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摘要：本论文对干式浇注整流变压器进行分析，其结构由2个电压和容量均相等高压绕组与低压绕组构成。在结构上形成个分裂式结构，分为上下系统，高压绕组2套系统在变压器中构成并联结构，低压绕组2套系统对外实现独立供电。而分裂变压器正常电能传输仅在高、低压绕组之间进行。由于绕组电流分配不均，出现的漏磁场也不一样，对电抗也产生一定的偏差及不均，通过建立漏磁场和等效电路模型，对其进行进行3维，2维漏磁场仿真分析。并通过能量法，数值法进行不同工况下分裂支路电流分配进行分析计算。通过电磁计算，结果计算并验证此变压器的半穿越阻抗，全穿越阻抗，分裂阻抗，分裂系数，真正起到系统在故障时取得合理的阻抗，实现限制短路电流的作用。
关键词：轴向双分裂变压器；全穿越阻抗；半穿越阻抗；分裂阻抗；分裂系数
绪论
随着工业技术的飞速发展，人们对所使用电能质量要求越来越高。而在能源危机的今天，以高效节能使用整流器进行柔性电网供电成为趋势。然而，整流器供电带来便利的同时，也引发了新问题，对电网的污染，即谐波污染。大量的谐波会引起电力线路和设备、损耗加大、破坏绝缘，影响设备的使用寿命。为了改善整流器网侧电流谐波畸变率，提高网侧输入功率因数，在输入端使用多绕组移相变压器将电压进行移相后进行多相整流，可以在变压器原边获得较低的谐波电流，达到降低电网谐波作用。
变压器在运行中绕组要受到电动机械力的作用，当发生短路时，绕组内所通过的短路电流将达到额定电流的几倍甚至几十倍，在这种情况下绕组受到强大电动机械力有可能失稳导致线圈损坏，变压器损坏。因此电力系统对变压器短路阻抗有一定的要求，利用变压器阻抗特性，来限制变压器短路电流，这样即经济又保证了电网可靠供电。而浇注式多绕组移相干式变压器在结构上有轴向和幅相两种结构。轴向结构在绕组材料使用方面比幅相方面少，在成本上有一定的优势，而且变压器自冷散热效果比幅相好，但是在计算变压器阻抗方面比实测偏差比较大。综合各方面因素考虑，国内外变压器厂商在生产多绕组移相变压器选择轴向结构已成为一种常态。
轴向多绕组移向变压器结构将一个绕组分裂为两个绕组或多个绕组的结构，当一个绕组发生短路时可以增加其它绕组的阻抗，从而有效地限制变压器的短路电流。由于各个绕组对系统可靠供电，从经济上，供电稳定性方面考虑，需对各个绕组短路阻抗提出更加符合电网要求的阻抗，因此对轴向多绕组移向变压器全穿越阻抗；半穿越阻抗；分裂阻抗与实测值偏差要求更加严格[1]。
分裂变压器的参数及计算模型
轴向多绕组移相双分裂整流变压器的轴向分裂模式如图1所示
图1 绕组结构图
其绕组结构布置为：铁芯（core）-副边绕组（LV1&LV2）-原边绕组（HV1&HV2）。低压绕组分裂成额定容量相等的双绕组（LV1&LV2），且副边绕组单独给系统供电，各个供电系统互不影响。高压绕组也分裂成额定容量相等的双绕组（HV1&HV2），且在电气上两高压绕组构成并联结构，采用中部进线通电（图2-1中A点）。根据变压器通电运行工况，原边加电流，按照理论原边两绕组电流并联分配。但由于变压器结构，工艺，漏磁场变化，磁场路耦合，导致两绕组电流分配不均，对阻抗产生一定影响。
由于变压器结构对称性，利用场路进行电磁耦合。以一台轴向移相双分裂变压器为例，容量为4500kVA，即全穿越阻抗时，容量以4500kVA进行加电流；半穿越阻抗时，容量以2250kVA进行加电流；分裂阻抗时，容量以2250kVA进行加电流，详见表1-1参数描述。
通过上述各个工况下的模拟漏磁场矢量建模分布。根据电磁耦合并对变压器短路阻抗建立试验外电路如图3所示。由此可知，各个工况下试验外电路。即全穿越阻抗S1-S2&S2（图3（a）所示）：副边两绕组短路，原边开路并加变压器全容量额定电流。半穿越阻抗S1-S2/S3（图3（b）所示）：其中一个副边绕组短路，原边开路并加变压器一半容量的额定电流。分裂阻抗S2-S3（图3（c）所示）：原边开路，副边一个绕组短路，另一个绕组加变压器一半容量的额定电流。由场路漏磁场矢量分布和耦合试验电路分析，半穿越（S1-S2/S3）：其中一个绕组短路，一个绕组开路，阻抗电流分配存在很大偏差，因此半穿越阻抗试验测量值会存在一定偏差，但每次加电流的偏差不会很大，同样的道理，分裂阻抗（S2-S3）也存在相同的问题。所以对半穿越阻抗，分裂阻抗在各厂商生产工艺系数不一致，对阻抗测量偏差也会产生很大的偏差。
通过表1-2参数代入公式（1-1）（1-2）（1-3），K值取表1-2为：1.02。通过计算本轴向双分裂变压器阻抗百分数如下：
全穿越阻抗：Uz=7.99%
半穿越阻抗：Uz=7.15%
分裂阻抗：Uz=12.59%
分裂系数K：K=2*12.59/7.99=3.15
由此计算结果分析得出：
半穿越阻抗=全穿越阻抗*89.5%，即7.15=7.99*89.5%
分裂阻抗=全穿越阻*68%+半穿越阻抗，即12.59=7.99*68%+7.15
由以上分析可知半穿越与全穿阻抗关系：当一个绕组短路时，另一个绕组分配到了10.5%有效磁场，即计算半穿越阻抗时，测试绕组与另一绕组存在一个9：1的关系。而分裂阻抗与全穿越，半穿越关系分析可知：低压绕组其中一个绕组加负载其绕组分配有效磁场达到全容量有效磁场的68%，即加负载低压绕组有效分配磁场为全容量有效磁场的68%。
电流分配分析
轴向双分裂变压器在同轴上由两个高压绕组，两个低压绕组构成，且两个高压绕组在电气方面上采用并联结构。由图3可知，轴向双分裂变压器在不同的工况下，限制不同系统的短路电流，加的电流是不一样。从电磁耦合分析，其在绕组里电流激磁分配也不一样。因轴向双分裂变压器均分成容量相等的高压绕组且绕组电气上为并联结构，当系统采用全穿越工况下，理论电流值是平均分配到激磁绕组中；当系统采用半穿越工况下，理论电流值是额定电流的一半分配到激磁绕组中；当系统验证分裂工况下，副边加电流，理论电流值以对应副边绕组矢量关系为准，即副边两绕组，一个绕组的矢量是角接，一个绕组是星接，则两绕组的理论电流值构成 ，当副边两绕组矢量都是角接或星接，则两绕组的理论电流值平均分配。
根据表1-3参数（此副边绕组都为角接）分别用3维，2维场路耦合有限元分析法对不同工况下电流分配进行计算与分析。
3维，2维有限元法计算结果如表1-4所示
半穿越时高压支路分配很不平均，相差很大，造成这种现象原因是上下两个并联支路，在半穿越状态下，两个低压绕组阻抗不等，磁场又相互影响，最终要产生一个沿两个低压绕组运行的环流电流，来抵消阻抗的不平衡。当上系统低压回路单独运行时，上系统的漏磁通下经过铁芯柱向下系统相线圈闭合，这就是下系统高压支路环流产生的原因，从电流分配分析，上系统的额定电流约为全穿越电流的一半，与理论电流值分析差不多。而其半穿越工况下，电流流经上或下系统电流曲线如图5所示。
由图5分析，纵轴方向为电流值（A）变化，横轴方向为时间（S）变化。当以上系统短路，下系统开路进行半穿越工况测量时，上系统绕组流经电流比较大呈现一个比较规则的正弦波，而其下系统也有小部分电流流过，其波形也是一个比较规则的正弦波。由此可以证明上系统的漏磁通经过铁芯柱闭合向下系统支路产生环流电流。
分裂状况从表1-4电流分配分析可知：当副边绕组都为角接时，其上下系统的电流差不多平均分配；当副边一个绕组为角接，一个绕组为星接时，两绕组的电流分配构成 关系，即星接= *角接。
通过高压并联支路电流分配分析可知，2维有限元法与漏磁链法并不能很好地模拟环流引起的磁场变化，应用3维场路耦合有限元分析能够准确地得到其电流分配，进而得到准确的短路阻抗。
结论（一）全穿越，半穿越，分裂阻抗3维仿真值与设计值和试验值很接近，因此对变压器短路阻抗的计算3维仿真分析准确性更高，适用于精细设计。2维仿真适用于指导工程初始设计，初始成本计算。
（二）阻抗经验值计算：
半穿越阻抗≈全穿越阻抗*89%
分裂阻抗≈全穿越阻*68%+半穿越阻抗
（三）通过高压并联支路电流分配分析可知，应用3维场路耦合有限元分析法能够准确地分析支路电流分配，系统磁能量走向，进而得到准确的短路阻抗，其阻抗值与试验值误差＜0.5%。3维场路电流，能量分析可以对复杂的轴向双分裂变压器阻抗进行验证，优化设计方案，优化变压器制造工艺改进。
（四）从变压器电磁耦合电路可以分析绕组电流流向分配状况是：全穿越工况下，理论电流值是平均分配到激磁绕组中；半穿越工况下，理论电流值是额定电流的一半分配到激磁绕组中；分裂工况下，以副边绕组矢量关系为准，即副边两绕组，一个绕组的矢量是角接，一个绕组是星接，则两绕组的理论电流值构成 ，当副边两绕组矢量都是角接或星接，则两绕组的理论电流值平均分配。
参考文献：
[1]张丽艳，新型YNvd接线平衡变压器电气分析及仿真模型[J]。高压技术，2011，215-220。
[2]王建明，移相整流变压器三维漏磁场和短路阻抗数值仿真研究[J]。变压器，2019，1-5。
[3]尹克宁，变压器设计原理[M]。北京：中国电力出版社，2003 ISBN 7-5083-1665-7，203-204。
论文作者:胡新舟
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/9/17
标签：绕组论文; 阻抗论文; 电流论文; 变压器论文; 工况论文; 磁场论文; 系统论文; 《电力设备》2019年第7期论文;