换位导线在提高大型电力变压器抗短路能力中的应用.pdf

换位导线在提高大型电力变压器 抗短路能力中的应用 郭清滔 1，黄雄涛2，胡琳静3 （1.福建省电力试验研究院，福建 福州 350007；2.福州超高压输变电局，福建 福州 350013； 3.江西江铜龙昌精密铜管有限公司，江西 南昌 330096） 摘要：验证了换位导线在大型电力变压器抗短路能力上的优势。 关键词：电力变压器；抗短路能力；换位导线 中图分类号：TM401＋．1文献标识码：B文章编号：1001－8425（2010）01－0019－04 Application of Interleaved Conductor to Improvement of Ability to Withstand Short Circuit of Large Power Transformer GUO Qing蛳tao1, HUANG Xiong蛳tao2, HU Lin蛳jing3 （1. Fujian Electric Power Test 2. Fuzhou Extra High Voltage Power Transmission Bureau, Fuzhou 350013, China；3. Jiangxi JCC-Longchang High Precision Copper Tubes Co.,Ltd., Nanchang 330096, China） Abstract：The advantages of interleaved conductor to improve the ability to withstand short circuit of large power transformer are verified. Key words：Power transformer；Ability to withstand short circuit；Interleaved conductor 1 引言 换位导线（CTC）是由一定数目的漆包扁线按宽 面相叠形成的两列， 经窄边方向换位绞制而成的绕 组线，如图1所示。 大型电力变压器绕组采用换位导线后， 可以降 低负载损耗和绕组热点温升，使结构更加紧凑，绕组 加工更加简便，经济效益显著，因此受到诸多变压器 制造厂家的青睐。采用换位导线，特别是用自粘半硬 换位导线绕制的变压器绕组， 可提高大型电力变压 器的抗短路能力， 为变压器的安全运行提供了有力 的保障。 2 换位导线的种类、 优点和质量参数 2.1换位导线的种类 （1）普通缩醛换位导线。该换位导线可以减少绕 组绕制过程中的频繁换位，避免了导体损伤。采用漆 绝缘，可减少绝缘尺寸，与纸包扁线相比，较大幅度 地减少了涡流损耗。 （2）自粘性（半硬）换位导线。亦称热粘合漆包换 位导线，它通过干燥加热后，漆包线间的自粘涂层相 互粘结在一起形成一个整体， 提高了整根换位导线 及绕组的机械强度， 不同程度地提高了绕组的抗突 发短路能力。 （3）无纺布包换位导线。由于干式变压器无油循 环冷却， 对导线本身有较高耐温要求 （一般不低于 155℃，即F级），而通过采用无纺布作为绝缘材料， 可以很好地解决这一问题， 因此该类型的换位导线 主要应用在干式变压器上。 （4）网状绝缘换位导线。主要应用于变压器的低 压绕组， 由于变压器低压绕组的电流大而电压相对 1 2 3 4 5 6 71 2 3 4 5 6 71 2 3 4 5 6 7 图1换位导线示意图 Fig.1Diagram of interleaved conductor TRANSFORMER 第 47 卷 第 1 期 2010 年 1 月 vol.47 January No.1 2010 第 47 卷 较低，因此该类导线通过使用网状绝缘来紧固导线， 并依靠漆包线本身的漆作为线间绝缘。 而公共绝缘 则选用特殊材料的网带， 其具有很强的散热效果和 机械性能， 同时还可减少油道的尺寸， 降低制造成 本。 （5）多节串联换位导线。其小线线规和匝绝缘是 可调整的，常用于大型电力变压器，以提高绕组的填 充率，使安匝更加平衡。同时可进一步缩小变压器的 体积，有效降低变压器主要材料消耗，提高产品的电 气强度和抗短路能力，使产品运行更加安全可靠。 2.2换位导线的优点 换位导线与普通导线相比有许多优点， 同时由 于外形尺寸比较小，降低了变压器的制造费用，经济 效益明显。其主要的特点有：①由于采用了多根小截 面的单线代替了一根大截面导线，使绕制工作容易， 并且使导线的厚度尺寸减小， 降低了导线的涡流损 耗。②与多根平行的自带绝缘单线相比，由于换位导 线是漆包单线， 而漆膜厚度较以往的纸绝缘厚度要 薄许多，但是耐压却是纸绝缘的几倍，加上公共纸绝 缘厚度比较薄， 因此明显地减小了绕组的体积，有 效地提高了空间的利用率。③由于单线之间的换 位， 使绕组具有较高的机械强度。④由于绝缘厚度 比较薄，所以具有较好的散热性。⑤由于漆膜和绝缘 厚度薄，散热性好， 所以具有较高的热稳定性。⑥由 于减少了人工换位，使绕组绕制工艺变得简捷，缩短 了绕组的加工时间。对于换位导线来说，绕制一圈换 位导线相当于绕制多圈单根平行导线。 2.3换位导线的质量参数 换位导线的主要质量参数：①铜材。含氧量不高 于20μL/L、 纯度大于99.95%以上的阴极电解铜才 能确保电气性能和机械性能。②单线尺寸。其必须满 足变压器要求的尺寸和公差。 因为较小的尺寸可降 低导线横截面、 增加电流密度， 导致温度升高等问 题。③漆包绝缘。漆膜厚度对于确保击穿电压及总的 几何尺寸来说是相当重要的， 同时漆的种类对于绝 缘油性能来说也同样重要。 漆可能污染变压器油和 或降低在铜材表面的附着力。 对于自粘性环氧树脂 的抗短路电流强度来说，玻璃温度（即固化温度）必 须高于100℃。④中间衬纸。 使用中间衬纸可彻底分 开两排单束线股，确保两排单束线股不互相接触，同 时可防止在导线表面接触及振动过程中发生损坏漆 包绝缘的情况。 中间衬纸的高度BZ与单线数NT及 单根漆包扁线厚度S2的关系为BZ=S2(NT-1)/2；⑤换 位节距。通常换位节距由供货商决定，但须保证能将 换位导线以最佳方式绕成内侧的绕组直径Di，同时 在绕组的绕制及加压时应保证换位导线的机械性 能。在圆周长度内至少应完成一次换位，即换位节距 AVD≤πDi/NT。⑥包纸方式。包纸方式对于确保整个系 统的击穿电压，保证对接及搭接（包括公差）的整个 系统的作用尤为重要。⑦单股线间的短路耐受情况。 在换位导线的任意两个单线之间应能耐受的交流或 直流试验电压为300V， 否则绕组的质量将出现问 题，无法使用。⑧外形尺寸。 外形尺寸对变压器设计 非常重要，如图2所示。外形尺寸问题与单线尺寸问 题相似。 3 换位导线的抗短路能力 3.1换位导线的机械性能 在变压器运行事故中， 短路事故是引起变压器 损坏的主要原因之一。据有关资料统计，我国变压器 的短路事故占变压器总事故的一半以上。 电力变压 器在电网运行中不可避免地会遭到各种短路事故的 冲击， 变压器经受外部短路时所产生的电动力往往 会造成绕组变形或诱发绕组事故。 如果变压器能承 受住短路电流的冲击， 那么系统在自动重合闸后变 压器就可以在电网中继续运行。否则，变压器就可能 因此受到损坏，需要修理或报废，造成较大的经济损 失。 变压器在遭受突发短路时，其高、低压绕组都将 承受很大的短路电流， 此时短路电流会产生与其平 方成正比的电动力作用于变压器绕组。因此，提高变 压器绕组特别是低压绕组的机械强度尤为重要。 而 通过采用换位导线， 特别是采用自粘半硬换位导线 绕制的变压器绕组， 能够较好地解决大型电力变压 器抗短路能力较差的问题。 其原因是由于自粘性换 位导线是由多股小截面的导线经过编制而成， 并在 b2 b1 S1 S2 S2 B2 BDmax HDmax Z1/2 r 图2换位导线外形尺寸 Fig.2Sizes of interleaved conductor 20 郭清滔、 黄雄涛、 胡琳静： 换位导线在提高大型电力变压器抗短路能力中的应用第 1 期 子导线绝缘漆的表面再涂一层环氧树脂漆， 这层环 氧树脂漆在常温下互不相粘连， 而加温处理时就会 粘接并固化在一起，形成一个坚硬的导线整体，解决 了动态下强度和稳定性差的问题， 使整体固化后的 绕组具有良好的机械强度， 因此具有理想的抗短路 能力。 3.2换位导线的热性能 由于换位导线存在损耗低、 机械强度高和绕制 容易等优点， 使它在发电机变压器的低压绕组中得 到大量的采用。 之前一般使用的是纸绝缘的换位导 线，但是这种径向大的换位导线的长边容易变宽，即 绝缘纸不会完全沿着铜导线的轮廓线， 导致各层纸 之间及最内层纸和导线之间形成油隙， 致使绕组中 出现纸的鼓包。而鼓包有两个缺点：一是减小了绕组 中线饼之间的冷却油通道； 二是增加了铜导线和油 之间的热梯度。为了限制这个鼓包，制造厂家采用网 套绝缘的换位导线， 它是用聚酯纤维和玻璃纤维混 纺线构成的，呈网状，将其覆盖在换位导线上，通过 网孔使冷却油能直接与漆包铜线相接触， 改善了导 线和油之间的热交换， 从而消除了绕组中存在失控 热点的可能性。同时，换位导线的绝缘厚度一般比较 薄， 所以具有良好的散热性， 即具有较高的热稳定 性。 3.3换位导线绕制绕组的“自保持” 理论上说， 变压器的结构决定绕组有二种变形 的可能：一种称之为强制变形，另一种称之为自由变 形。 强制变形是基于绕组内部有均匀分布的支撑点 限制了导线的变形。如果发生了强制变形，适当增多 内部支持点的数量是有效的。然而，经过理论及试验 的研究， 有一些专家提出了对内绕组的抗短路强度 是要求绕组“自保持”。 因为相对于铜导线的弹性模 量而言，绝缘纸筒和撑条是柔性支座，其支撑作用很 弱，何况套装绕组还必须留有间隙，而且在干燥后绝 缘材料还会收缩。因此不必考虑绕组内的支撑作用， 绕组应该做到在短路时是由其自身支持的。 要做到 自保持的关键参数是导线厚度和铜材的屈服强度 σ0.2，自粘半硬换位导线的厚度和屈服强度σ0.2均能 满足要求，因此解决了绕组抗短路能力“自保持”问 题。 4 工程计算上论证换位导线的抗短路能力 日本变压器专业委员会推荐的绕组辐向失稳平 均临界应力值的计算方法，是以弹性理论为基础，根 据承受辐向压力的薄壁圆筒的辐向稳定性公式推导 出来的。 在计算中考虑了实际的变压器绕组与薄壁 圆筒的差异， 不仅考虑到绕组的具体结构、 绕制方 法、辐向紧固方式的影响，而且考虑内径撑条的有效 支撑数目的作用。 绕组辐向稳定性校核步骤如下： （1）在故障发生时，内绕组的最大漏磁通密度 Bm为： Bm= 1.256ImN Hw 10-3，T（1） 式中1.25610-6———空气的磁导率，H/m N———绕组匝数 Hw———绕组几何高度，mm 其中，Im=2 姨KyK1In。 式中Im———短路电流的瞬时最大峰值，A In———额定相电流，A Ky———短路时的直流分量， 取决于绕组的R 和X。 大型变压器一般取1.5～1.8（IEC 新版为1.9） K1———短路电流倍数，K1= 1 ZK ，ZK为短路阻 抗，% （2）在绕组中每匝导线单位长度上的受力Fu为: Fu=0.5BmIm，N/m（2） （3）整个内绕组的辐向力Fr为： Fr=πDavNFu10-3=1.97 (ImN)2 Hw Dav10-6，N（3） 式中Dav———绕组平均直径，mm （4）绕组侧面积上的平均压强p为： p= Fr πDavHw′ ，N/mm2（4） 式中Hw′———绕组导线的总净高度，mm （5）内绕组在受压时导线上的应力为： σt= pDav 2a = Fr 2πDavHw′ （5） 式中a———绕组辐向净宽度，mm （6）绕组每一个线饼（线段）上的受力Fc为： Fc= Fr πM1Dav ，W/mm（6） 式中M1———绕组的线饼（线段）数 （7）内绕组有内支撑时每个线饼(线段)的临界 失稳强度FB为： FB= EI R3 (m2-1)，N/mm（7） 式中E———铜导线的弹性模量，对于退火铜线，取 E=1.25105N/mm2 I———导线的惯性矩，mm4 R———内绕组的平均半径，mm， R= Dav 2 21 第 47 卷 m———为实际支撑（撑条）数的一半，即m=Z/ 2（Z为实际支撑的内撑条总数） （8）导线的惯性矩I为： I= 1 12 nybb3ntt，mm4（8） 式中nb———线饼(线段)中辐向的导线根数 nt———线饼(线段)中期间的导线根数 b———每根导线的辐向厚度，mm t———每根导线的轴向高度，mm y———经验系数，一般1≤y≤3(普通导线y＝ 1，自粘换位导线y=2.3～2.5) （9）辐向稳定校核系数为： K= FB FC （9） 式中的FB与FC间的间隔K的大小， 常和所采 用的材质及结构因素相关。 当系数K大于1.8～2.0 时， 则可认为该台变压器有较强的耐受辐向电动力 的能力。 通过上述的计算论证，辐向稳定校核系数K与 线饼(线段)中辐向导线根数的y次方成正比，由此论 证了自粘换位导线的抗短路能力比普通导线要强。 5 结论 本文中介绍了换位导线的种类、优点、质量参数 和自粘换位导线在大型电力变压器抗短路能力上的 突出优势， 并通过工程上的动态计算验证了换位导 线取代普通导线时，抗短路能力可明显增大。大型电 力变压器采用换位导线绕制绕组， 在我国变压器制 造业已得到普遍应用， 特别是自粘性半硬换位导线 在大型电力变压器抗短路能力上的应用， 为变压器 的安全运行提供了保障。 参考文献： [1]国家电力公司发输变电运营部编.防止电力生产重大事 故的二十五项重点要求[M].北京：中国电力出版社，2001. [2]王世阁， 钟洪璧.电力变压器故障分析与技术改进[M]. 北京：中国电力出版社，2004. [3]刘传彝.电力变压器设计计算方法与实践[M].沈阳：辽 宁科学技术出版社，2000. [4]王晓莺.变压器故障与监测[M].北京：机械工业出版社， 2004. [5]王乃庆.连续换位导线在大型电力变压器上的应用[J]. 电力设备，2004，6（4）：26-30. [6]高素霞，康京.换位导线的应用[J].变压器，2006，43 (3):26-29. [7]Patel，Mukund R..Instability of the continuously trans- posed cable under axial short-circuit forces in trans- formers[J]. IEEE Trans. Power Deliv.，2002，17（1）：149- 154. [8]Pate M. Instability of the machine-transposed cable un- der axial short-circuit forces in large power transform- ers[J]. IEEE Power Eng. Rev.，2001，21(11):60-62. 收稿日期：2008-07-16 作者简介：郭清滔（1983-），男，福建蒲田人，福建省电力试验研究院工程师，主要研究方向为电力系统过电压和变压器 相关技术。 ≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤ 《电抗器理论与计算》和《变压器安装与运行技术手册》两书出版 由路长柏主编，郭振岩、李文海主审的《电抗器理论与计 算》和柳泽荣编著的《变压器安装与运行技术手册》两书现已 出版发行。 《电抗器理论与计算》在电抗器理论的基础上，论述了铁 心电抗器、 水泥电抗器及干式空心电抗器的设计计算方法。 本书可作为电抗器生产厂家从事产品设计、制造和试验等工 程技术人员的参考书。 《变压器安装与运行技术手册》主要叙述了电力变压器 的到货验收与安装，现场交接试验与投运，变压器运行特性 与维护以及变压器故障分析与判断等内容。 本书可作为变压 器生产厂技术服务人员、电力系统检修及运行维护人员的培 训教材，同时也可供变压器生产厂设计、工艺人员及电力运 行单位的生产、技术人员参考。 欢迎广大读者订购。 《电抗器理论与计算》 定价45.00 元， 邮购价55.00元；《变压器安装与运行技术手册》 定价 36.00元，邮购价45.00元。 购书联系人：张彩霞 联系电话：[phone] 024-23785211 22