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2019年中国电工材料供需交易峰会

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2019年中国电工材料供需交易峰会

【教材级】张亚杰:变压器在电网中的用途和分类 变压器的设计与工艺

来源:SMM

SMM8月29日讯:在《2019年中国电工材料供需交易峰会》上,保定天威集团特变电气有限公司正高级工程师张亚杰针对变压器在电网中的用途及分类、变压器的结构、变压器的设计与工艺等做了全面讲解。

变压器在电网中的用途及分类


变压器是一种传输交流电能而不改变其频率的静止电气设备。它在相同频率下,通过电磁感应将一个系统的交流电压和电流转换为至少另一个系统的交流电压和电流,并借以传送电能。因此,变压器至少应具有两个通常匝数(或者标称电压)不相同的绕组,并通过线路端子连接到至少两个交流电压值不同的系统上。

作用:变换电压、变换电流和变换阻抗

在电力系统中,输送同样功率的电能,电压越高,电流就越小,输电线路上的功率损耗也越小;输电线的截面积也可以减小。

由于制造上的困难,发电机电压不可能很高(目前在20kV以下),所以在发电厂中要用升压变压器将发电机电压升高,才能将大量的电能送往远处的用电地区,如35kV、66kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV、1000kV等。通过升压变压器可以提高输送电压、降低传输损耗、增大输送距离。而在用电负荷处,再用降压变压器将电压降低到适当的数值供用户电气设备使用。电力变压器在传输电能的时候,本身也有一些有功损耗,但数量不大,因而传输效率很高。中小型变压器的效率一般不低于98%,大型变压器效率可达到99.5%以上。

变压器有多种分类方式:

按铁心形式:心式、壳式;

按绕组耦合方式:普通的双绕组(三绕组)变压器、自耦变压器;

按  相  数:单相变压器、三相变压器;

按冷却方式:油浸自冷、干式空气自冷、干式浇注绝缘、油浸风冷、油浸水冷;

按循环方式:自然循环、强迫循环;

按绕组材料:全铜、全铝、半铜半铝;

按调压方式:无励磁调压、有载调压;

按  用  途:升压、降压、配电、联络和厂用变压器。

油浸式变压器的结构


油浸式电力变压器的结构之铁心

铁芯在变压器中是重要的组成部件之一,由高导磁的硅钢片叠积和夹件夹紧而成,铁心具有两个方面的功能。

在原理上,铁心是构成变压器的磁路。它把一次电路的电能转化为磁能,又把该磁能转化为二次电路的电能,因此,铁心是能量传递的媒介体。

在结构上,它是构成变压器的骨架。在它的铁心柱上套上带有绝缘的绕组,并且牢固地对它们进行支撑和压紧。

为了减少铁心的磁滞和涡流损耗,铁心用厚度为0.23~0.3mm的硅钢片(本身带有绝缘层)冲剪成几种不同尺寸,烘干后按一定规则叠装而成。

由于硅钢片比普通钢的电阻率大,因此利用硅钢片制成的铁心可以进一步减小涡流损耗。目前用于变压器铁心的硅钢片最薄厚度为0.18mm。

铁心的一点接地。大型变压器的铁心处于高电场和强漏磁场之中,为了避免铁心和结构件在变压器运行中感应出不同悬浮电位,铁心叠片和夹件要进行可靠接地。中小型变压器一般是将铁心叠片与夹件连通,再通过油箱可靠接地。

油浸式电力变压器的结构之绕组

绕组是变压器的核心部件,常被比做变压器的“心脏”,是电磁感应中电的通路。绕组的材料要求是导电性能好(电阻率低),有一定的机械强度,有稳定的化学特性。银、铜、铝都可以使用,但综合考虑,现在的变压器多使用铜材。绕组的绝缘分为导线匝绝缘、绕组各线饼间绝缘,导线匝绝缘是导线外部包覆的漆或绝缘纸,线饼间绝缘指的是油道绝缘。由于变压器容量和电压的不同,绕组所具有的结构特点亦各不相同,包括匝数、导线截面、并联导线换位、绕向、绕组连接方式和型式等,绕组型式细分如下图所示:

油浸式电力变压器的结构之器身绝缘

变压器器身绝缘系统,是变压器的重要组成部分,三个主要作用,一是绝缘作用,二是机械作用,三是冷却作用。

是线圈到接地部分铁心和油箱的绝缘,是线圈到线圈的绝缘,既要考虑电气绝缘强度,又要具有足够的机械强度及抗短路能力。绝缘为油-隔板和纸筒-油隙的形式。器身绝缘件是由电工纸板制成的块、筒、板组成,端部护端圈和角环,为了改善电场,铁心、旁軛 护屏蔽筒。主绝缘采用薄纸筒小油隙结构,它的基本特点是根据油体积减小时,油的耐压强度增大。油隙尺寸越大,每毫米绝缘强度越低。油浸式变压器在绝缘结构中不仅要注意材料本身的绝缘性能,还要注意沿零件表面的爬电问题;不但要注意电场强度的分布,也要注意保证油流通畅。

油浸式电力变压器的结构之油箱

油箱是变压器保护器身的外壳和盛油的容器,也是装配变压器外部结构件的骨架,同时通过变压器油将器身损耗所产生的热量以对流和辐射的方式散到大气中。

油箱按结构又分钟罩式油箱和桶式油箱,按箱沿连接方式又分为螺栓机械连接结构和箱沿焊死结构。

桶式油箱结构,箱沿位于油箱顶部。钟罩式油箱结构,箱沿位于油箱下部。

油箱能够耐受真空度133Pa和正压98kPa的机械强度试验。

油箱能够满足变压器密封试验时机械强度的要求。

油箱上设有温度计座、接地板、吊攀等,油箱下部设置供千斤顶顶起变压器的装置和水平牵引装置,真空注油的阀门以及装有足够大的事故放油阀。

波纹油箱:配电变压器使用,自动化程度较高。

35kV及以下变压器的设计与工艺


设计要求

变压器设计方案应满足产品性能参数、满足可靠运行,在此基础上尽量降低成本。

变压器要符合标准中的规定以及用户的要求。

GB/T1094 、GB/T6451、GB/T10228等国家标准,还有机械行业标准JB/T,电力标准DL/T等,出口产品要符合IEC、IEEE等标准

熟悉原材料供应情况,工厂的工艺、工装设备,产品的系列化、通用化。

确定变压器的基本几何尺寸,使变压器的损耗、短路阻抗、温升等满足使用要求,在可靠运行的基础上,尽量减少材料消耗,力求使变压器成本最低。

高效节能型变压器

能效等级强制性标准执行。

GB24790-2009电力变压器能效限定值及能效等级,

GB20052-2013三相配电变压器能效限定值及能效等级,

TCEEIA258-2016变压器能效限定值及能效等级(中国电器工业协会)  

配电变压器中,非晶合金铁心变压器可以做到16型,卷铁心变压器可做到15型,立体卷铁心变压器和非晶合金铁心变压器成为配电变压器的主角。在S13及以上的配电变压器中,传统的叠铁心变压器所占份额很小。

叠片式硅钢铁心变压器目前也可以做到15型,但材料消耗非常大,成本高。

变压器是料重工轻的行业,对于一般的电力变压器来讲,材料成本可能占到整个产品最终成本价格的70%-80%甚至更多,变压器容量越大,材料成本占比越高。其中,电磁线、硅钢片和变压器油占比最大。下面是一台SSZ11-5万kVA/110kV变压器的材料成本构成。

变压器绕组电磁线的单位容量占比kg/kVA

35kV及以下配电变压器在电网中使用量最大,配电变压器的铜线占比最高,1级能效标准下,铜线在配电变压器中的占比还要更高。

变压器电磁计算过程中最主要的三项指标:损耗、短路阻抗、温升,根据这三项指标的计算情况进行优化,如果这三项中有某项与规定值偏离过大,表明存在着优化的可能。比如说:如果温升计算值过低,可以减小绕组的油道数,从而提高器身的填充率,降低铁心和绕组的材料消耗。

如阻抗计算值偏小,要增大阻抗,最直接的方法是增加绕组匝数而减小铁心直径。这时如果负载损耗计算值高的话,则不能增加绕组匝数,反而要减少,通过加大主空道距离,降低绕组高度的方法来提高阻抗,同时保证负载损耗值。

变压器铁心直径和绕组的匝数,随硅钢片和电磁线价格的波动而变化,并不是一成不变的。比如在十五年前,硅钢片价格达到约4万元/吨,电磁线约5万元/吨,设计时所选取的铁心直径相对较小(少用硅钢片,多用电磁线)。而当前,硅钢片价格在1.2-1.5万元/吨,电磁线价格依然在5万元/吨左右,要选取较大的铁心直径(多用硅钢片,少用电磁线)

铁心与空载损耗

变压器的空载损耗又称铁耗,它属于励磁损耗而与负载无关,空载损耗的大小对变压器的制造成本与运行经济性都有较大的影响。

通常变压器的空载损耗包括铁芯材料的磁滞损耗、涡流损耗以及附加损耗这三个部分。

影响变压器的空载损耗的三个因素:

1.铁芯的总质量;

2.铁芯材料的单位质量损耗;

3.铁芯附加损耗系数,它的大小既与变压器铁芯的结构型式有关,又与制造工艺有关。

绕组及负载损耗

变压器的负载损耗是运行过程中的损耗,负载损耗又称铜耗,除基本铜耗之外,还有附加铜损。要降低基本铜耗,可降低材料的电阻系数或电流密度。

变压器的附加铜耗主要有导线涡流损耗、环流损耗和杂散损耗以及引线损耗等。

降低附加铜耗的方法:

1.导线通过较大的电流时,选择截面小一些的导线做成多根并联;

2.并联导线之间要进行换位的措施。所谓完全换位就是指:通过导线换位,可以使     各并联导线在正常运行时,流过的电流相等或接近相等。

采用换位导线:它是在专门的机具上事先将多根并联导线不断换位后制成的。它的优点在于:可以减少绕制中的换位工序,换位总是完全的,附加损耗最小,绕组的填充系数较高。

3.将一些能穿过较大漏磁通的结构件,采用非磁材料来制造。如油箱磁屏蔽.低压大电流套管孔四周的隔磁板。

短路阻抗

变压器的短路阻抗,是指在额定频率和参考温度下,一对绕组中某一绕组端子之间的等效串联阻抗Z=R+jX(Ω)。

短路阻抗值的调整

由于短路阻抗值对变压器的并联运行有很大影响,一般计算值不得超过规定值的±2.5%。在调整短路阻抗时,主要是调整电抗分量,因为它是短路阻抗的主要部分,容量在1600kVA及以下时考虑电阻分量。当只需要作小幅度的调整时,可调整高、低压绕组之间的油道宽度和电抗高度。当短路阻抗要求有较大的调整时,以调整铁心直径和绕阻的匝数较为合适。

注意:当短路阻抗值很大而负载损耗值较低时,反而要增大铁心直径减少绕组匝数。

温升

介质对其周围的介质的温度差(又叫温差)。

油浸式变压器在运行的过程中,由于有铁耗与铜耗的存在,这些损耗都将转换成热能而向外发散,从而引起变压器不断发热和温度升高。随着铁心和绕组温度的升高,绕组及铁心就将一部分热量传到周围的介质中去,经过一段时间后,绕组及铁心温度最终达到稳定状态,不再升高,这时绕组和铁心继续产生的热量将全部散到周围介质中去。

变压器的散热是依靠热传导、对流和辐射来实现的。

根据国家标准的规定,油浸式变压器的温升限值如下表所示:

铁心结构——平面叠铁心

长圆铁心、椭圆铁心,D形軛

铁心采用长圆形结构,在保证空载损耗和负载损耗、短路阻抗等主要性能指标满足要求的前提下,长圆铁心可缩短铁心的铁軛长度及铁軛的高度,减少硅钢片用量。

D形軛

铁心采用圆形结构,D形軛可缩短铁心除第一级外其它各级的高度,减少硅钢片用量。

步进式叠片

铁心叠片采用步进式,可降低空载损耗和空载电流。

立体卷铁心结构

在35kV及以下配电变压器市场中占据主导地位。S13-S15节能型立体卷铁心配电变压器比普通叠片式铁心配电变压器节材效果明显。

缺点:承受短路能力差,损坏后可修复性差。

立体卷铁心变压器比叠铁心变压器节省材料的原因一方面是由立体卷铁心的独特结构决定的,另一方面是由当前节能变压器要求决定的。

立体卷铁心的三个磁路的平均长度明显短于叠铁心。因此立体卷铁心重量比叠铁心重量明显轻,所以节省材料,降低了成本。

立体卷铁心重量比叠铁心轻20%,节省硅钢带材20%。立体卷铁心硅钢带采用套裁方法开料,没有废料产生,不浪费材料。而叠铁心硅钢片需要冲角,废会造成的4~5%的材料浪费。立体卷铁心心柱截面呈多边形,相同截面情况下,立体卷铁心绕组的平均匝长短2%~3%,从而可节省铜材2%~3%(来自沈变院某专家数据)。

立体卷铁心变压器用于高效节能配电变压器是适合的,不适用于高电压大容量变压器领域。

立体折铁心结构

针对立体卷铁心变压器损坏后不易修复、线圈绕制时间长的缺点,立体折铁心变压器应运而生。在线圈绕制、套装等环节与常规叠铁心相同,克服了立体卷铁心的缺点,空载性能介于立体卷铁心和叠片式铁心之间。


绕组设计       

层式、箔式、纵向油道螺旋式、连续式

层式绕组和箔式绕组的使用范围扩大至1万kVA及以上,最初层式绕组只用于630kVA以下,后来扩展至4000kVA左右。箔式绕组广泛应用于400kVA及以上变压器中,随着变压器容量的增大,双层箔也得到了大量应用,采用不同厚度的铜箔,减少规格和库存。

器身设计

35kV变压器高低压绕组间普通采用了薄纸筒小油道结构,绕组端部覆盖角环,提高了主绝缘的耐电强度,大大减小了主绝缘距离。绕组间主空道由厚纸筒大油道时的27mm→约18mm,端部至铁軛65 mm→约40mm。这种结构提高了工艺要求,需要真空注油。

有的厂家对10kV变压器也在端部增加角环,绕组间主空道由9mm→约5mm 。

引线设计

变压器的引线一般分为三种:绕组线端与套管连接的引出线、各相绕组之间的连接引线以及绕组分接头与分接开关相连的分接引线。

引线的绝缘主要决定于引线与各部分之间的绝缘距离,而绝缘距离取决于所连绕组的电压等级的高低。

油箱设计

35kV变压器采用真空注油工艺时,两种方法。一是直接对油箱抽真空,二是将器身放进油箱后整体进真空罐抽真空注油。

前者需要对油箱进行加强至能够承受全真空,导致油箱重量增加,成本高。

35kV变压器,目前最大容量达到了18万kVA,最小容量一般为50kVA。普遍采用了薄纸筒小油隙的绝缘结构,高压绕组端部有成型角环或是皱纹纸折叠而成的角环。需要真空注油保证绝缘强度。部分10kV产品也采用绕组端部加角环的结构,高低压绕组间主绝缘距离一般取到了5-6mm,有的通过抽真空甚至取到3.5mm,虽然通过了工厂内的常规试验,但在运行中是有隐患的。35kV变压器基本不做局部放电试验,在运行中,由于工作场强高,容易发生绝缘故障。

另外,在当今激烈的市场竞争下,存在大量的劣币驱逐良币现象。从国家电网公司公布的数据可看出,即便在国家电网公司如此严厉的检测手段下,仍有不少企业在偷工减料、弄虚作假。像损耗、温升等一般客户现场无法检测的项目,成为重灾区。

根据国家电网公司2019年6月各地公布的供应商不良行为通知进行的统计和分析发现,6月份被曝光的不良行为供应商总计为218家,其中发生烧毁的供应商有3家,涉及线圈铝代铜假冒伪劣的商家有3家,主要的问题仍然是短路试验、温升、负载、空载、防护等级、短路阻抗/相抗、耐压、绝缘、线圈铝代铜、烧毁、直流电阻、延期交货/服务等,需要供应商在质量方面取得进步,我们的产品,最终是要服务于用户。

非晶合金铁心变压器


非晶合金铁心变压器的设计制造

非晶合金铁心变压器

节能先锋,SH16节能型配电变压器只能用它

缺点:

1.噪声大,夜晚扰民现象突出;

2.承受短路能力差,

3.非晶合金片易碎,形成绝缘事故。

2016年年以来,非晶带材外部经营环境急剧恶化,非晶变压器招标量大幅下降;与此同时,行业非晶带材产能集中释放,导致市场竞争惨烈,非晶带材价格持续下滑;

推广非晶变压器存在的问题之一——噪声大

变压器的噪声与铁心材料的磁滞伸缩系数有关,非晶带材的磁滞伸缩系数较大,是硅钢的3倍左右;

变压器的噪声还与非晶合金铁心加工工艺和装配工艺有关。

推广非晶变压器存在的问题之二——成本高

非晶变压器材料成本偏高的问题

1.非晶合金铁心的工作磁密较低——铁心耗材多

2.线圈横截面为矩形——绕组耗材多

非晶合金铁心变压器用铜量和用铁量比S11型硅钢的要多,材料成本比硅钢高。

降低非晶变压器材料成本的措施

1.优化设计,调整铁心和绕组的比例,使主材总成本最低;

2.目前带材生产厂家在研制更高磁密的非晶带材,通过提高铁心磁密,降低材料消耗;

3.通过批量效应,降低生产成本;

干式变压器的设计


干式变压器应用场合

1. 城市及大型工矿区要求防火、防爆的场所,如高层建筑、地铁、机场、医院、交通枢纽、通讯中心、重要市政设施、城市人口密集区、商业中心等处的6~10kV配电变压器及35kV电力变压器;

2. 火电厂、水电站、核电站的自用变压器、发电机的励磁变压器;

3. 部分化工、冶金企业的整流变压器与电炉变压器;

4. 地铁等的牵引整流变压器;

5. 其它不宜采用油浸式变压器的场所。

干式变压器种类——主要两大类

1. 浸渍敞开式

真空压力浸渍(VPI)敞开通风式(OVDT),绕组绕制后在真空罐中进行压力浸渍。耐热等级可达H级,绕组结构与油浸式相似。

2. 树脂浇注

绕组绕制后带模具进行真空浇注成型,耐热等级为F级,具有极高的机械强度和很低的局部放电量。

除上述两大类外,还有复合绝缘式,即高压绕组为浇注式—低压绕组为浸渍式/箔式,以及电缆型

干式变压器绝缘特点

干式变压器是裸露在空气中,绝缘介质是空气,不如变压器油的耐电强度。因此干式变压器的绝缘结构和绝缘材料要比油浸式变压器严重得多,同时它应具有难燃性。

干式变压器多数为户内式装置,遭受雷电冲击波电压作用较户外油变要低。

干式电力变压器绕组在短路电流作用下,即在外部短路时的热、动稳定效应下应无损伤。

外部短路包括三相短路、两相接地和相对地故障,产生过电流,导致很大的短路电动力。

对于树脂绝缘干变,除具有良好的电气、机械性能外,还由于树脂的优异化学稳定性,因此该产品对潮湿、尘埃等大气污染的承受能力强。

干变绝缘中含有气隙(气泡)时,在高电场作用下,容易发生局部放电。

绝缘由高耐热等级绝缘材料和空气组成的复合绝缘系统

绝缘老化

干式变压器在运行中因电场、发热体和周围环境的作用可导致绝缘老化

1. 电老化

在长期电场作用下,绝缘将逐渐产生某些物理、化学变化,介质性能发生劣化,并随运行时间增长而最终导致绝缘击穿,此过程称为电老化。

2. 热老化

在较高的温度下绝缘会产生裂解,加速电老化,绝缘寿命缩短,机械、电气性能下降,此过程为热老化。决定于最热点温度。环境温度是变动的,绝缘寿命可由热损坏累计计算法求得。

3. 局部放电老化

干变的局部放电会使绝缘老化加速,不像油变的变压器油对放电点处绝缘有一定保护。干变过大的局部放电很快会发展成为绝缘故障。

局部放大不一定是由场强高而引起,运行中绕组各部分温度不一致会使得导线与环氧树脂浇注层间产生微小的空隙,进而引发局部放电。在大电流产品中尤其明显。敞开式干变由温度不均引发的故障相对要少。

4. 环境温度、湿度等对绝缘老化也具有不同的影响。

浇注式干式变压器的工艺制作流程

干式变压器的一些问题

复杂结构不宜用环饼树脂浇注的干变,模具问题。

环氧树脂浇注式干变最大的优势:机械强度高,同时防潮、防尘性能也好。

浇注式干变的模具限制了其成本最优化,特别是在原材料主材变动比较剧烈的时期。

箔式绕组不适用于立体卷铁心干变,模具很贵,除非是开口卷铁心。

浇注式干变不宜采用立体卷铁心,带铁心器身整体浇注是个大 麻烦,开口卷铁心可以。

敞开式干变无论是电力变还是特种变,设计要比浇注式灵活,采用真空压力浸漆,但整体防潮性能、防尘性能以及机械强度不及浇注式。

干式变压器的铁心温升可不必过多考虑,只要保证铁心表面温升不致引起与它接触的绝缘材料产生不可逆的变化即可。

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