油浸式接地变压器设计

吴丽明

（福州天宇电气股份有限公司，福建 福州350012）

0 引言

接地变压器简称接地变，用在中性点绝缘的三相电力系统中，用来为这种系统提供一个人为的中性点。该中性点可以直接接地，也可以经过电抗器、电阻器或消弧线圈接地。

1 接地变的绕组连接方式

接地变压器采用Z型接线（曲折型接线），与普通变压器的区别是每相线圈分别绕在两个磁柱上。其接线原理图如图1所示。

图1 不带二次绕组ZN连接方式

有时为节省投资费用，接地变压器也带二次负载，用于代替所用变，此时其接线原理图如图2所示。

图2 带二次绕组ZNyn11连接方式

2 接地变的运行状态

接地变压器有两种运行状态，即系统正常运行和系统发生单相对地短路。

在系统正常运行情况下，对于不带二次负载的接地变相当于空载状态，接地变压器绕组中仅流过很小的励磁电流。设计接地变压器时，只需按铁损计算油的温升，使其不超过35K即可。此时绕组对油的温升几乎为0，在环境温度达到最高40℃时，绕组的平均温度不超过75℃。对于带二次负载的接地变此时其作为所用变为二次负荷供电，其运行状态同普通电力变压器。

在系统发生单相对地短路时，接地变压器的一次绕组每相流过短路电流IK，中性点流过总的短路电流3IK，短路电流的持续时间为10s。即在设计接地变压器时需保证绕组在短时间短路后的平均温度小于其最高的允许平均温度值（铜绕组是250℃）。

绕组（铜绕组）短路后的平均温度θ1按下式计算：

式中，θ0为绕组开始短路前的温度（℃）；J为对称短路电流密度的有效值（A／mm2）；t为短路持续时间（s）。

对于不带二次负载的接地变θ0＝75℃，而对于带二次负载的接地变θ0＝105℃，短路持续时间t＝10s。

3 设计方法

下面笔者以本公司为厄瓜多尔输变电工程供货的其中一台接地变压器（JKS－4100／34.5）为计算实例，对整个设计方法做完整的介绍。

3.1 产品主要性能参数

额定电压（一次／二次）：34.5／34.5kV；

二次线圈容量（兼作所用变压器）：630kVA；

连接组别：ZNyn11；

额定频率：60Hz；

中性点电流：1 800A，10s；

冷却方式：ONAN；

绝缘耐热等级：A级；

变压器使用地海拔：3 400m。

3.2 变压器线圈结构布置方式

接地变的一次侧（高压侧）为Z接双半只线圈结构，其布置方式如图3所示，即（辐向）低压＋主空道＋高压（1）＋油道＋高压（2）。对高零序阻抗变压器，可把低压绕组放在两个高压半绕组之间，即采用高压（1）＋油道＋低压＋油道＋高压（2）布置方式。

图3 变压器线圈结构布置方式

3.3 主要参数计算

3.3.1 电压计算

一次侧Z接各绕组的相量关系如图4所示。

由相量图知，根据正弦定理：

图4 各绕组间的相量关系

由于额定电压U1N是相电压的倍，所以：

即在Z接变压器中，高压半相线圈的相电压＝线电压的1／3。综上所述：

3.3.2 零序阻抗的确定

接地变的中性点电流为1 800A，则一次绕组故障电流每相值即短路电流Ik＝1 800／3＝600A，接地变每相零序阻抗X0＝U1／Ik＝19 919／600＝33.2Ω，则所设计的接地变压器，其零序阻抗需满足X0≥33.2Ω／相。

3.3.3 等值长期容量计算

根据IEEE－C62.92.3标准对过载系数的规定，换算变压器短时容量为持续额定容量，列入表1。

表1 换算表

中性点直接接地时一次绕组短路电流Ik＝1 800／3＝600A，一次绕组短路容量34.5×600＝35 850kVA，根据表1，过载时间10s的变压器过载倍数为10.5，则接地变压器的等值长期容量：

接地变二次线圈容量为630kVA，则该台接地变额定容量SN＝3 414＋630＝4 044kVA，取整SN＝4 100kVA，即该台接地变的型号可描述为JKS－4100／34.5。

3.3.4 铁芯直径选择及绕组匝数计算

初选铁芯直径：

式中，K为铁芯直径经验系数，接地变此系数的取值要小于普通电力变压器，一般取40。

取标准铁芯直径D＝245mm，芯柱的净截面At＝431.262cm2；低压绕组匝数取为W2＝1 080匝，变压器的每匝电势为et＝U2／W2＝19 919／1 080＝18.444V。铁芯磁密为：

这里需要注意的是该台接地变一次侧没有调压，故其磁密的选取应按普通电力变压器设计的磁密值93%～95%选取，以保证特殊情况下不过激磁，同时降低接地变的空载损耗。

高压绕组半部分匝数：

3.3.5 电密的确定

接地变二次绕组的电密同普通电力变压器选取，一次绕组的电密选取需考虑短路电流持续10s时一次绕组的热稳定性。绕组的尺寸计算等同普通产品，在此不做计算。绕组线匝排列及尺寸计算结果列于表2。

表2 绕组线匝排列及尺寸

在中性点直接接地的情况下，系统发生单相对地短路，短路电流持续10s时一次绕组的热稳定性核算：

绕组短路后的平均温度：

3.3.6 零序阻抗计算

接地变压器零序阻抗可按普通双绕组电力变压器阻抗计算公式计算，即：

式中，f为额定频率，f＝60Hz；WB为高压绕组半部分匝数；Σ23为高压两个半绕组的等值漏磁面积；ρ23为洛氏系数；k为附加电抗系数；Hk23为高压两个半绕组的平均电抗高度（各尺寸均以cm计）。

图5 漏磁组分布图

以上各参数的计算过程同普通双绕组电力变压器，在此不一一展开，其计算结果如下：

3.3.7 一、二次绕组的阻抗计算

低压绕组磁势F2与高压绕组（1）磁势FG1、高压绕组（2）磁势FG2的关系相量图如图6所示。

图6 磁势相量图

高压绕组（1）与高压绕组（2）分解出轴向分量的磁势总和等于低压绕组的磁势，其大小相等、方向相反，磁势平衡方程式为：

轴向分量（第一分量）：

式中，I1、I2为一次绕组、二次绕组正常电流。

高压两个半绕组分解出横向分量的磁势相互平衡，大小相等、方向相反，磁势平衡方程式为：

横向分量（第二分量）：

低压绕组相对磁势A1＝1。

高压半绕组相对磁势的第一分量为：

变压器有两个漏磁组，这两个漏磁组的等值漏磁面积计算如下（参照图5）：

第一分量等值漏磁面积为：

式中，ρ为洛氏系数；Hk123为高压两个半绕组及低压绕组的平均电抗高度。

第二分量等值漏磁面积为：

以上各参数的计算过程同普通产品，在此不做展开，其短路阻抗计算结果如下：

3.3.8 其他参数计算

接地变的损耗及温升等计算方法同普通产品，在此不做计算。

3.4 高海拔变压器设计中需注意的问题

该台接地变使用地的海拔高度为3400m，为高海拔地区，故在变压器设计过程中还需对相关的参数根据海拔高度进行修正。海拔高度对该台变压器设计的影响主要体现在以下三方面：

（1）温升影响：安装场所海拔高于1 000m，而试验场地低于1 000m，自冷式变压器绕组平均温升限值应按海拔每增加400m降低1K计算，故其温升限值要比常规产品低6K。

（2）对绝缘距离的影响：变压器在海拔高于1 000m的地区运行时，其所需的空气间隙值按每增加100m（对于1 000m海拔而言）增加1%来计算。

（3）对套管外绝缘水平的影响：用在高海拔地区的套管，其外绝缘水平需要按海拔高度对其雷电冲击耐压和工频耐压进行修正。根据IEC60694，修正系数如下：

把海拔高度H＝3 400m代入上式得到Ka＝1.34。修正后的套管外绝缘水平为：LI268kV AC114kV；其内绝缘水平为正常值：LI200kV AC85kV。

4 结语

以上介绍的是带二次负载的接地变设计方法，对于不带二次负载的接地变，因其少了低压绕组，设计上更为简单，可参照上述介绍的设计方法设计。

本公司按以上设计方法设计的该台接地变经过整体试验，各项性能指标均满足国标和技术协议的要求，说明该产品的设计方法正确。

［1］路长柏，朱英浩.电力变压器计算［M］.哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1986.

［2］崔立君.特种变压器理论与设计［M］.北京：科学技术文献出版社，1995.