单相高电压大容量发电机变压器的设计

摘要：电力变压器是电网中不可缺少的设备，随着我国经济建设，特别是能源工业和国民经济发展过程后对其提出了更高要求。在整个生产、传输以及分配等环节中起着重要作用的是高压绕组。为了满足电压等级较高的发电机，需要配备足够大容量单相高压大容量发电机变压器装置来支撑起系统工作。本文阐述了单相高电压大容量发电机变压器装置的改进要点，并提出了今后需要进一步研究解决的技术问题。

关键词：单相；高电压；变压器

前言：电压大容量发电机是电力系统中的重要设备，电压大容量发电机能将电能转化为化学能，并且可以实现能量转换，在整个电网中起着很关键性作用。因此，对电压大容量发电机的研究显得尤为重要。

1、单相高压大容量变压器

在电力系统中，电压等级为220kV，属于高压大容量的范畴。为了满足国家对电网安全可靠性要求和经济性要求，从而研制了单相高电压大型变压器。因为单相高压大容量变压器具有结构简单、运行可靠稳定、价格低廉等优点，因此被广泛应用于各种类型电网之中；同时它也是一种节能减排技术措施与检修管理手段相结合的新型变流设备；在电力系统中承担着重要作用，为人们生活提供便利的工作环境。

19世纪中期，美国和苏联开始对高压电网进行研究，此时由于当时的电力系统已初步形成规模化生产状态。所以单相电压大容量变压器成为了新发展阶段。我国在20年代初期就已经有了提出来一些技术指标。比如：容量比、效率高以及可靠性高等方面都取得过许多成果；但是对于大型发电机而言还是比较落后的一个问题，那就是对其设计和运行时产生大量损耗进行成本分析和经济评价等一系列工作，这些都是由于单相高压大电流小电压系统引起的；在电力系统中，电压、阻抗等参数是衡量电压稳定性的重要标准。

1.1 铁心

铁心的结构与其他材料相同，由定子、磁芯和转子组成。当电压水平下降到一定程度时，会产生较大电流而引起损耗。因此需要选择合适容量比及相数来进行匹配设计，以降低电力系统中功率因数是提高电网经济性的必要措施之一。铁心一般有两种结构，分别为单相四柱式和单相三柱式，其中，单相三柱式铁心结构较为简单，因此不对其深度介绍，故仅对单相四柱式铁心进行介绍。如图1所示。

图1 单相四柱式铁心结构简图

单相四柱式铁心结构一般用于220至500KV的单相高压大容量变压器之中。在单相四柱式铁心结构当中，两个无绕组的外线柱被称之为旁轭，绕组布置在中间两个心柱上。通过研究得出

Φ1=Φ2=Φ3+Φ4=Φ5+Φ4；Φ3=Φ5

在一般情况下，Φ3≠φ5、φ4≠φ5,，而φ3=φ5＜φ4。因此可以得出，该结构的铁心在运行的过程中有附加损耗，旁轭和铁轭中的磁通按照非正弦曲线变化，而铁柱中的磁通按照正弦规律变化。其中，两个不同的部位的磁通分配比例变化是因为铁心的非线性变化。由于铁心在运行的过程当中，引起了谐波分量，导致铁轭和旁轭磁路不对称及其非线性导致磁通分配不相等的情况，进而引起铁心得附加损耗。为了解决这一问题，在设计的过程中，应当增加铁心柱的截面，同时也要增加铁轭和旁轭的截面。在实际的应用过程中，由于

φ3=φ4=φ5=0.5φ1=0.5φ2，因此，这样设计是正确的，与此同时，这样设计的优点在于铁心的附加损耗比较小，损耗的角部面积仅为三相三柱心的一半。

1.2 主、纵绝缘

主、纵绝缘的主要作用就是用来降低电压，从而可以起到隔离、保护和承受过电压。当发电机内部发生故障时，能自动将外部电路中短路部分切除，而不至于使其损坏。所以说在设计变压器时要考虑到以下因素：容量比较大且方向相反；绕组间距离大于允许值；要满足与外界的绝缘要求及减少损耗等条件来保证使用安全可靠度和降低成本。

1.3 漏磁控制

由于电力变压器的容量很大，且分布不均，漏磁的产生是不可避免，因此漏磁现象是普遍存在，由于其原理与控制方法都是相同。当电压波动时就会产生较大电流。而在正常运行过程中，如果出现了故障或短路等情况，又不能及时发现和消除，则很容易造成事故甚至导致损坏设备、人员伤亡及经济损失；同时也可能因为电压波形畸变引起内部过热烧损，以及绕组温度升高从而引发燃烧爆炸的安全隐患，危及人身安全和供电系统稳定可靠运转。因此，一般情况下采用定子绕组匝间差动保护。当负载为恒流电流时，励磁电压会随着外加阻抗变化而改变；如果电流增大到一定值后的额定容量值时，就能自动切断电源并实现断开故障电路装置。在变压器漏磁场中,其阻抗值会发生相应的变化，而当电流增大到一定程度后，则能自动切断电源并实现断开短路电路装置。

1.4 绕组热点温升的控制

变压器在运行过程中，会产生大量的热量，如果这些热能不能及时排出，就很有可能造成损耗。因此需要对其进行合理控制。绕组热点温升一般采用定磁通来实现，通过增加感应电流以减少温度变化，改变励磁电压降低匝间距离从而减小交流总阻抗，利用单相短路容量限制流过变压器铁芯的热积累时间，进而达到抑制绝缘损坏和提高空载时功率因数等一系列措施，使之保持在允许范围内。高电压大容量发电机是一种特殊的运行电源,其特点为励磁电流小,输出功率因数较低,所以对变压器要求有严格的绝缘检测。

1.5 机械强度

为了提高电压的稳定性与可靠性，必须要有足够大的机械强度。发电机励磁电流应尽可能地保持在额定值。因为当系统工作，,发电机和负荷变化非常快。因此为了保证电力设备不间断、稳定运行以确保其安全可靠运行必须增加它输出功率以维持负载平衡，同时还要求减少变压器容量来提高电压波动对电网影响的大小，并使系统具有足够大的机械强度以便满足上述条件下所需提供必要供电能力；因此，必须合理选择变压器的容量和型号，以提高电力系统运行效率。

2、短路阻抗计算公式

总结：电力系统是一个由很多部分组成的复杂网络，其中最主要的是发电机。而作为发电厂和变电所供电电源设备中重要组成部分—高电压大容量发电机。由于具有较小的尺寸、良好稳定运行等优点被广泛应用于生产生活各个方面上。 参考文献：

[1]赵月,李俊,刘向鹏.简述一种单相发电机变压器低压引线和出线结构[J].山东工业技术,2019(11):166.

[2]方善臣,欧小冬,林刚,黄佐流,李英,王丰华.500kV单相发电机变压器直流偏磁下振动试验研究[J].水力发电,2016,42(04):77-80.

[3]马骁. 简述基于Pro/E实现500KV单相发电机变压器参数化建模[A]. 中共沈阳市委员会、沈阳市人民政府、中国科学院沈阳分院.第十届沈阳科学学术年会论文集（信息科学与工程技术分册）[C].中共沈阳市委员会、沈阳市人民政府、中国科学院沈阳分院:沈阳市科学技术协会,2013:8.