新型电缆绕组变压器综述

前言

　　变压器是电力系统中最重要的设备之一。随着变压器电压等级和额定容量的不断提高，其结构也在逐渐改进。 它的主要变化在于铁心，而促使铁心改进的因素则是材料特性和铁心制造工艺。最近，沿用了近 1 个世纪的这类变压器终于开始打破这一观念，这就是一种干式变压器——聚乙烯绝缘电缆变压器。采用高压电缆技术与变压器技术相结合，填补了高压干式变压器的空白。

　　2 基本构思及相关特性

　　2.1 结构

　　电缆变压器其独一无二的新颖之处在于其绝缘全部由交联聚乙烯（ XLPE ）组成，而铁心与传统变压器相同，要求刷防锈漆。线圈是用层式同轴电缆绝缘绕组取代传统的油纸绝缘绕组，而且每层绕组电缆外面的半导电层接地，它的作用在于有效消除局部放电或电晕，提高人身安全可靠性。

　　2.2 优点

　　据初步使用来看，这种电缆变压器存在如下一些优点：（ 1 ）变压器和变电所的灵活布置；（ 2 ）使用的组件更少，可靠性更高；（ 3 ）维护花费最少；（ 4 ）普通附件少，安装简单；（ 5 ）没有易燃、易爆的液体或有毒气体存在，消除火灾或爆炸引起的危害；（ 6 ）消除环境污染的可能性；（ 7 ）提高人身安全性；（ 8 ）使用直接电缆连接，周围无泄漏电场；（ 9 ）电缆终端任意放置；（ 10 ）短路阻抗的灵活选择；（ 11 ）强的抗突发短路能力；（ 12 ）材料的可循环重复利用。

　　2.3 应用场所

　　由于不使用变压器油，而采用直接与电缆连接，因此，电缆变压器适合在各种不同的条件和场所下使用，它完全符合对电力变压器的各种要求。例如：①新建或现存的乡镇或城市变电站；②沿海或对油污染敏感的地方；③对电场有较强敏感的地方；④潮湿或高温场所；⑤易腐蚀的环境。

　　2.4 试验

　　目前，瑞典 ABB 公司已经通过电缆变压器的一系列试验以校验它的性能，例如：①例行试验：变比、极性、绕组电阻、空载损耗、负载损耗、励磁电流、外施耐压试验和感应电压试验、局放和短路阻抗。②型式试验：雷电冲击、温升和噪声。③特殊试验：短路能力和 EMF 测量。

　　2.5 相关标准

　　生产的电缆变压器提供针对不同用户的说明，并且符合 ANSI ， IEC ， NEMA 等主要工业标准。

　　（ 1 ）电力变压器和电抗器的额定值：①容量（三相）： 20 ～ 150MVA ；②频率： 16.667 ～ 60Hz ；③冷却方式：强制风冷；④工作温度： 70 ℃；⑤噪声： 70 ～ 90dB ；⑥阻抗：从小于 1% 到很高的值；⑦基本电压： 36 ～ 145kV ；⑧基本 BIL ：＜ 650kV 。

　　（ 2 ）特殊选择：①风扇转速控制；②空余绕组；③第三绕组；④辅助绕组；⑤降低噪声；⑥磁屏蔽。

　　3 技术原理

　　3.1 铁心

　　铁心设计可以参考树脂绝缘干式变压器的设计原则和工艺。由于冷却方式有差别，铁心中间需要合理布置散热气道，并要刷防锈漆。

　　3.2 同轴电缆绝缘绕组

　　绕组是电缆变压器区别于传统变压器的主要部分，由交联聚乙烯（ XLPE ）电缆绕制而成。在瑞典的 Karlskrona 干式变压器使用的是 ABB 的高压电缆。高压电缆分为 4 层：导体、内半导屏蔽层、绝缘层、外半导屏蔽层。

　　3.3 导体

　　为了减少绕组的附加损耗，导体要分割为相互绝缘的细圆导体束，圆束状导线要用薄层半导体材料缠绕，以清除导线束产生的电场的不均匀性。由于变压器的电流密度低，导线直径很大，则涡流损耗很大。若不考虑这点，则会导致设计的电缆变压器的损耗无任何优势。至少要考虑低压绕组必需将导体细化并绝缘。可采用的方法是：绞合束的单根圆柱导体采用纯铝，纯铝与空气接触，表面会形成致密的氧化物，该氧化物能起到局部绝缘的作用。其次是电流密度的合理选择，导线的截面积根据希望的电流密度来确定。

　　3.4 内半导电屏蔽层

　　添加在 XLPE 中的碳黑要足够细而且均匀，从而起到良好的屏蔽作用。以这种方式可使电场完全包含在固体介电材料中。

　　3.5 绝缘层

　　首先是电缆的测试标准问题。根据 IEC 标准，电压等级为 110 ～ 115kV 的电缆最高电压为 123kV ，相电压为 64kV 。

　　其次是绝缘厚度问题：①对中性点直接或间接接地的 YN 接的变压器绕组联结，中性点电压比终端电压低。（例如国内 110kV 级电力变压器为分级绝缘），可以适当减小绝缘厚度来减小体积，提高经济性。②绝缘厚度根据工频电压和冲击电压来分别计算，然后取大值来决定，具体计算可以参考相关文献的计算公式。

　　3.6 外半导电屏蔽层

　　外半导电层电阻率必须控制在特定范围，。若电阻率太大，则绕组表面电势高，易引起绕组表面局部放电；若电阻率太小，则外半导电层电流大，引起外半导层的附加损耗增大。

　　3.7 短路特性

　　在变压器短路时，主要考虑轴向力和辐向力。对于电缆变压器，绕组为自撑，并不像常规油变压器依靠上轭支撑。在通常运行中，电缆截面的负荷是绕组自重，单位作用力一般小于 2 ～ 3kN/m2 。在电缆绕组设计中，在绕组层间放置表面有一定厚度导电橡胶的无磁圆拉杆提供短路轴向力的机械支撑，两端与辐向环氧板用螺栓联接后，在辐向环氧板槽内填充环氧树脂。短路辐向力由绕组通过无磁圆拉杆及环氧板传递到铁心骨架。

　　无磁圆拉杆均布的挡位间放置一定数量的“凹”形铝条，主要是保证绕组层间的通道，以便形成绕组的机械支撑结构，并保证电气上的可靠接地。为了减少“凹”形铝条的涡流损耗， ABB 可能采用铝和塑料的复合材料。在每相绕组上下连线并接地。

　　4 性能

　　4.1 短路阻抗

　　干式变压器和油浸式变压器一样，运行时都产生低频磁场。尽管铁心提供给磁场一个连续的回路，但是由于绕组会产生少量漏磁，导致阻抗的存在，这就是变压器漏磁场产生的原因。

　　通常，常规油浸式变压器为了提高突发短路能力而适当增加短路阻抗。短路阻抗增加后有两点不足：一是电网电压调整率下降，二是由于漏磁增大，导致绕组杂散损耗增大，负载损耗增大。

　　与常规油浸式变压器相比，电缆变压器漏磁较大，短路阻抗较大。

　　电缆变压器有很好的抗突发短路能力，所以不必要求过高的短路阻抗。电缆变压器的短路阻抗从 1% 到很大。这是因为：电缆绕组表面接地，低压和高压绕组可以紧挨放置或交替放置。

　　4.2 空载损耗与负载损耗

　　与同规格的油变压器比较，由于窗高和中心距大，电缆变压器的空载损耗要大些，这可以通过选择合适的导磁材料来解决。空载损耗的计算同普通的油变压器计算相同，但要考虑铁心的温升计算中气道的布置。

　　由于电缆变压器漏磁在外壳产生的杂散损耗很小，而且导线很细并绞合，附加损耗也很小，所以负载损耗比油变压器要小的多。就总损耗而言，电缆变压器有绝对的节能优势。如果导线线芯不能细化和绝缘，则电缆变压器的优势就不太明显。

　　4.3 过载与温升

　　常规的油浸式变压器过载能力受绝缘油纸和绝缘油本身的使用寿命的限制，而且遵循 6 ℃原则，局部温度设计不能超过 98 ℃。高于这个温度，使用寿命会减少，最高允许温度是 140 ℃。根据 IEC354 标准，油浸式变压器的热点可由线圈的温升计算得到。过载能力是通过比较短时期的过载运行和连续正常运行 24h 得到。

　　用交联聚乙烯电缆绕成的干式变压器。它的最高过载能力不受绝缘系统老化的影响，而仅受温度的影响。因为聚乙烯的软化会降低线圈的机械特性。干式变压器的工艺设计允许限时工作温度上限是 80 ℃， 70 ℃可连续工作。这样聚乙烯的老化是可以忽略的。这意味着，在最高过载持续温度 90 ℃的情况下不减少使用寿命。油浸式变压器的热点可通过线圈的温升计算得到，而干式变压器是通过 PT － 100 传感器直接测量线圈的温度，再运用调速风机可以更准确地控制热点温升。

　　环境温度 30 ℃时，热点温度设计为 60 ℃，干式变压器能超载 115% 持续运行，而热点为 70 ℃，属于安全温度范围，变压器可以长时间运行。

　　4.4 电气性能

　　ABB 经过详细计算和试验，选择合适的电缆，电缆变压器不需要采用饼式绕组，采用层式绕组即可。绕组采用避雷器进行保护。

　　4.5 可靠性

　　电缆变压器以简单的设计有望能达到被改进的常规变压器的可靠性。尽管已除去或重新设计了许多部件，整体可靠性已被证明。

　　据报道，经 Doble engineering 对 600 台油浸式变压器故障的研究，故障有绕组、分接开关、不明故障、雷击或开关放电、匝间故障和套管故障等。

　　对于干式变压器，所有故障中处于上升趋势的绕组故障有望通过以下方式解决：①通过使用高压电缆控制电磁场使之处于预期状态；②进入到变压器车间之前的电缆在出厂前要通过预检。

　　为获得这种干式变压器可靠性的综合情况，将各个部分统计起来的故障率加到一起，就得到一个变压器的综合故障率，从而建立时间与故障间的关系。

　　4.6 噪声

　　由于没有绝缘油和油箱等噪声阻尼，由铁心磁滞伸缩和冷却设备产生的噪声比同型的油变压器要大些，可以采用电子降噪仪或外壳内敷石棉等材料有效降低噪声。 ABB 经过计算分析， 25 、 150MVA 电缆变压器风冷噪声分别为 50 、 70dB 。

　　4.7 中间接头和终端

　　电缆变压器的高压和低压绕组都采用预制接头，对于高压则要用绝缘带进行缠绕。终端采用干式树脂浸渍纸电容式，外绝缘最好采用硅橡胶，它具有自洁和防爆等优点。

　　4.8 外壳

　　普通电力变压器的油箱是由钢做成（约 6mm 厚）。它对磁场有很强的削弱能力，主要作用是盛装变压器油。干式变压器也有一个钢做的外壳（约 1mm 厚）。实际上，它的作用是保护变压器不受外界环境的影响，它迫使空气通过绕组，并起降低噪声和漏磁屏蔽的作用。外壳由电镀钢制成并额外加强变压器的机械强度，不但对外界的破坏提供保护，而且有效解决了腐蚀问题。

　　4.9 冷却系统

　　干式变压器的冷却系统是不同于传统变压器的另一个主要部分。两个彼此独立的风扇系统用来抽取各层线圈的空气以使其维持在正常温度。这样设计是为了一旦有一个风扇出了故障仍能确保另一个风扇为变压器正常降温。如果整个出了故障，对于绝缘材料来说也并没有危险，因为主要的热源损失不再产生。另外，因为冷却介质是空气，它可以得到持续的补充，而不存在老化的问题。

　　考虑铁心产生的空载损耗和绕组产生的负载损耗，电缆变压器采用吸风和抽风的调速风机进行冷却。利用 PT － 100 热电阻传感器进行绕组电缆热点直接测量，并调节风机速度，以便更加准确地控制热点。为了提高可靠性，一般配备两组风机：一组风机工作，一组风机备用。

　　干式变压器的风扇电动机可任意选择。超载运行时可增加风扇转速制冷，在正常超载的情况下，不会影响风扇的运行和产生噪声。这样在周围环境温度为 30 ℃时，可以维持设备的安全。

　　5 结论

　　（ 1 ）传统的高电压交联聚乙烯（ XLPE ）电缆已经用于干式变压器的制造，并已初步取得成功。

　　（ 2 ）电缆变压器省却油介质可以大大减少对环境的污染，也使得变压器的安装场所选择范围更广。

　　（ 3 ）电力电缆的制造技术，甚至专用绕组电缆的采用会充分提高变压器的整体性能。

作者：张国光 辑　来源：中国电线电缆网