北美市場低壓電機變壓器的設計思路

1美國變壓器生產基地的現狀隨著國家對能源生產的投資，鑒于高壓和慈濟能源的發展方向，鑒于其高壓和慈濟能源的投資，變壓器正在向高電壓和慈濟能源的方向發展。其他國家也逐漸把中國當成世界的變壓器生產基地。如何做好國際市場,成為國內優秀企業面臨的一個新的課題。通過了解,北美市場的變壓器大部分要求低壓側直接帶有載調壓。因此,筆者對低壓帶調壓變壓器的結構特點,給出了一般的設計思路,以供變壓器設計者參考。2變壓器低壓到位低壓帶有載調壓就是低壓側接有載分接開關,通過調節有載分接開關的擋位直接改變低壓側的輸出電壓。變壓器繞組內流過的電流In為:式中In——繞組內的電流,A如一臺容量為70000kVA,電壓比為132/(13.8±16×0.625%)kV,聯結組為Dy1的變壓器(該種為美國市場常見的變壓器參數),其低壓繞組的電流由式(1)計算得2928.6A,而為變壓器配套的有載調壓開關無法滿足這么大的電流。另外,隨著變壓器容量的增加,變壓器單柱容量增大后選取的鐵心直徑較大,從而在一定的磁通密度下的每匝電勢也就較大,加上低壓側本身電壓較低,故低壓繞組的匝數較少。一般低壓繞組匝數在100匝~150匝左右,如低壓繞組分接范圍為±16×0.625%(±10%),則調壓繞組的匝數為10匝~15匝,這樣的總分接匝數分成16擋是無法實現的。通過以上的分析,對于低壓帶調壓的變壓器,不能采用普通的設計方法,所以,必須采用一些特別的方法來實現。3變壓器二次側串聯轉化設置為了解決低壓調壓問題,必須解決調壓回路中大電流及分接匝數難以設計的問題。而在低壓繞組上串聯一調壓變壓器,很好地解決了這兩個問題,其調壓原理如圖1所示。主變壓器的繞組排列為:主變鐵心—調壓繞組—低壓繞組—高壓繞組,調壓變壓器的繞組排列為:調變鐵心—并聯繞組—串聯繞組。在主變低壓繞組與鐵心間設置一只調壓繞組,該調壓繞組帶16擋分接抽頭,有載調壓分接開關的動觸頭與調壓變壓器的一次側繞組(并聯繞組)并聯,調壓繞組的二次側繞組(串聯繞組)與低壓繞組串聯。由于調壓繞組套在主變壓器的鐵心上,主磁通會在調壓繞組上感應電勢,該感應電勢通過并聯繞組對調壓變壓器進行勵磁,調壓變壓器的二次側(串聯繞組)通過電磁感應得到電壓,該電壓串聯在主變低壓繞組上,串聯繞組的電壓通過勵磁電壓的改變而發生變化,從而起到改變低壓電壓的目的。由于調壓變壓器的串聯繞組與主變低壓繞組串聯,所以其通過的是主變低壓側電流。而與分接開關連接的調壓繞組,由于與調壓變壓器的一次側(并聯繞組)構成回路,其通過的是調壓變壓器一次側電流,所以合理地選擇調壓變壓器一、二次側的變比可以把通過開關的電流設置在一個很小的值上。另外,由調壓回路也可以知道,調壓變壓器二次側電壓就是主變低壓繞組整個分接段的電壓,根據變比可以得到調壓變壓器一次繞組的額定電壓,由于與主變調壓繞組并聯,該值也就是調壓繞組的電壓,用它除以主變壓器的匝電勢即可得出調壓繞組的匝數。通過以上分析,增加一調壓變壓器的方法,可以解決大電流流過開關及分接匝數難以設置的問題。需要注意的是,由于調壓變壓器始終在主變回路中,所以其空載損耗應計算在總損耗中。另外,調壓變壓器的容量與低壓調壓范圍有關,如為±10%的正反調調壓范圍,調壓變壓器的容量即為10%的主變容量。而調壓變壓器的短路阻抗也應計入整個變壓器阻抗中。且當變壓器在額定分接運行時,由于調壓變壓器二次側(串聯繞組)流過額定電流,一次側(并聯繞組)通過開關短路,根據磁勢平衡原理,并聯繞組內必流過額定電流,因而產生的負載損耗也應計入總損耗中。對于±16×0.625%調壓范圍的變壓器,如采用電阻式開關,需要設置16個分接段。如調壓繞組為單層圓筒式,就意味著上下至少有16個分接頭需要引出,由于調壓繞組在最內層,故結構上很難處理。而采用電抗式開關可將分接段數減少一半,分接抽頭也隨之減少,并簡化了結構,所以,這種變壓器常用電抗式有載分接開關。4橋接過程的特性電抗式開關與調壓繞組的聯結如圖2所示,兩個分接之間過渡的原理如圖3所示。采用電抗式開關對于變壓器廠家需要為有載調壓開關配置電抗器。電抗器(中部帶一抽頭,相當于一個自耦變壓器)的勵磁電壓即為兩擋分接電壓Ua,當開關運行的兩條支路均導通時(橋接位置),在電抗器內部會產生環流Ic,該環流與其勵磁電壓存在90°相角差。這是由電抗器的電抗Z=jX產生的,電抗器的阻抗與其匝數的平方成正比。假定整個電抗器的阻抗為Z,則半個電抗器的阻抗為41Z,此時電抗器中流經的電流為低壓側負載電流和環流的合成值。負載電流、循環電流及產生環流的電壓Ua三者之間的關系可由圖4的相量圖表示。下面對開關切換中電抗器內有環流的橋接過程進行分析。圖5為在F過程時電抗器中的電流分配。圖中IC為橋接時兩個觸頭間亦電抗器內部的環流,根據電流分配,可列出下列方程:U2——下半部電抗器兩端的電壓,VM——電抗器兩半部之間的互感系數,耦合好時取M=1式中U1——電抗器兩端的電壓,VUa——兩擋分接之間的電壓,VIC——橋接時電抗器內部的環流,A根據式(4)可以知道,在橋接位置時,電抗器兩端的電壓為兩擋分接電壓,該電壓加在阻抗Z=jX的電抗器上,產生IC的循環電流。在分接開關選型時可從開關廠得到一個推薦的環流值,由電壓和電流可以推算出該電抗器的電抗值。在電壓、電流及電抗值均已知的情況下,該電抗器即可以確定下來了。5電抗式開關過渡過程分析本文中通過對主變中串聯一調壓變壓器的分析,為低壓帶調壓的變壓器設計提供了依據。在主變中增加一調壓變壓器可使流經有載分接開關的電流減小,同時使分接擋位的匝數比較容易地設置。另外,當變壓器要求低壓側帶較多分接擋時,可采用電抗式開關使調壓繞組抽頭數減半,簡化了變壓器的出線結構。同時通過對電抗式開關過渡過程的分