电力变压器电磁优化设计实例分析.pdf
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1、第 4 3卷第 1 期 2 0 0 6年 1 月 蠢 珏 乃 I 1 冱l同 V o 1 4 3 No 1 J a n u a 2 0 0 6 1 引言 电力变压器电磁优化设计实例分析 刘 军, 张安红 ( 杭州钱江电气集团股份有限公司,浙江 杭州 3 1 1 2 4 3 ) 摘要 : 以3 5 k V 、 1 1 0 k V级双绕组电力变压器电磁优化设计为例进行分析, 就其技术经济性进行 了 讨论。 关键词 : 变压 器 ; 电磁 优化 设 计 ; 成 本 中图分类号: T M 4 0 2 文献标识码 : B 文章编号 : 1 0 0 1 8 4 2 5 ( 2 0 0 6 ) 0 1 0
2、0 1 0 0 6 3 5 k V、 1 1 0 k V级 电力变压器 的发展方 向是 : ( 1 ) 向更低损耗发展 , 如 l 0型 、 1 1 型产品; ( 2 ) 对于城网 用油浸式大型产品 , 从高可靠性出发 , 选型上要求短 路损耗比“ 9 ” 型再降低 1 5 2 0 ; 适当提高短路阻 抗 , 以降低短路 电流。如双绕组 1 l O k V变压器产品 短路阻抗提高到 1 4 1 8 ;三绕组 1 1 0 k V变压器 产品短路阻抗提高到 L V M V : 9 , MV H V: 1 3 5 , L V HV: 2 4 。 6 3 0 0 0 k V A 1 1 0 k V及
3、以下容量产品选 用 自冷式( O N A N) , 且噪声水平低于 6 0 d B 。 本文分别 以 3 5 k V、 1 1 0 k V级双绕组 电力变压器 为例 , 在不降低产品可靠性和寿命前提下, 以变压器 主要材料成本最低为优化 目标 ,通过全局优化设计 软件计算对比,从中找出规律和最大限度降低成本 的设计方案。 为便于分析 , 下面仅考虑硅钢片和铜线 消耗 , 实际上若硅钢片和铜线 消耗减少 , 变压器油 、 绝缘材料 、 钢板等材料也会减少。 2 3 5 k v电磁优化设计 在软件约束条件中, 考虑散热, 绕组对油温升要 求均不超过 2 7 K; 考虑绕组 自身短路机械强度 , 普
4、通 扁铜线厚度要求不小于 2 1 2 ram,绕组 油道对称布 置, 减小安匝不平衡率; 低压 、 高压绕组采用连续式, 要考虑导线 的宽厚比及最大并绕根数等。 2 1 S1 0 1 2 5 0 0 3 5优化 以 S 1 0 1 2 5 0 0 3 5为例 , 利用 3 5 k V电力变压器 电磁优化设计程序。其待输入的数据如下 : 变压器额定容量 ; 1 2 5 0 0 k V A 高压绕组额定电压 : 3 5 k V 全 国变压器节材技术研讨会获奖论文 。 高调最负分接 : 一 2 高调最正分接 : + 2 高调分接 : 2 5 低压绕组额定电压 : 1 0 5 k V 短路阻抗 : 8
5、 0 窄载损耗 : 9 8 0 k W 负载损耗 : 5 3 5 5 k W 铁心工作磁密: 1 7 3 T 铜线价格 : 3 6万元 t 硅钢片3 O Q 1 4 o价格: 4 o 万元 t 冷却方式 : O N A N 短路阻抗误差 : 2 负载损耗误差 : 2 限于篇幅,适 当减少合格方案数 目,输入数据 中, 短路阻抗和负载损耗误差都为 2 。 程序运行耗 时约 4 5 rai n ,输 出共 1 0 8个满足要求的电磁优化设 计 方 案 , 这 些 方 案 的 铁 心 直 径 为 4 2 0 m m一 4 4 5 mm, 铁心工作磁通密度为 1 7 2 T 1 7 3 T, 低压 、
6、 高压绕组均采用连续式 。 图 1为方案 1 方案 1 0 8的硅钢片质量与铜线 质量之比, 比值在 1 7 5 2 3 6之间。对于满足短路阻 抗误差为 2 、负载损耗误差为 2 的合格方案很 多。若适 当增大短路阻抗 、 负载损耗误差 , 合格方案 会更多。 设 3 O Q1 4 O硅钢片价格为 4万元 I 、 铜线价格为 3 6万元 t ,则方案 1 一 方案 l O 8的硅钢片价格与铜 线 价格合计 , 在 4 2 9 4 4 6 0 8万元之 间变化 ( 图 2 ) 。 由图 2可见 , 变压器电磁优化设计 , 其 目标隔数具有 多极值点的特性 ; 采用优化设计软件对降低硅钢片 、
7、铜线等材料消耗至关重要。 维普资讯 http:/ 第 1 期 刘 军、 张安红 : 电力变压器电磁优化设计实例分析 皿 耐 器 盅l 喀 止 器 撑 电磁优化 方案 图 1 S 1 0 1 2 5 0 0 3 5各优化方案硅钢片与铜线比 F i g 1 M a s s r a ti o b e t we e n s i l i c o n e p l a t e a n d c o p - p e r wi r e i n o p t i ma l p l a n s o f S l O l 2 5 0 0 3 5 t r a n s f o r i f l e r 4 6 5 4 6 O 4
8、 5 5 4 5 o 4 4 5 $ 4 4O 4 3 5 4 3 O 4 2 5 U l U L U J U 4U 3U OU U U yU I UU I IU 电磁优化方案 图 2 S 1 0 1 2 5 0 0 3 5各优化方案价格 F i g 2 P r i c e s i n o p t i ma l p l a n s o f S1 0 -1 2 5 0 0 3 5 t r a n s f o r me r 虽然方案 l 方案 1 0 8短路阻抗 、空载损耗 、 负 载损耗 、绕组温升等性能参数均能满足协议要求 , 但是铜 、 硅钢片消耗相差较大。图 2中方案 l 0价格 最低 ,
9、 为 4 2 9 4万元 , 方案 9价格 最高 , 为 4 6 0 8万 元。以方案 9和方案 1 0来对 比,两者相差 4 6 0 8 4 2 9 4万元= 3 1 4万 元 。 表 1 给 出了 S 1 0 - 1 2 5 0 0 3 5电力变压器优化方 案 9和优化方案 l 0的 比较数据。优化方案 与绕组 匝数 、 绕组具体排列密切相关。 2 _ 2 调 压方 式对 比 在 3 5 k V级双绕组电力变压器设计 中,由于调 压级数较少 , 最多为 4 x 2 5 , 设计中既可以采用线 性调压 , 也可以采用正反调压 。下面以 S F 9 1 6 0 0 0 3 5为例进行分析, 看
10、哪个更经济 。S F 9 1 6 0 0 0 3 5基 本参数如下 : 额定容量 : l 6 0 0 0 k V A 额定 电压及调压范围: ( 3 5 2 x 2 5 ) 1 0 5 k V 相数: 三相 表 1 S 1 0 1 2 5 0 0 3 5优化方 案 Ta b l e 1 Op tima l p l a n s o f S 1 0 - 1 2 5 0 0 3 5 t r a n s f o r me r 名称 方案 9 方案 l 0 铁心直径 ram 巾4 2 O 中4 2 5 低压绕组 匝数 匝 2 l 5 2 l 1 高压绕组导线并联根数 根 5 3 低 压绕组导线并联根数
11、根 6 5 调压绕组 导线并联根数 根 l l 高压绕组每饼匝数 匝 4 7 低压绕组每饼匝数 匝 3 4 调压绕组每饼 匝数 匝 l l 高压绕组导线线规 m mx mm 2 6 5 x 7 1 2 5 x l 3 2 低压绕组导线线规 m mx mm 3 1 5 xl J 2 2 2 4 x 1 4 短路阻抗 7 8 7 8 O 3 空载损耗 k W 9 8 O 9 5 O 负载损耗 k W 5 3 5 4 高压绕组温升 K l 6 2 l 低压绕组温升 K l 7 2 3 高压导线电流密度 A m m 2 2 6 2 1 2 低压导线电流密度 A m m 1 9 O 2 5 6 调压导线
12、电流密度 A m m 3 5 2 3 5 2 铜线质量 k g 4 2 9 3 3 7 8 0 硅 钢片质量 k g 7 6 5 6 7 3 3 3 价格合计 万元 4 6 O 8 4 2 9 4 频率 : 5 0 H z 联结组别 : Y N d l 1 绝缘水平 : U2 o 0 A C 8 5 L I 7 5 A C 3 5 冷却方式 : O N A N 短路阻抗 : 8 0 空载损耗 : l 3 5 k W 负载损耗 : 7 3 5 k W 针对以上参数 ,利用 3 5 k V电磁优化程序完成 线性调压和正反调压两种方式最优方案 ,最优方案 对 比见 表 2 。 表 2 S F 9 1
13、 6 0 0 0 3 5优化方案 Ta b l e 2 Op t i ma l p l a n s o f S F 9 - 1 6 0 0 0 3 5 t r a n s f o r me r 调压 短路 阻抗 空载损耗 负载损耗 硅钢 片 铜线质量 窗高 中心距 方式 f k W k W 质量 k g k g mm m m 最负 7 4 5 线性 7 9 6 1 3 5 额定 7 3 5 9 l 6 6 3 4 2 5 9 6 5 8 7 5 调 压 最正 7 2 5 最负 8 O 5 正 反 7 9 6 1 3 5 额定 7 3 5 9 l 5 4 3 3 6 7 5 9 5 5 8 8
14、0 调 压 最正 7 3 0 线性调 、 正反调最优方案对比得 , 铁心直径都为 4 7 5 mm, 工作磁密都为 1 7 2 7 T ; 短路阻抗 、 空载损 耗 、 额定分接负载损耗都相同。 维普资讯 http:/ 1 2 妻 珏器 第4 3 卷 低压绕组 匝数都为 1 6 9匝,绕制为连续式 , 排 列为 5 8段= 1 Ax 2 ( 4 1 6 ) + 5 6 E x 2 ( 1 5 1 6 ) + 1 A x 2 ( 4 1 6 ) ; 线规都为 7 , 2 2 4 x I 1 2 2 6 9 x l 1 6 5 Z B 一 0 4 5 。 高压绕组绕制也为连续式 , 排列如下 :
15、线性调 3 0 9匝 : 6 4段= l Ax 2 ( 7 l 6 ) + 1 B 3 ( 1 5 l 6 ) + 6 0 E 4 f 1 5 1 6 ) + l B x 3 ( 1 5 1 6 ) + 1 Ax 2 ( 7 1 6 ) ; 线 规 : 5 2 x 9 5 2 4 5 x 9 9 5 Z B 一 0 4 5 ;导线截 面积 : 5 X l 8 6 4 = 9 3 2 ram 。 正反调 3 2 5匝 : 6 6段= l Ax 4 ( 8 l 6 ) + 6 4 E 4 ( 1 5 1 6 ) + l Ax 4 ( 8 1 6 ) ;线 规 : 4 ” , 2 6 5 x 9 3
16、 1 x 9 4 5 Z B 一 0 4 5 ; 导线截面积:4 x 2 3 3 = 9 3 2 mm 。 硅钢片和铜线消耗相差很小 ,若以 2 0 0 4年初 扁铜线 : 2 8万元 t , 3 O Q1 4 0硅钢 片: 1 3 6 5万元 t 来 计算 , 线性调硅 钢片 、 铜线价格 2 2 1 1万元 , 正反调 硅钢片、铜线价格 2 1 9 2万元 ,线性调 比 反调高 2 2 1 l 一 2 1 9 2 = 0 1 9万 元 。 线性调与正反调开关价格不同,若选用条型无 励磁分接开关 , 线性调开关比正反调开关稍便宜。以 最负分接损耗选取片式散 热器。若温升都满足要求 , 则正反
17、调 时散热器 片数要 多几片 , 绝缘油要稍多。线 性调 、正反调最优方案窗 高 和 中心距相差 很小 , 派 生设计很有可能。 综合 比较 ,线性调与 正反调硅钢片和铜线消耗 相差很小 ,具体没汁可以 灵活选择 。 2 3 1 O型 3 5 k V 双 绕 组 无励磁调压电力变压器的 铁铜比 参考 G B I 6 4 5 1 - 1 9 9 9 三相 油浸 电力 变压器 技 术参数和要求的第二篇 3 5 k V电压等级 ,经过空 、 表 3 1 O型 3 5 k V双绕组 无励磁调压 电力变压器 数据 Ta b l e 3 Da t a o f 1 0 t y p e 3 5 k V t w
18、o wi n d i n g s p o we r t r a n s f o r me r s wi t h n o -l o a d t a p - c h a n g e r s 额定容 鲢 电压组合及分接范围 联结组 空载 负载 短路 高压 高J 分接 低压 损耗 损耗 阻抗 k V A 标号 k V 范 同 k V k W k W 8 o o O 7 O 0 3 8 - 2 5 7 5 l O( ) o o 8 _ 2 6 4 5 O 5 l 2 5 0 0 3 5 2 x 25 1 O 5 YNdl l 9 8 O 5 3 5 5 l 6O o o l 1 9 O 6 5 4 5
19、8 2 OO o o l 407 7 9 O 5 表 4 不同价格下的计算方案 Ta b l e 4 Ca l c u l a ti n g p l a n s u n d e r d i ffe r e n t pr i c e s 价格 3 O Q1 4 O硅钢片价格 J Y 元 t 铜线价格 万元 t 价格 1 4 3 6 价格 2 3 1 8 3 8 价格 3 3 6 d 价格 4 3 3 3 5 价格 5 1 4 2 8 表 5 1 O型 3 5 k V电力变压器 不同价格 下最优方案材料消耗 T a b l e 5 Ma t e r i a l c o nsu mp t i o n
20、 i n o p ti ma l p l a ns u d d e r d i ff e ren t p r i c e s i n 1 0 t y pe 3 5 k V p o we r t r a n s f o r me rs 项 目 8 o o 0 k V A 1 0 0 0 0 k V A 1 2 5 0 0 k V A 1 6 0 0 0 k V A 2 o o O O k V A 方 案数 I _=j 个 2 l 9 l 9 l l O 8 8 0 6 6 硅 钢 : 5 3 3 4 k g 产品价格 l 铜线 : 2 8 2 0 k g 硅 钢: 7 3 3 3 k g 硅钢
21、: 1 0 2 9 9 k g 铁铜 比: 1 8 9 铜 线: 3 7 8 0 k g 铜线 :5 1 9 2 k g 铁 铜比 : 1 9 4 铁铜 比: 1 9 8 广 : 品价格 2 硅钢 ; 7 8 2 7 k g 产品价格 3 硅钢 : 6 4 5 2 k g 锏 线: 3 3 1 7 k g 硅钢 : 8 6 3 0 k g 硅钢 : 5 6 6 2 k g 铜线 : 2 9 7 2 k g 铁 铜比 : 2 3 6 铜线 :4 6 7 2 k g 铜线 : 2 4 6 2 k g 铁铜 比: 2 1 7 硅 钢 : 7 3 0 3 k g 铁铜 比: 1 8 5 硅钢 : 1
22、0 7 3 l k g 产品价格 4 铜 线 : 3 7 8 0 k g 铜线 :4 7 7 4 k g 铁铜 比: 2 3 0 铁铜 比: 1 9 3 铁铜 比: 2 2 5 硅钢 : 7 7 9 5 k g 产品价格 5 锏 线 : 3 3 1 7 k g 铁 铜比 : 2 3 5 负载损耗换算 , 得 出了 1 0型 3 5 k V双绕组无励磁调 压电力变压器数据 , 如表 3所示 。 为便于比较 , 8 0 0 0 k V A、 1 0 0 0 0 k V A、 1 2 5 0 0 k V A、 1 6 0 0 0 k V A、 2 0 0 0 0 k V A均采用线性调压 ,且都带单
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- 电力变压器 电磁 优化 设计 实例 分析
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