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摘要：常规的配电变压器高低压侧所联结的电网级别是唯一的。有时变压器需要能适应两种不同电压等级线路的供电。本文分析了联结组相同的双电压油浸配电变压器的设计。
关键词:变压器;双电压;设计
1 慨况
电力变压器主要用于实现电压等级变换和隔离，自 19 世纪被发明以来，已有100 多年的发展历史。目前已成为电力系统最基本和最重要的组成设备之一，被广泛地用于输电系统和配电系统，是电力系统应用数量最多的输变电设备。早期的变压器由铁芯和缠绕其上的铜线圈组成。第一台变压器是采用一般碳素钢丝作为铁心的导磁材料，将钢丝绕成卷铁芯结构，绕组绕在卷铁芯上。这种变压器
虽然可输送电能，但损耗大，效率低。随后，热轧钢片的出现，使铁芯结构变成叠片式，从而使变压器的空载损耗比以钢丝作为导磁材料时大幅度下降，然而变压器的效率仍然偏低。此后，研究者在制造工艺上进行了大量的改进。其中，具有里程碑意义的几次技术飞跃包括了以下几个方面的内容，一是，在绝缘和冷却方面。早期的变压器纯粹采用空气绝缘和冷却，由于发热厉害，变压器工作寿命非常短。1906 年，人们开始采用矿物油实现绝缘和冷却，从而提升了变压的绝缘等级和允许在更高的温度下正常运行，尤其是采用风扇进行强迫冷却后，变压器的体积可以做的更小，而容量却可以做的更大。二是，在铁芯导磁材料和结构方面。20 世纪 70 年代，薄的高导磁晶粒取向硅钢片出现，开始用于构成变压器铁芯，加之叠片方法的改进，实现了铁芯柱无接缝、芯柱与轭片内不设孔，从而大大降低了变压器的空载损耗和噪声。20 世纪 80年代，非晶合金材料开始被引入到变压器的制作，进一步大幅度降低了变压器的铁芯损耗。到目前为止，电力变压器的效率已经达到了 99%以上。
2 联结组相同的双电压油浸配电变压器的设计
2.1 方案的选择。这种变压器一般采取如图1所示的三种方案。其中图1a和图1c由于三相结法相同,只画出一相的结法。第一种方案如图1a所示,在10kV的绕组中间相应于6kV的位置抽出一个头A2,运行10kV等级时接A1,运行6kV等级时接A2。第二种方案利用10kV和6kV的比值K=10/6=1.667接近的关系,运行10kV等级时Y结,当要求运行6kV等级时进行Y-D变换,变成延边三角形。具体结法如图1b所示。第三种方案采用高压绕组内部串并联变换,如图1c所示,三段绕组串联时,可以运行到10kV等级;而只要运行6kV等级时,K2-K3段和K4-K5并联,再和K1-K2段串联。
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第一种方案由于运行在6kV等级时,只连入A2-X段,A1-A2段处于闲置状态,为满足损耗要求,A2-X段必须按电压为6kV的电流选取,从而提高了制造成本,并且两个不同的电压等级运行时的阻抗压降也有很大的差异。当雷电冲击从A2端进波时,A1端将产生很高的电位,有可能超过75kV,给安全运行带来隐患,必须提高主纵绝缘水平。Y-D变换的调压方式排除了第一种方案的缺点,但是很多时候用户不希望联结组别有变化,特别是不允许箱式变压器采用Yyn0联结的运行方式。这时第三种方案就可以满足用户的要求,保证了电压变换前后联结组都为Dyn11,也不会存在第一种方案的缺点。方案3具有成本低、可靠性高的特点。下面对该方案的设计进行具体的介绍。
2.2 开关的选取和匝数的分配。对于油浸变压器来说,要想实现方案3,必须要有一个合适的开关。为适应电网电压的变化,高压绕组还有调压抽头,按照GB6451标准,调压一般有±5%和±2×2.5%两种分接。我们先讨论±5%的调压方式。考虑到出头接线的方便,把调压段设在K0-K1段。为了使10kV和6kV运行时可以严格地符合各分接的要求,给出了6个分接头。如果用户对分接区间的要求不是非常严格,一般可以按10kV给出分接头,放大6kV调压百分比。表1给出了各种运行方式的接线。从原理来看,只要用两个中部调压的开关就可以实现,但是为了结构上的紧凑,可以选择组合形的开关。
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表1各种运行方式的接线
现在来分配各段的匝数。为计算方便,我们假设10kV绕组的额定挡匝数为1 000匝,6kV绕组的额定挡匝数为600匝,K0-K1段为x匝,K2-K3段和K4-K5段匝数相等为y匝,从而可以列出如下二元一次方程组:x+2y=1 000 x+y=600解方程组得:x=200匝,y=400匝。根据开关的动作原理可以求出各分接区间的匝数,具体匝数见图2。同理可以求出分接±2×2.5%各分接区间的匝数。
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2.3高压绕组的结构。双电压变压器的高压绕组采用圆筒式绕组。如图3所示,K2-K3段和K4-K5段轴向分布在铁心窗口的上下半段。两个分绕组所选用的线规相同、匝数相等、辐向尺寸一致、轴向位置与电抗高度中心对称。这样可保证两个分绕组漏磁通感应的电势相等,并联支路各流过一半的工作电流,消除循环电流。K0-K1段套在这两段的外面,为常规的圆筒式。
2.4线规的选取。为阐述方便,本文以电压10kV和6kV这个组合进行讨论。设10kV额定电压为U10,额定电流为I10,K2-K3段和K4-K5段电流密度为J10,K0-K1段电流密度为J10′;设6kV额定电压为U6,额定电流为I6,K2-K3段和K4-K5段电流密度为J6,K0-K1段电
过相关规定外,还要注意符合动热稳定性的要求。6电阻损耗的计算假设内半部绕组K2-K3、K4-K5段导线的平均匝长为LPN,外半部绕组K0-K1段导线的平均匝长为LPW,LPW=KPLPN。
可见K0-K1段的线规应当根据KP作出调整。7成本比较由于6kV高压绕组的线规与常规的单电压变压器相同,所以没有明显增加铜线的用量。由于高压绕组内半部分采用分段圆筒式,填充系数稍微有些低,铁心的用量相应增加一些。双电压变压器成本比同性能的普通单电压配电变压器增加约2%。
用常规导变产品的模具和材料生产特种变压器,既降低了变压器的生产成本,同时也为用户将来电网改造节省了变压器的投资,为变压器制造厂和用户都带来了较好的经济效益。双电压产品设计需要注意分接开关电压等级及额定电流的选取，必须满足高电压等级的绝缘水平，又要满足低电压较大运行电流的要求。低电压分接电压的设计需要提前与使用方协商，确保满足用户的要求。串并联分接开关与调压分接开关要尽可能采用一体化设计，以提高安装简易程度，节约空间。本文所述产品设计方法已经应用于实际产品设计当中，产品运行情况良好。
参考文献：
[1]路英.电力变压器计算[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，2018.
[2]刘建.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，2018.