时严格控制夹紧力的大小。(3)铁心柱使用高强度聚酯带紧实绑扎，芯柱受力均匀。并在每级叠片边缘涂环氧胶，固化后可增图7负压油箱变形图加铁心边缘的粘结力，降低铁心的振动。(4)采用高精度的数控剪切设备剪切硅钢片，减小了铁心片在剪切过程中产生的内应力。铁心采用不叠上铁轭工艺，避免了铁心片附加机械应力的产生，同时也减少了空载损耗。(5)在铁心垫脚和油箱底之间放置减震弹性胶垫，在铁心和箱底定位钉之间放置减震橡胶环，有效降低了变压器的噪声。上述这些方法和措施的采用使变压器的噪声为60dB。
4主要试验项目的结果
产品的出厂例行试验和型式试验由突尼斯和法国专家监测完成，所有试验项目结果符合国家标准及技术协议要求，产品合格。(1)雷电冲击试验。全波及截波试验波形无畸变，试验合格。(2)感应耐压试验合格，长时局部放电测量高压和低压线端测得视在放电量均为30pC以下。(3)温升和局部过热测量。温升满足国家标准和技术协议要求，没有局部过热现象。(4)噪声测量。噪声测量结果为60dB。
5结束语
量化设计在变压器设计开发过程中至关重要，在多年的有限元仿真分析探索中，由点到面逐次展开，形成了较全面的分析流程，形成自主特色的量化分析控制标准。在设计开发新产品128kV双电压变压器过程中，应用量化设计，充分利用有限元仿真对产品方案进行电场、磁场、流体和机械力等分析计算，保障了产品数据的可靠性，尤其在串并联开关及无励磁分接开关整体设计方案的可行性、不对称漏磁引起的漏磁变化、特殊开关的绝缘水平确定、绕组之间的电流分配等方面为设计提供了重要设计依据。
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《128kV双电压式电力变压器的开发设计》来源：《变压器》，作者：桑旺 梁作德 褚微 李建明 杜昀霈 宗伟
