220kV发电机变压器的结构设计

肖朋 徐春苗

（1.营口职业技术学院 辽宁省营口市 115002）

（2.特变电工沈阳变压器集团有限公司 辽宁省沈阳市 110144）

随着输变电行业的快速发展，高电压工程对220kV发电机变压器的需求量越来越大，发电机变压器的性能直接影响到高压输电工程建设和运行的质量，因此，研发出高质量的220kV发电机变压器十分重要。本文结合工程上对发电机变压器的要求，以一台400MVA/220kV的三相发电机变压器为例，对变压器的主要技术参数进行了介绍，对变压器的六大装配结构进行了详细说明，同时对变压器的纵绝缘结构设计进行了特别说明。

1 发电机变压器主要技术参数

根据变压器技术规范要求，确定了400MVA/220kV发电机变压器的主要技术参数，如表1所示。

2 发电机变压器主要结构设计

2.1 铁心结构

铁心采用三相五柱式整体结构。使用厚度为0.27mm的进口冷轧硅钢片，硅钢片具有高导磁、晶粒取向性能，全斜接缝，铁心心柱用粘带绑扎，心柱各级台阶处分别用绝缘圆棒填充，以保证低压线圈与铁心之间的支撑充分而有效。铁心拉板及低压侧面夹件采用无磁钢板，以利于降低金属结构件的损耗和防止局部过热。在器身上下放置磁屏蔽，有效降低线圈漏磁引起的损耗，防止夹件及其结构件产生局部过热。铁心垫脚、拉板、夹件都进行结构优化，使铁心夹紧、器身起吊、压紧及短路状态下的机械强度均符合要求。铁心夹件和拉板材料均采用无磁钢板，降低其损耗，防止局部过热。

2.2 绝缘结构

线圈之间的主绝缘采用薄纸筒小油隙结构。变压器心柱中部绝缘水平较高，使用有限元计算软件计算出电场分布，根据等场强原则，优化绝缘结构，确定放置角环位置和电极曲率半径，以及尖角处绝缘的覆盖厚度，设计时要留有一定的安全裕度，保证变压器的绝缘可靠[1]。散热部分采用强油风冷结构，控制器身内的变压器油流速小于0.5m/s。为降低局部放电发生概率，在心柱和旁柱侧均放置地屏，优化铁心的电极形状，改善电场分布，降低表面场强。

在工艺方面为保证套装的紧度，采用整体套装结构，采用恒压方式对线圈和线圈组装进行干燥，线圈出炉前还要进行热油喷淋，使整体组装高度保持在允许范围，以提高线圈的抗短路能力。为满足变压器寿命的要求，器身内垫块采用高密度预压纸板材料，增加干燥次数，减少器身暴露时间，使器身吸水量降到最低，以此提高变压器的电气强度。为防止绕组及绝缘件在真空浸油后发生松动，在上铁轭与线圈组装上部压板间，在压紧状态下放置撑紧垫块，以保证绕组轴向压紧，并在浸油后进行二次压紧。

2.3 线圈结构

图1：发电机变压器外形图

图2：雷电全波冲击梯度电压分布

高压线圈采用中部进线，首端采用内屏连续式，分接段采用纠结式，其余段为连续式，端部线匝间的电容的提高，有效改善线圈的冲击电位和梯度的分布,使绝缘安全裕度增大。线圈的绝缘结构根据波过程及电场计算结果来确定，使线圈的抗冲击能力和耐电能力得到充分保证。低压线圈为双层螺旋式，换位导线采用自粘性换位网包线，提高散热性能，降低涡流损耗[2]。

所有线圈均绕在硬纸板筒上，且线圈采用等安匝排列，有效改善线圈各区间的安匝平衡，提高抗短路能力。与此同时采取有效工艺措施保证线圈绕制及套装的紧度，以提高线圈的本身紧实度，提高整体强度。控制线圈分区高度和整体高度，保证线圈的安匝平衡，提高线圈的抗短路能力，按照ODAF冷却方式设计线圈内的油路，满足线圈冷却需要。

进行线圈漏磁计算，根据计算结果进行导线完全换位，将线圈的环流耗降至最低，线圈端部换位导线单根线高很小，同时器身磁屏蔽的采用，减少了主空道漏磁的横向分量，这都有效的降低了横向涡流耗在此产生的局部热点。

高压线圈为外线圈，中部出线位置与高压套管下部均压球很近，中部出线外包绝缘后，直接进入均压球，中部出线上端冷压接线端子，与套管尾部接线板螺栓连接。为保证换位导线股间绝缘良好，在导线换位时和出头作型时，使用液压式换位工具，缓慢加压，支撑点圆棍加粗，绕线时使用木锤轻轻敲打，线圈轴向高度垫块调节采用气囊操作。所有换位导线均采用自粘线，等于加厚了各导线股间绝缘。

2.4 引线结构

低压引线采用铜排连接，充分考虑大电流引线漏磁在油箱、夹件等部件的分布，采取有效屏蔽措施控制由此带来的损耗和过热。设计上仔细考核各引线对铁心、器身、油箱及其它引线等部位的绝缘距离，选取合适的电极直径和屏蔽措施，减少局放，保证电气强度，引线采用冷压焊连接[3]。

低压线圈出头引出器身后，换位导线端部冷压接线端子，与低压铜排螺栓连接，低压铜排通过绝缘件固定在低压上夹件侧，低压铜排通过软铜片螺栓连接到低压套管尾端。低压套管为铝材料，上下接线端子表面镀银，在油中部分与铜接线片相连，因为油中的水与氧气含量极低，故不会发生电化腐蚀。低压套管上部接线端子（即空气中部分）位于封闭母线内，与封闭母线相连的部分可以采用铝接线片，无铜铝过渡问题。

2.5 油箱结构

采用钟罩式油箱，箱沿焊死结构，密封性能好。为防止箱壁和箱沿过热，在油箱内侧加装磁屏蔽和铜屏蔽，可大大减少杂散损耗。磁屏蔽采用一点接地，其余处均与油箱可靠绝缘。合理加强油箱，保证油箱能承受全真空（残压小于33Pa）及0.1MPa的正压。为保证变压器不出现渗漏油的现象，法兰连接面开密封限位槽，油箱箱沿加限位方钢，保证密封垫的弹性压缩量，使密封垫能有效密封。

2.6 总装结构

变压器长轴两端配有进口油温测量和监测装置。并配备线圈温度控制器监测油顶层温度和线圈的温度及控制冷却器的投切，所有温度控制器均有低温报警和高温跳闸两个测点。变压器配有进口压力释放阀、气体继电器，保护变压器在出现故障时能及时切掉。气体继电器接点容量不应小于DC110V、3A。产品密封圈采用耐油丁腈橡胶，密封性好，抗老化性强。储油柜、冷却器、压力释放阀等与主体连接的部位均放有真空蝶阀，方便安装及检修。在油箱上部和下部成对角线布置有抽空蝶阀和注油阀门[4]。主体储油柜和开关储油柜均有用于监测油位的油位计，储油柜的油气隔离系统选用全密封胶囊式储油柜或全密封波纹式储油柜。变压器分接开关采用三相无励磁分接开关，开关在不吊油箱的情况下方便地进行维护和检修。冷却装置采用风冷却器，结构特点为单回路结构，结构简单，密封点少，油流通面积大，流速较低，可减轻油流静电现象。发电机变压器外形图如图1所示。

表1：220kV发电机变压器的主要技术参数

3 变压器纵绝缘结构设计

纵绝缘结构计算包括线圈段间绝缘、匝间绝缘、冲击电压作用下的端绝缘、主绝缘及其相对地绝缘的计算，并对计算结果进行分析，找到绝缘薄弱区域，加强绝缘防护，保证变压器长期可靠运行。为改善变压器线圈冲击电位分布，减少线圈冲击电位震荡，使其油道冲击梯度电压趋于均匀分布，通过对线圈结构的调整，强化线圈特殊部位绝缘等方式，对线圈结构方案进行变压器线圈波过程计算、分析和论证。根据计算、分析结果，最后确定变压器各线圈匝间绝缘、段间绝缘的安全裕度系数。线圈在雷电全波下的冲击梯度电压分布如图2所示。

4 结语

本文对三相400MVA/220kV发电机变压器进行细致研究、分析和开发，介绍发电机变压器六大装配各部分设计和工艺的关键要素，同时借助大型电磁场计算软件对关键结构进行详细的验证，保证变压器能够可靠运行。