一種用于提高工頻變壓器短路阻抗的結構的制作方法
本發明涉及電機學及電力電子技術領域，具體為一種用于提高工頻變壓器短路阻抗的結構。
背景技術：
在變壓器的眾多影響其性能指標的參數中，短路阻抗是最重要的一個，其大小是影響變壓器制造成本和運行效率、以及機械強度等的重要因素。因此，設計符合需要的短路阻抗是設計變壓器的首要工作之一。研究表明，改變變壓器繞組的分布，變壓器的漏磁通會發生變化，其短路阻抗也將隨著發生變化。此外，繞組在電流的作用下產生的磁場，其大部分會從磁阻較小的鐵芯通過，也有部分從空氣間隙流過，在變壓器的高低壓繞組之間增加導磁體也能夠改變短路阻抗。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服現有技術之不足，提供一種用于提高工頻變壓器短路阻抗的結構，通過改變組成變壓器的高壓繞組和低壓繞組的交錯分布結構，并通過在所述高壓繞組和低壓繞組之間增加磁通導鈑，實現對變壓器漏磁通和短路阻抗的改變，從而根據需要提高變壓器的短路阻抗。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
一種用于提高工頻變壓器短路阻抗的結構，包括由鐵芯柱和鐵軛組成的鐵芯及繞組線圈；所述繞組線圈包括交錯式分布的高壓繞組和低壓繞組各若干包，且所述鐵芯柱左右兩側的繞組呈對稱分布；所述高壓繞組和低壓繞組的交錯分布結構可改變；各繞組之間留有一定的絕緣距離以供加入導磁體。
優選的，所述鐵芯由硅鋼片疊加而成。
優選的，所述導磁體為磁通導鈑。
優選的，所述磁通導鈑與鐵芯材料相同。
優選的，所述磁通導鈑由與鐵芯材料相同的硅鋼片疊加而成。
優選的，所述磁通導鈑的疊加硅鋼片數可改變。
優選的，所述鐵芯采用ui型結構，即在變壓器鐵芯的內高延長線上鐵軛存在兩條垂直氣隙。
優選的，所述硅鋼片的厚度為0.35mm。
優選的，所述鐵芯柱同側相連的繞組間的距離為5mm。
以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明，但本發明的一種用于提高工頻變壓器短路阻抗的結構不局限于實施例。
附圖說明
圖1為本發明實施例的變壓器的實體圖；其中(a)為正面，(b)為反面；
圖2為本發明實施例的變壓器的三視圖；其中(a)為主視圖，(b)為左視圖，(c)為俯視圖；
圖3為本發明實施例的改變繞組分布示意圖；
圖4為本發明實施例的增加高低壓繞組間的磁通導鈑圖；
圖5為本發明實施例的磁通導鈑示意圖；
圖6為本發明實施例的不同繞組分布的簡單模型圖；
圖7為本發明實施例的不同繞組分布穩態短路的運行特性曲線；
圖8為本發明實施例的psspps分布一、二次電流隨時間變化曲線；
圖9為本發明實施例的不同繞組分布下的磁通密度分布圖；
圖10為本發明實施例的不同繞組分布下的磁場強度分布圖；
圖11為本發明實施例的不同繞組分布下的相對磁導率分布圖；
圖12為本發明實施例的增加繞組間的磁通導的簡單模型圖；
圖13為本發明實施例的不同磁通導鈑厚度的穩態短路特性曲線zk＝f(k)；
圖14為本發明實施例的1片磁通導鈑時，一、二次短路電流隨時間的變化曲線圖；
圖15為本發明實施例的短路阻抗隨磁通導鈑厚度的變化曲線；
圖16為本發明實施例的不同磁通導鈑厚度的磁通密度分布圖；
圖17為本發明實施例的不同磁通導鈑厚度的磁場強度分布圖；
圖18為本發明實施例的不同磁通導鈑厚度的鐵芯相對磁導率分布圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
參見圖1和圖2所示，一種用于提高工頻變壓器短路阻抗的結構，采用橢圓筒式繞組，包括由鐵芯柱和鐵軛組成的鐵芯1及繞組線圈2；所述繞組線圈2包括交錯式分布的高壓繞組和低壓繞組各若干包，且所述鐵芯柱左右兩側的繞組呈對稱分布；所述高壓繞組和低壓繞組的交錯分布結構可改變；各繞組之間留有一定的絕緣距離以供加入導磁體。
具體的，所述鐵芯1由硅鋼片疊加而成；所述導磁體為磁通導鈑3，所述磁通導鈑由與鐵芯材料相同的硅鋼片疊加而成，且所述磁通導鈑3的疊加硅鋼片數可改變。所述鐵芯1采用ui型結構，即在變壓器鐵芯的內高延長線上鐵軛存在兩條垂直氣隙。所述硅鋼片的厚度為0.35mm。所述鐵芯柱同側相連的繞組間的距離為5mm。
本實施例中，變壓器繞組(單包)的參數參見表1所示：
表1變壓器繞組(單包)參數
變壓器的額定參數和幾何參數分別參見表2和表3所示：
表2變壓器的額定參數
表3變壓器幾何參數
如下將從理論和實驗兩方面對不同繞組和不同磁通導鈑厚度的短路阻抗進行分析。
1、理論分析
1.1繞組分布與短路阻抗的關系
參見圖3所示為依據本發明結構設計的兩組繞組的簡化示意圖。如圖所示，變壓器的磁通由主磁通
1.2磁通導鈑與短路阻抗的關系
參見圖4所示，繞組在電流的作用下產生的磁場，其大部分會從磁阻較小的鐵芯通過，也有部分從空氣間隙流過。參見圖5所示為在變壓器的高低壓繞組之間增加的導磁體(一般由與鐵芯材料相同的硅鋼片疊加而成)。
根據電磁理論知道：
rm＝l/μs
其中，rm為變壓器鐵芯的磁阻，l為磁路長度，μ為鐵磁材料的磁導率，s為磁通穿過的截面面積
s＝d*b
其中，d為磁通導鈑厚度，b為磁通導鈑深度，一般與鐵芯深度相同。將如上兩式即可得到磁阻與磁通導鈑厚度的計算公式：
rm＝l/μdb
由上式可以得知，增加高低壓繞組間的磁通導鈑，其他條件不變，由于鐵磁材料的磁導率遠大于空氣的磁導率，因此，又上式可以得到磁通導鈑的磁阻遠小于空氣的磁阻。根據公式
可以得到，增加高低壓繞組間的磁通導鈑，磁阻減小將使經過高低壓繞組間的漏磁通
可以知道，隨著漏磁通
根據變壓器主磁通和漏磁通的定義可以發現圖4中
根據變壓器繞組漏磁通與電抗的關系
x1＝ωlσ2p＝2πflσ2p
x2＝ωlσ2s＝2πflσ2s
xk＝x1+x2
其中，eσ2p、eσ2s、lσ2p、lσ2s、x1、x2、分別為一、二次側的感應電動勢、漏電感和漏電抗。由上式，在其他條件不變的情況下，隨著
因此，在其他條件不變的情況下，當磁通導鈑的厚度d增加，變壓器的短路阻抗也會隨著變大；磁通導鈑的厚度d減少，短路阻抗也會變小。
2、實驗分析
參見圖6所示，本實施例中，變壓器繞組兩側結構對稱，每側都有高低壓繞組三組，初始變壓器繞組為psspps形式，其中p為低壓繞組，s為高壓繞組。每次改變一組高低壓繞組的順序，即可得到圖6中spspps、pspsps、psspsp這三種不同的繞組分布形式。
2.1不同繞組分布的短路阻抗
2.1.1穩態短路運行
穩態運行時，為了避免短路沖擊電流過大，出于安全考慮，設置高壓側電壓為14.6v，得到的穩態短路電流曲線ik＝f(u2)，參見圖7所示，從圖中可以發現，短路電流與電壓呈線性關系，但是不同繞組分布特性曲線斜率不同，pspsps分布最大，psspps分布最小。
2.1.2瞬態短路運行
初始變壓器的繞組兩側采用psspps的對稱分布，瞬態短路實驗時，由于在額定電壓(104v)下，短路的沖擊電流非常大，達到了上千安培，極可能損壞設備甚至對人身安全造成影響，因此，在做瞬態仿真實驗時，輸入電壓u1調節在較低等級，為46v。同樣設置開關在t＝0.5944s合閘，得到圖8psspps分布時一、二次電流隨時間的變化曲線：
t＝0.6064s時，短路電流達到最大值，分別為
i1max＝14.862pu，i2max＝15.149pu
由變壓器的短路阻抗計算公式：
可以得到此時該繞組分布的短路阻抗zk(pu)＝0.0828。改變高低壓繞組的分布，得到spspps、pspsps、psspsp這三種繞組分布方式的短路阻抗值，如表4所示：
表4不同繞組分布時的短路阻抗
從表4可以看出，不同的繞組排列方式下，pspsps排列的一次側最大短路電流最大，初始變壓器的psspps排列的最大短路電流最小，而短路阻抗相反，說明改變初始變壓器的繞組分布后，短路阻抗均減小了，初始變壓器的短路阻抗最大。
2.1.3磁通密度分布
圖9給出不同繞組分布下的磁通密度圖，不同繞組分布，其磁通密度的大小變化不大，但是磁通密度的分布改變了。從變壓器的磁場原理可以得出，高低壓繞組間會形成磁路，圖9(a)的psspps繞組分布，一共有3個高低壓繞組是上下相鄰的(ps或者sp)，這將會在繞組間產生3條磁路通道，由磁路的公式可以得到，在磁導率μ和截面積s不變的情況下，磁阻rm與磁路l成正比，磁路越多，磁阻越大，漏磁通越小，漏電抗越小，短路電流越大。
從圖9另外3個圖可以看出，spspps分布的繞組間有4條磁路，pspsps分布繞組間則有5條磁路，psspsp分布繞組間有4條磁路，因此，繞組pspsps分布的最大短路電流最大，而繞組psspps分布的最大短路電流最小，spspps分布與psspsp分布的最大短路電流值在上面二者之間，且相差較小。
2.1.4磁場強度分布
變壓器繞組上的磁場強度分布如圖10所示，同樣可以看出不同繞組分布時繞組之間的磁路數。對比圖(a)和圖(b)，只有繞組變化的部分磁場強度分布發生變化，其他部分的磁場強度幾乎沒有變化。對比圖(a)和圖(c)，可以發現，隨著磁路數的增加，磁場強度最大值也開始減小。而圖(d)與圖(b)的結構由于繞組結構的相似性，磁場分布也很相似，且磁場強度大小相近。
2.1.5相對磁導率分布
觀察不同繞組分布的變壓器在瞬態短路電流達到最大值時，變壓器鐵芯的相對磁導率分布圖如圖11所示：
從圖11中可以看出，4種繞組形式的變壓器鐵芯的相對磁導率都在3979以上，說明在瞬態短路電流達到最大值時，變壓器鐵芯均未達到飽和。圖11(a)中，相對磁導率的最大值位于與下鐵軛相連的內角上，這是因為(1)經過內角的磁路較短，磁阻較小，磁場從內角上經過所需消耗的磁能量是最少的；(2)上鐵軛的內角與氣隙相連，導致磁阻增大，磁導率減小。因此，下鐵軛的相對磁導率是最大的。
圖11(b)改變的是變壓器第一組高低壓繞組的分布，其上鐵軛以及上側內角的相對磁導率處明顯小于11(a)，這是由于變壓器瞬態短路時，spspps分布的低壓側電流標幺值大于高壓側電流標幺值，由磁動勢守恒定律可以發現，此時低壓側漏磁通增大，相對的，可以認為高壓側的漏磁通減少了，因此采用spspps繞組形式的第一個高壓繞組的磁場變小，導致與之想接近的上鐵軛及與之相連的內角的磁場變小，導致相對磁導率變小。
對比圖11的(a)和(c)，改變的是變壓器第二組高低壓繞組的分布，由于繞組的交叉分布，使得鐵芯的相對磁導率在繞組位置的分布相對均勻。
對比圖11的(d)則與(b)，改變的是變壓器第三組高低壓繞組的分布，繞組變化在下部，因此二者相對磁導率變化的也是下鐵軛內角處。11(a)中與下鐵軛相近的是s繞組，11(d)中與下鐵軛相近的是p繞組，由于變壓器p側短路電流標幺值大于s側，因此p側漏磁通增大，相對磁導率也跟著增強，因此與之相近的內角相對磁導率也跟著增大。
綜上，通過瞬態短路仿真實驗可以發現，在短路電流達到最大值時，采用pspsps繞組的短路電流最大，而初始變壓器的短路阻抗最大。通過鐵芯的相對磁導率、磁通密度以及繞組的磁場分布圖可以看出，不同的繞組分布，將使變壓器鐵芯的相對磁導率分布發生變化，這將影響鐵芯的飽和性。而繞組間磁路的變化，由于磁阻rm與磁路l成正比關系，因此磁路的變化將直接導致磁阻發生變化，進而影響變壓器的性能，因此同樣可以發現pspsps繞組分布的最大短路電流較其他繞組分布時大，而初始變壓器psspps繞組分布最大短路電流最小，短路阻抗最大。
2.2不同磁通導鈑厚度對短路阻抗的影響
參見圖12所示，本實施例中，變壓器采用初始的psspps繞組結構，變壓器同側相連的高低壓繞組間的距離為5mm，磁通導鈑由與鐵芯相同材料，厚度為0.35mm硅鋼片疊加而成。改變磁通導鈑的厚度d，從0到4.9mm，每0.35mm為一個間隔，即d＝0.35k，k＝0～13，k為磁通導鈑疊加的導磁片(硅鋼片)數量，磁通導的長度a＝60mm，深度b＝120mm。利用有限元軟件求得不同磁通導鈑厚度時變壓器的短路阻抗，接下來進行不同磁通導鈑厚度時的短路運行實驗。由于實際測量時，導磁片間存在間隙且外層包有絕緣紙，因此測量時導磁片只能疊加到9片。
2.2.1穩態短路運行實驗
參見圖13所示，給出隨著導磁片數量變化，變壓器短路阻抗的變化情況，其中測量值與仿真值誤差都小于8％。從圖13的zk＝f(k)特性曲線可以看出：(1)隨著導磁片數量的增加，短路阻抗逐漸增大；(2)隨著導磁片數量的線性增加，其短路阻抗增加量逐漸減少。
2.2.2瞬態短路運行實驗
依次增加第一組高低壓繞組間磁通導鈑的厚度，其他物理參數均與初始變壓器相同。瞬態短路實驗時，同樣設置輸入電壓u1在較低等級，以保證實驗安全，u1＝46v。設置合閘開關在t＝0.5944s合閘，得到下圖ctdb1(1片磁通導鈑)分布時一、二次短路電流隨時間的變化曲線，如圖14所示。可以發現，ctdb1與ctdb0在瞬態短路時的電流波形一致，但是最大幅值變化，在t＝0.6064s時，短路電流達到最大值，分別為
i1max＝14.62pu，i2max＝15.14pu
由變壓器的短路阻抗計算公式可以得到此時該繞組分布的短路阻抗zk＝0.08418ω。依次增加第一組高低壓繞組間磁通導鈑的厚度，得到不同磁通導鈑厚度下的最大短路電流以及該時刻的短路阻抗值，如下表5所示：
表5不同磁通導鈑厚度下的短路阻抗
從表5可以看出：(1)隨著磁通導鈑厚度的增加，二次側的最大短路電流略微減小，最小值較初始變壓器少0.36％，幾乎可以忽略；(2)隨著磁通導鈑厚度的增加，一次側短路電流最大值降低較多，ctdb13較初始變壓器少9.36％，短路阻抗增加10.451％。根據表5得到短路阻抗隨磁通導鈑厚度曲線如圖15所示。
從圖15最大短路電流對應的短路阻抗隨磁通導鈑厚度的變化圖可以看出：(1)隨著磁通導鈑厚度的增加，變壓器的短路阻抗逐漸增大；(2)隨著磁通導鈑厚度的增加，短路阻抗的曲線趨于平緩，增加量逐漸較少；(3)瞬態短路結果與穩態短路結果類似。
2.2.3磁通密度分布
參見圖16所示為不同磁通導鈑厚度的磁通密度分布圖，從變壓器的磁通密度分布圖可以看出，受磁通導鈑厚度的增加影響最大的是磁通導鈑部分的磁通密度。
2.2.4磁場強度分布
參見圖17為磁場強度分布圖，可以看出變壓器的磁場在每組高低壓繞組間呈對稱分布，而增加磁通導鈑后，磁通導鈑處的磁場大大增加，達到了105a/m，是未增加磁通導鈑的3倍多。而隨著磁通導鈑厚度的增加，對變壓器繞組的磁場分布影響較小，而磁通導鈑兩側的強磁場范圍略微增大。
2.2.5相對磁導率分布
隨著磁通導鈑增加變壓器鐵芯相對磁導率的分布圖參見圖18所示，在未增加磁通導鈑時，變壓器鐵芯的相對磁導率在3979以上，且隨著磁通導鈑的增加，下鐵軛處內角的相對磁導率保持在最大值，說明磁通導鈑厚度的增加對該處無影響。對比圖18的(a)～(h)，可以發現(a)(e)(f)(g)的相對磁導率分布及大小幾乎完全相同，隨著磁通導鈑厚度的增加，變壓器鐵芯和磁通導鈑均未飽和；(b)(c)(d)(h)的相對磁導率分布較相似，在短路電流達到最大值時，鐵芯同樣未飽和，但是磁通導鈑會出現部分飽和，說明相對磁導率的增加與磁通導鈑厚度的增加并不是單純的線性關系。在一定磁通導鈑厚度內，能保持磁通導鈑的未飽和性，減少磁通導鈑厚度，將使得變壓器失去原有的飽和性，這可能會影響變壓器的性能。
上述主要通過仿真軟件來研究變壓器高低壓繞組間磁通導鈑厚度對短路阻抗的影響。通過瞬態短路仿真實驗可以發現，隨著磁通導鈑厚度的增加，變壓器的最大短路電流逐漸減小，對應的短路阻抗將逐漸增大，但是磁通導鈑厚度增加到一定程度時，短路阻抗的增加緩慢。通過鐵芯的相對磁導率、磁通密度以及繞組的磁場分布圖可以看出，隨著磁通導鈑厚度的增加，磁通導鈑上的相對磁導率并不是線性變化的，在一定厚度區間，短路時可能造成磁通導鈑飽和，而在一定厚度內，短路時磁通導鈑的未飽和。在不影響飽和性的基礎上，ctdb7、ctdb9與ctdb11這三種情況能有效增加變壓器的短路阻抗10％，同時，在不影響飽和性和增加短路阻抗的基礎上，采用ctdb7可以有效的減少磁通導鈑的材料，這對工程實際設計導磁結構具有實際的意義。
盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同物限定。
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