CN109841394A - 绕组交错式排列的心式变压器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型变压器。综合了现行的壳式变压器和心式变压器的结构优点，可以完全替代现行的壳式和心式变压器。成本大幅度降低，突发短路试验通过率基本100%。变压器绕组的冷却效果好、过载能力强，极限容量大，运输方便。极限容量的优点要优于壳式。立式运输不便时，可以倒装运输，降低运输高度。结构紧凑，外观体积小，整体重量轻，结构紧凑，引线安装方便，电容分布均匀，绝缘可靠，抗雷击和操作过电压能力强。

Description

绕组交错式排列的心式变压器

技术领域

本发明是一种新型变压器。综合了现行的壳式变压器和心式变压器的结构优点，可以完全替代现行的壳式和心式变压器。

背景技术

变压器是应用于电网和电力系统中的一种最主要电力设备，主要由铁心和绕组（也叫线圈）构成。如按铁心和绕组结构分类，变压器可分成心式和壳式两种。

心式变压器基本结构如图1所示（三相），铁心柱截面为圆形、放置方式为立放，线圈截面也为圆形，高、中、低压线圈依次同心地套在铁心柱上，线圈包围铁心，线圈为同心式排列。铁心柱截面是由多级不同片宽、不同厚度的铁心片叠成，铁心柱截面的外接形状为外接圆，故叫铁心柱截面是圆形。三相五柱式心式大型变压器也带有旁铁轭，但结构与计算方法与壳式有本质区别。

壳式变压器铁心结构较多，但主要结构如图2、3所示，铁心柱截面为长方形，铁心迭片只有一种片宽，多个铁心片叠加成一定的厚度，铁心柱截面的外接形状为长方形，放置方式为卧放，两边有旁铁轭，铁心包围线圈，线圈交错式排列。

心式变压器与壳式变压器最主要区别是线圈漏磁方向不同，造成线圈所受电动力的方向不同，所以其线圈、铁心结构各有特点，另外，还有一点是铁心磁通计算与分布两者区别较大。

心式变压器与壳式相比成本低，但抗突发短路能力差，对绕组的圆度要求极高，如绕组圆度稍差，抗突发短路能力急剧下降。

变压器放置方式主要是指器身是立放还是卧放，变压器器身就是变压器铁心和绕组的组合部件。器身卧放还是立放对变压器温升和运输影响极大。

壳式变压器成本较高，但抗突发短路能力极好，故铁心和线圈可以采用长方形截面。

铁心一般由心柱、铁轭构成，或包括旁柱，凡是套装绕组的柱叫心柱。铁心柱截面是圆形，也叫铁心截面是圆形，无论铁轭和旁柱是矩形、是圆形、山字形或其他形状，只要心柱（也叫铁心柱）截面是圆形，就叫铁心截面是圆形。如铁心柱是长方形，无论铁轭和旁柱是矩形、是圆形或其他形状，我们都叫铁心截面是长方形。所以铁心截面叫法是与铁心柱相同，与铁轭、旁柱无关。

目前，各国主要采用心式变压器，约占总产量的95%。但也有几家变压器生产企业生产壳式变压器，最主要的是美国西屋、日本三菱、法国施奈德三家。现在国内也有少量的生产，主要集中在电炉变压器方面。

心式变压器最大缺点是突发短路试验通过率极低，目前国内不超50%。由于成本原因，国内一些生产和科研院所设计了一批心式椭圆绕组的配电变压器，规格主要是10KV电压，容量在30—500KVA，成本虽降低了，但据国网公司抽查，突发短路试验合格率极低。无论干式、油浸或其他浸渍型包括六弗化硫等变压器都存在相同的问题。

壳式变压器缺点是成本太高，铁心内磁通分布复杂，三相线电压易于不平衡。

从目前国内市场状况分析，决定变压器企业存亡的两大难题：变压器成本和突发短路试验合格率。

发明内容

绕组交错式排列的心式变压器（简称新型变压器，下文同），特征是：包括变压器铁心、变压器绕组；

其中，所述变压器铁心采用心式结构；

其中，所述变压器绕组是交错式排列；

其中，所述变压器铁心磁通计算方法与心式变压器相同；

其中，所述变压器阻抗计算方法与壳式变压器相同。

绕组交错式排列的心式变压器，特征是：所述变压器铁心柱截面和变压器绕组截面是长圆形，或是椭圆形，或是长方形，或是由多组曲线组合成的形状。

绕组交错式排列的心式变压器，特征是：所述变压器铁心柱截面和变压器绕组截面是圆形。

绕组交错式排列的心式变压器，特征是：低压大电流的所述变压器绕组采用螺旋板式绕组。

本技术主要采用心式铁心，壳式绕组型式，因此对绕组和铁心形式进行原理性分析是必要的。

三相心式变压器铁心，可以认为当一次绕组施加三相对称正弦形线电压时，铁心中各磁通也三相对称的正弦形磁通。在所有瞬时，三相磁通代数和等于零，即

Φ_A+Φ_B+Φ_C=0

当三相新型变压器没有联结成三角形绕组时，由于三相磁路本身的不对称（三相铁心），或者三个单相铁心由于各相磁路在各瞬时饱和程度不同，在所有瞬时，三相磁通的代数和并不总等于零，即

Φ_A+Φ_B+Φ_C=Φ₀

由上可知，在各相正弦形磁通中叠加了一个附加磁通，使三相磁通不对称，造成各相磁通不是正弦形，则各绕组感应电压不对称。但由上式可推断Φ₀只改变各相磁通的波形，不改变各相相位。

当三相变压器有联结成三角形的绕组时，铁心中的Φ₀在三角形绕组中引起一个环流，根据楞次定律，它产生的磁势将完全是使Φ₀去磁。这种情况下各相磁通基本是正弦形，从而保证感应电压是正弦形。

由以上三相磁路分析可知，新型变压器在有联结成三角形绕组的情况下，三相电压是对称的，波形为正弦波。当没有三角形绕组时，小容量的波形畸变可以忽略，大容量则需慎重。

本技术主要从成本和突发短路试验合格率两项指标进行研究。成本方面以心式结构为主进行改变，并通过铁心截面和变压器绕组截面是长圆形等技术方法降低成本和损耗。短路方面采用交错式绕组。计算方法综合两者之长。通过对绕组的拉平结构改变漏磁面积计算方法来控制阻抗电压百分数。

变压器绕组交错式（有的书上也叫交叠式）排列是高中低压线圈沿铁心柱高度相互交错排列，一般低压线圈邻近铁心的铁轭（在两端），高中压线圈排列在中间，结构简图如图5。从安匝平衡来看，一个高压与两个低压取得安匝平衡的效果最好，这一组合我们也叫一个磁平衡组（或叫漏磁组）。平衡组的分界点就是磁势图所经过的0点，每相邻的两个0点间就是一个磁平衡组（如图6），图6是两个磁平衡组磁势分布图。

关于铁心和绕组的截面，心式变压器主要是圆形，壳式主要是长方形。主要原因是心式变压器绕组的短路电动力方向沿辐向分布，按电动力分析，圆形受力效果是最好的，故心形绕组对圆度要求极高。壳式变压器的短路电动力方向主要沿轴向分布，按电动力分析，对绕组截面形状无要求，故均采用长方形绕组，用长方形主要是为减小两铁心柱间的距离。

新型变压器的铁心截面和变压器绕组截面是长圆形、或是椭圆形、或是长方形、或是由多组曲线组合成的形状。长圆形截面就是两端是直径相等的半圆，中间用直线相连，半圆的直径叫绕组短轴，半圆的直径与直线长度的和叫绕组长轴，图7是长圆铁心截面图。椭圆形好理解，就是铁心和绕组截面的外接形式是椭圆形，也分长轴和短轴（如图8）。多组曲线组合成的形状就是外接形态是由多种曲线或直线组合成的形状，如图9就是由以A1、A2、B1、B2四点为圆心的四组圆形曲线组合成的类似椭圆形的截面。图10是圆形截面。

变压器绕组有一种圆筒式绕组，也叫层式绕组，见简图11，通常由圆导线或扁导线一匝挨着一匝绕制，匝间无空隙，如此连续绕制的多匝形成一层，每层的两端最外面两根导线放置一定宽度的绝缘，叫端绕组，与导线固定在一起。可以连续的绕制任意多的层数，层与层间放置层间绝缘。它可分为单层圆筒式、双层圆筒式、多层圆筒式和分段圆筒式。分段圆筒式就是两个或多个圆筒式串联。

盘式层式绕组，简称盘式绕组或盘式线圈，见简图12，是一种新型的绕组形式。与圆筒式绕组绕制方式相同，都是一层一层的绕制，但取消圆筒式绕组的端绝缘，绕组每层的第一根导线和最后一根导线可以采用拉平结构，绕组截面外接形状为长圆形、或是椭圆形、或是长方形、或是由多组曲线组合成的形状，当绕组导线采用小规格的圆线时可以不采用拉平结构。盘式层式绕组的两个端面在计算绕组温升时可以当散热面计算，这也是与圆筒式绕组的一个区别，因圆筒式绕组有端绝缘，散热效果极差，故在计算温升时，是不能作散热面考虑的。

盘式绕组的拉平结构如图12，由于绕组绕制结构的螺旋性，第一根导线和最后一根导线的头和尾间有一个一根导线高的高度差，这对短路电动力和阻抗计算有重大影响。现在每一层的第一根导线的尾部折一个类似的Z形弯，让第一根导线在绕组的端面上平齐，在每一层的最后一根导线的头部折一个类似的Z形弯，让最后一根导线在绕组的端面上平齐，这样整个绕组的两个端面是一个平面。盘式层式绕组各个导线或多个导线均采用拉平结构。盘式层式绕组按设计需要可以采用接平结构，也可以不采用拉平结构。它可分为单层盘式绕组、双层盘式绕组、多层盘式绕组和分段盘式绕组。分段盘式就是两个或多个盘式绕组串联或并联，分段盘式的并联结构是与圆筒式的一个重点区别。

螺旋式绕组，是变压器绕组的一种结构，每匝是由多根导线（扁导线，形状类似长方形，分宽度和厚度）并联，各根并联的导线在扁导线的宽度方向叠加，每绕制一圈为一匝，每匝的宽度就是扁导线的宽度，每匝高度就是扁导线的厚度乘以并联的根数，各匝间用垫块分开。

螺旋式绕组又分单螺旋、双螺旋、四螺旋、六螺旋等。单螺旋只有一股螺旋，相仿线匝之间设置垫块，双螺旋、四螺旋、六螺旋分别由二股、四股、六股螺旋并联组成，相邻的股间及匝间均设置垫块。为使螺旋式绕组各并联导线的长度相等，并使各并联导线在漏磁场中所处位置机率相同，以减小各并联导线的环流，需在绕组的某些特定位置对导线进行换位。

螺旋板式绕组，是一种新型的绕组形式，见简图13（其中b是铜板的厚度）。由于新型变压器的铁心虽然是心式结构，但磁场与壳式变压器类似，螺旋式绕组每匝的并联导线不需要绝缘和换位，因此可以用与多根并联导线相同面积、相同材质的板代替，如铜板、铝板（为叙述方便，简称铜板），绕组的第一匝铜板和最后一匝铜板可以采用拉平结构。由于新型变压器和螺旋板式绕组的特点，螺旋板式绕组散热效果极好，各匝间不必一定用垫块，可以用薄薄的绝缘隔开，如0.5mm厚的纸板，根据散热的需要，在需要的匝间设置垫块。螺旋板式绕组最大的优点是减小了绕组的高度，大大提高铁窗内的填充系数。

螺旋板式绕组的拉平结构如图13，由于绕组绕制结构的螺旋性，第一匝铜板和最后一匝铜板的头和尾间有一个铜板厚度的高度差，这对短路电动力和阻抗计算有最大影响。在第一匝铜板的尾部折一个类似的Z形弯，让第一匝铜板在绕组的端面上平齐，在最后第一匝铜板的头部折一个类似的Z形弯，让最后一匝铜板在绕组的端面上平齐，这样整个绕组的两个端面铜板是一个平面。各匝铜板或多匝铜板都可以采用拉平结构。螺旋板式绕组按设计需要可以采用接平结构，也可以不采用拉平结构。

新型变压器非圆形绕组技术原理分析，心式变压器原理上只能采用圆形绕组，但新型变压器铁心结构虽是心式，但绕组结构是壳式，短路电动力方向主要是轴向，辐向电动力小且可控，因此绕组可以采用非圆形结构。

技术效果

第一，在相同性能标准中，材料成本低于传统心式变压器，远低于壳式变压器。

第二，在相同材料消耗的情况下，各项性能指标低于传统心式变压器，远低于壳式变压器。

第三，机械强度高，抗短路能力强。新型变压器承受短路电动力能力优于心式和壳式变压器。新型变压器绕组可以采用多个磁平衡组，每组漏磁均小，相应的短路应力无论辐向和轴向均小。辐向作用于导线上的应力只有传统心式的20%左右。一般心式轴向漏磁大，壳式辐向漏磁大，新型变压器铁心窗内的绕组部分外形可以为直线型，可以方便的用垫块挤压，外部可以为圆形，故承受短路机械力优于壳式。

第四，新型变压器绕组的冷却效果好、过载能力强。高低压绕组布置如壳式，油道垂直，油循环时对流方便，自然冷却性能好。特别是强油导向冷却优点更明显。

第五，极限容量大，运输方便。极限容量的优点要优于壳式。立式运输不便时，可以倒装运输，降低运输高度。结构紧凑、外观体积小、整体重量轻。

第六，结构紧凑，引线安装方便。

第七，电容分布均匀、绝缘可靠，抗雷击和操作过电压能力强。

附图说明

图1是一种心式变压器示意图。

图2是一种壳式变压器示意图。

图3是一种壳式变压器示意图。

图4是三相五柱式心式变压器示意图。

图5是一种带两个漏磁组的新型变压器示意图。

图6是一种带两个漏磁组的新型变压器漏磁势分布图之一。

图7是新型变压器铁心长圆形截面示意图。

图8是新型变压器铁心椭圆形截面示意图。

图9是新型变压器铁心多组曲线组合成的形状截面示意图。

图10是新型变压器铁心圆形截面示意图。

图11是心式变压器层式绕组示意图。

图12是新型变压器盘式绕组示意图。

图13是新型变压器螺旋板式绕组示意图。

其中，

1是变压器铁心。

2是变压器绕组。

3是新型变压器漏磁势分布图。

4是变压器铁心外接线形。

5是变压器铁心叠片示意图。

6是变压器层式绕组端绝缘。

7是变压器绕组导线。

8是新型变压器盘式绕组拉平结构的填充绝缘。

9是新型变压器螺旋板式绕组的铜板。

具体实施方式

选择S13—400/10±2×0.25%／0.4变压器做实施方案。选择的原因是配电变压器对成本控制极敏感，行业上普遍靠牺牲突发短路能力，降低成本，所以配电变压器铁心和绕组截面都是非圆形，因此新型变压器成本与非圆形截面的普通心式变压器对照，新型变压器在保证短路能力的前提下，成本的下降百分比更有说服力。以目前行业上最通用的一套图纸对比，对照组型号为SB13—400/10±2×0.25%／0.4，铁心和绕组截面为椭圆形，心式变压器，同心式绕组。

实例1、S13—400/10±2×0.25%／0.4

国标：负载损耗Pk=4200W

空载损耗P0=410W

空载电流百分数I0%=0.8%

阻抗电压百分数Uk%=4%

总损耗P=4930 W

一、新型变压器S13—400/10±2×0.25%／0.4

设计方案：铁心绕组截面选择长圆形

铁心长短轴比为1：1.49，铁心小圆直径Φ155mm，铁心主级加厚33mm，铁心截面积为280.006cm²。铁心磁密Bm=1.546T，M0=255mm，Hw=400mm。

绕组结构形式：交错式，六磁平衡组。

高压绕组：为盘式绕组带拉平结构，匝数为630匝，600匝，570匝。线规ZB—0.32.12×4。每双磁平衡组15匝／层，共15层。

低压绕组：为螺旋板式带拉平结构，匝数24匝，线规5×40裸铜排，匝间垫0.5mm纸板。每磁平衡组6匝。

高低压绕组沿铁心柱（铁心套装绕组的柱叫心柱）的轴向排列方式：

上铁轭——低压绕组——高压绕组——低压绕组——低压绕组——高压绕组——低压绕组——低压绕组——高压绕组——低压绕组——下铁轭

二、新型变压器与目前行业上通用型变压器对照表

三、突发短路。

由于采用交错式绕组，突发短路能力远远优于同心式排列的变压器。

Claims (3)

1.绕组交错式排列的心式变压器，特征是：包括变压器铁心、变压器绕组；

其中，所述变压器铁心采用心式结构；

其中，所述变压器绕组是交错式排列；

其中，所述变压器铁心磁通计算方法与心式变压器相同；

其中，所述变压器阻抗计算方法与壳式变压器相同。

2.根据权利要求1所述绕组交错式排列的心式变压器，特征是：所述变压器铁心柱截面和变压器绕组截面是长圆形，或是椭圆形，或是长方形，或是由多组曲线组合成的形状。

3.根据权利要求1所述绕组交错式排列的心式变压器，特征是：所述变压器铁心柱截面和所述变压器绕组截面是圆形。