大型电力变压器的电气设计相关问题

周永亮

（许继变压器有限公司）

0 引言

随着我国社会经济的快速发展，人们的生产和生活对于用电的需求越来越多，大型电力变压器也开始得到越来越广泛的运用。大型电力变压器是发电厂较为常用的设备，在进行大型电力变压器研发与设计时，必须将大型电力变压器的电气设计重视起来，这样才能够保证整个大型电力变压器的安全与稳定运行。在对大型电力变压器进行电气设计时，需要相关负责人利用扎实的专业知识和丰富的操作技能，对电气设计的要点进行合理把握，利用现代化新型的工艺设备对大型电力变压器进行设计与改造，提升大型电力变压器的工作效率，保障我国电力工程的安全。

1 大型电力变压器电气设计中的损耗设计

随着社会经济的快速发展，全球都出现了能源紧缺的问题，为了缓解能源紧张的局面，节能降耗成为全球都关注的话题，大型电力变压器的电力损耗非常多，单台损耗便能够达到1000kW以上，电力企业一直都很重视降低大型电力变压器的损耗问题，大型电力变压器的损耗主要包括空载损耗、负载损耗以及附加损耗等三个部分。

1.1 大型电力变压器电气设计中的空载损耗问题

空载损耗是大型电力变压器较为常见的一种损耗类型，空载损耗的大小比较稳定，不会随着变压器负荷的变化而变化，空载损耗主要来自铁心，损耗类型包括磁滞损耗、附加损耗以及涡流损耗，很多方面的因素都会影响大型电力变压器的空载损耗，比如叠片工艺、接缝型式、硅钢片材质等级、毛刺大小以及接缝大小等。降低大型电力变压器空载损耗最常见的方式是使用高规格的硅钢片，降低变压器的工作磁密等来达到降低变压器磁滞损耗的效果。还可以采用步进搭接结构、减少接缝间隙、不叠上铁轭工艺、避免工艺孔过多过大、控制毛刺高度以及减少硅钢片的厚度等方式来降低大型变压器的空载损耗。

1.2 大型电力变压器电气设计中的负载损耗问题

大型电力变压器的负载损耗主要包括引线损耗、绕组导线直流电阻损耗、漏磁在钢铁结构件中形成的杂散损耗以及绕组涡流损耗等。降低变压器引线损耗的方式是在进行引线设计时，要尽量避开高漏磁区域，由于大型电力变压器的漏磁通分布较为复杂，通过减小流经各个钢铁构件的漏磁通的方式能够减少损耗。在所有的负载损耗中，绕组导线直流电阻损耗所占的比例最大，在变压器工作过程中，负载损耗的大小是随着负荷的大小产生变化的，很多大型电力变压器的负载损耗甚至达到了1000kW以上［1］。降低变压器的电阻损耗主要通过降低变压器的电阻和环流来实现，可以采取电阻率较低的材料或者增大横截面积的方式降低电阻损耗。与绕组涡流损耗关系较大的因素主要有导线尺寸、漏磁场强度以及分布情况等，要想降低绕组涡流损耗，可以减小导线尺寸，合理换位或者增加绕组的抗短路能力等。

2 大型电力变压器电气设计中的噪音控制问题

随着我国社会经济的快速发展，我国的大型变电站越来越多，并且有向城市中心转移的趋势，变压器所产生的噪音问题成为困扰城市居民的严重问题，所以在进行大型电力变压器设计时，一定要加强对噪音问题的考虑。大型电力变压器的噪音主要包括冷却设备噪音、空载噪音以及负载噪音等。在交变磁场作用下，硅钢片尺寸会出现伸缩，导致空载噪音的出现，降低变压器的空载噪音的方式包括使用性能优良的高导磁硅钢片降低磁致伸缩，改善或缩小铁心接缝，降低铁心磁密度，在铁心上涂抹环氧胶或聚酷胶，控制硅钢片在生产、加工过程中受到的撞击等［2］。还可以在油箱与基础之间放置防震胶垫，在油箱外加装隔音层，在油箱内加装隔音材料或者在变压器内放置噪音发生器等防止空载噪音的出现。负载噪音是线圈导线在变电磁力和漏磁通的影响下产生的振动所引起的，由于大型电力变压器的电磁力会产生很强的噪音，所以负载噪音也可能超过空载噪音，降低变压器负载噪音的有效方式为在频谱消音、线圈振动以及传播路径等方面加装阻隔声音。在大型电力变压器设计时，还可以采用自冷式方式消除噪音的叠加，对变压器的各大部件进行固有频率的计算，防止运行过程中出现谐振。

3 大型电力变压器电气设计中的绝缘设计问题

大型电力变压器的绝缘设计一般都比较复杂，在设计过程中需要对很多因素进行考虑，才能够设计出最佳的绝缘性能，对大型电力变压器进行绝缘设计主要包括主绝缘结构设计和纵绝缘结构设计。我国的大型电力变压器一般为油浸式，在进行变压器的主绝缘结构设计时，要对变压器运行过程中所承受的电压进行充分考虑，主绝缘电压主要包括绕组间绝缘和绕组端对地的绝缘。绕组间绝缘主要用于分隔绕组间的油隙，目前较为常用的是薄纸筒小油隙结构，绝缘的出发点也由击穿电压发展为无局放。在进行纸筒布置时，要将最低击穿场较强的油隙放置在中间位置，绕组间使用小油隙，防止绕组表面出现电厂分布不均的情况，尽量采用较薄的纸筒，降低油中的场强。大型电力变压器的绕组端对地绝缘的设计也非常复杂，变压器绕组端电场分布不均，并且不对称，电力线通常使用滑闪型结构，一旦出现局部放电现象，很可能导致沿面放电，对电力线的结构会造成破坏，也可能会因为电场发生畸变导致原有的结构被击穿。为了降低场强，可以使用静电环和角环进行应对。在进行角环设计时，首先需要对端部区域进行准确计算，计算出电场的分布情况，根据电场分布的等电位面来进行角环的布置。在对变压器绕组端部对地绝缘设计时，要采取有效措施防止内部绝缘出现严重的局部放电现象［3］。变压器的纵绝缘结构指的是线圈内部的绝缘，在变压器中，线圈经常会受到各种电压的冲击，很容易导致绝缘被击穿的情况出现，所以在进行纵绝缘设计时，要采取梯度设计，保证梯度分布均匀，防止绝缘受到电压的集中冲击，要对纵绝缘结构中的电场分布情况进行明确，对段间油隙和匝绝缘的耐电强度进行计算，保证足够的安全裕度。在对内屏蔽式线圈进行绝缘设计时，要对线圈的匝数进行合理调整，改变线圈绝缘的梯度分布。大型电力变压器大多都会使用电缆纸对线圈进行包裹，在对线圈进行绝缘设计时，要保留充足的充裕度，对绝缘表面的电场强度进行准确计算，利用合理的梯度分布选择屏蔽结构。

4 大型电力变压器电气设计中的抗短路设计问题

要想保证大型变压器的电力系统能够可靠运行，必须对变压器的抗短路能力进行优化，首先对变压器的抗短路能力进行计算，不但要考虑变压器的三相短路故障，而且要对其他类型的短路故障进行考虑，并且要根据变压器运行的网络环境分析运行过程中可能出现的故障。变压器设计人员要充分考虑到变压器的复杂结构以及不同线圈布置带来的不同阻抗，具体设计过程中要不断提升短路电流峰值系数，提升变压器的抗短路能力。

首先根据安培定律，计算出变压器的短路力、短路电流和磁感应强度［4］。变压器的磁场主要由磁场与漏磁场组成，变压器绕组不同分接位置的漏磁场变化非常大，在设计时不仅要对最小分接位置进行计算，还要对整个电场设计进行全面考虑，对各种运行情况下的漏磁场都要进行准确计算，利用合理的结构设计，使用优质的材料和先进设备，以及先进的制造工艺进行设计。漏磁场在端部会产生辐射分量，辐射分量能够与短路电流产生相互作用，使变压器出现轴向短路力，造成变压器出现短路现象，为了防止这种情况的出现，在进行变压器设计时，要尽量降低绕组中磁势力分布的不对称性，将高压绕组和低压绕组的磁中心偏移控制在绕组高度的2%以内［5］。为了防止绕组偏移量对轴向短路力造成影响，要将绕组中心放置于同一水平线上。由于作用于绕组上的短路力是不断发生变化的，所以在设计过程中要进行精确地计算，对各方面的因素进行充分考虑，充分利用先进的现代化技术提升变压器的抗短路能力。

5 结束语

随着我国社会经济的快速发展，人们的生产和生活对于电的依赖越来越强，电路系统容量的不断扩大对于电力输送系统的可靠性要求也不断提升，对供电设备的质量要求越来越高。变压器是电力系统中最为重要的设备，变压器质量的好坏直接影响到供电的安全与稳定，所以一定要做好大型电力变压器的设计，提升变压器的性能，为我国电力的安全、持续供应提供保障。