非晶合金变压器抗短路能力提高方法的研究

非晶合金变压器抗短路能力提高方法的研究

姜小燕

一、非晶合金变压器概述

非晶合金变压器，铁芯采用非晶合金带材作为导磁材料，原子无晶格、晶界，成无序排列。极易磁化或去磁，铁芯损耗非常低，是同规格硅钢片铁芯变压器的30%左右。非晶合金变压器高效节能，市场占有率越来越高，其市场应用有比较广泛的前景。但由于非晶合金铁芯由带材卷制而成矩形，高低压线圈也为矩形，造成变压器线圈受力极不均匀，抗短路能力差；同时非晶合金材质脆性大，对机械应力十分敏感，因此，非晶合金变压器不能像硅钢片变压器那样，把铁芯做为内骨架，支撑低压线圈在短路力作用下的受力；非晶铁芯在受力后，极容易产生碎片，碎片随变压器油流动容易进入绝缘区域，造成其短路后绝缘复试不能通过。这些造成非晶合金变压器抗短路能力差，已成为影响电网安全运行的隐患之一[1]。2015年以来，广大变压器用户和国家电网公司加大对非晶合金变压器抽查力度，考核其抗突发短路能力。提高非晶合金变压器抗短路能力，是一个摆在所有变压器制造企业面前的重要课题。

二、非晶合金变压器受力分析

绕组的损坏事故都是在辐向短路力和轴向短路力的共同作用下发生的，非晶合金变压器由于辐向短路力的数值通常要比轴向短路力的数值大得多，所以辐向短路力引起的绕组事故无疑要多一些。同一台变压器，三相稳态短路电流以变压器的短路阻抗加上系统的短路阻抗来计算。对于容量为几百千伏安的小容量变压器，其绕组的轴向固有振动频率是明显高于100Hz的，通常不会诱发谐振，故可以采用静态的方法计算轴向短路力。其实，短路力绝对值的大小不是造成线圈破坏的主要原因，造成破坏的是短路力产生的影响。就好比力和力臂的关系，力的绝对值不是关键问题，只有与力臂结合起来，才能体现出力的大小[2]。辐向短路力的计算，我们借用圆形的绕组结构近似模拟方形绕组的受力。根据日本变压器专业委员会推荐的辐向短路力计算方法：Fr=9.8[INN（2fd）]2K/（70uk）2式中：IN-绕组的额定电流（A）；N-绕组的匝数；uk-短路阻抗（%）；K-经验系数；2fd-非对称短路电流的冲击系数，其数值与通常所说的姨2K的数值完全相同。根据实践经验，在承受辐向短路力作用的绕组辐向失稳计算中，考虑到材质和工艺分散性所带误差，绕组辐向失稳的安全裕度系数取1.8~2.0，这样可保证其不会因失稳而损坏。对于容量较小的配电变压器，由于低压绕组绝大数采取箔绕，轴向短路力相对来说比较容易克服，辐向短路力是绕组的主要破坏者。尤其是对于非晶合金变压器，线圈是方形的结构，其绕组的辐向受力，完全不同于圆形线圈均匀分布在圆周方向。其存在以下特点：受力不均匀；力臂长度明显比圆形结构长；长轴方向受力更大。通过受力软件分析知，对于变压器矩形线圈，受力变形最严重的方向是线圈的长轴方向。为何在线圈的长轴方向的变形量最大？这给我们提供了一个思路，矩形线圈长度越短抗短路能力越强。适当减少线圈辐向长度，同时可以考虑将长力臂减少，能提高产品抗短路能力[3]。

三、提升非晶合金变压器抗短路水平的方法

1.精准设计

在设计产品的过程中，精准计算，科学分布。控制好线圈的辐向、轴向力，尤其是轴向，是提升矩形线圈抗短路能力的重点。（1）缩短线圈辐向长度，以及缩短长度方向的力臂大小，加大线圈强度。通过分析发现，矩形线圈愈长的位置，受力会更加严重，所以，缩短线圈短轴方向的大小，并缩小短轴与长轴间的差值，尽量设计为近似方形，以提升线圈轴向抗短路水平。（2）提升线圈自身轴向抗短路水平。低压线圈选择铜箔，铜箔当中采取连接性能高的点胶纸，在适当温度干燥后，硬结并粘成一个总体，变成一个相似钢性体，提升短路时抗轴向压力。选择半硬铜导线作高压线圈引线σ0.2=120~160MPa，如此做尽管增大了绕制困难性，但是可以有效提升辐向抗短路能力。而且采取扁线取代圆线，能有效促使高压线圈提升抗轴向短路力。

（3）提升变压器辐向抗短路力。

结合变压器受力特征，分别于A、C相外侧施加一定的阻力，能够抵消A、C相变压器集聚的外部辐向力。经侧夹件慢慢传递至指定钢件的绝缘板表面，然后传至A、C相变压器上，以控制A、C相朝外的集聚辐向力，降低线圈变形与绕组阻抗改变量。每相铁芯尽可能采取两组铁芯，在每组铁芯之中、线圈内设置标准强度的支撑绝缘板，以控制每相变压器集聚的朝内辐向力；而且，在线圈和侧夹件之中也设置标准强度的支撑绝缘板，这种支撑绝缘板另一头也顶在紧靠变压器的绝缘板上，令变压器、夹件变成一个总体，极大抵消变压器长轴方位的辐向力，提升变压器辐向抗短路水平。设计方面还要考量受力方向与材料的特殊物理性质，采用桥梁的基本原理，把线圈设计为稍带弧面的构造，提升线圈的受力性能[4]。

2.规范工艺生产

除了精准设计、科学的结构来保障产品抗短路水平之外，工艺生产方面也要采取合适的方法，提升变压器抗短路水平。（1）在工艺上保障高压线圈变成一个总体。高压线圈匝数多，绕线圈时采取一些独特的工艺令高压层和层之间形成一个总体，并避免线饼上下线圈轴向移动；在高压线圈和主空道位置，采用科学的方法，使二者难以分开；使用刷高强度绝缘漆等工艺；此外，对少数绝缘件实施预烘，减小后期干燥时绝缘件的缩小，引起线圈松散[5]。（2）在工艺上确保变压器变成一体。工艺方面采取措施，令每相线圈的长、短线圈于长轴与短轴方位变成一个总体，使每相高压线圈朝外的拉力和低压线圈朝内的压力相互抵消，控制每相线圈的改变；而且，将每两相变压器两两捆绑为一个总体，力在传送时，慢慢衰减，互相持平；采用支撑板结构、总体捆绑等方法来实现以上目标（如图2所示）

图2绕组的辐向受力示意图

3.轴向短路力控制

非晶合金变压器抗轴向短路力具体方法如下。减小导线和导线之间的空隙；端部端圈选择厚纸板，提升其机械性能；利用拉螺杆结构把线圈端部固定，提高轴向防短路力，保障其机械性能充足；端部绝缘也能够考虑采取预浸绝缘材料，增强机械性能；上下夹件至压板然后到变压器，利用一头固定的防松动拉螺杆进行固定，避免轴向移动。

四、结语

已有很多不同容量大小的产品经过抗短路水平考核，阻抗改变量在2.5-3.5%以内，有良好的借鉴作用。但是，提升非晶合金变压器的抗短路水平，是个十分值得深入研究的课题。

参考文献：

[1]杨莉莉，付卫东.非晶合金铁心变压器抗短路能力分析[J].电气技术与经济，2018(04):20-22+36.