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摘要：从变压器内部结构、各分接阻抗变化、涡流损耗及外形尺寸等几个方面对内置电抗器、高压绕组内置、中压绕组分裂等3个高阻抗变压器方案进行技术经济分析，推荐采用内置电抗器的高阻抗变压器作为限制10kV侧短路电流优选方案。
关键词：高阻抗变压器；内置电抗器；短路电流限制
0引言
根据《国家电网公司第一批重点推广新技术目录》，高阻抗变压器已逐步应用国网系统内工程电网建设，主要通过三种结构实现：1）内置电抗器：该方案是在标准阻抗变压器低压首端串联一个三相空心电抗器，增大低压绕组的感抗，电抗器置于变压器内部；2）高压绕组内置方案：该方案高压绕组紧靠铁心布置；3）中压绕组分裂：该方案将中压绕组的一部分匝数分裂出来，在结构上形成单独的绕组。
1高阻抗变压器设计方案比较说明
1.1内置电抗器方案
该方案是在220kV标准阻抗变压器（容量为240MVA）10kV低压首端串联一个三相空心电抗器，增大了低压绕组的感抗，电抗器置于变压器内部。该变压器短路阻抗为：Uk1-2=14%，Uk1-3=64%，Uk2-3=50%；标准阻抗变压器的短路阻抗为Uk1-2=14%，Uk1-3=24%，Uk2-3=8%；从这2种阻抗比较可看出，高对中的阻抗都为14%没有变化，而高对低与中对低阻抗均增大约40%，而由于低压容量为半容量，故电抗器的电抗值为X%=40%/2=20%，又XL=ULXL%/IL且XL=2πfL据此可计算出电抗器的电感值。对于此方案XL=10500*20%/3809.52=0.5513Ω，L=XL/2πf=0.5513/（2π*50）=1.7548mH（允许偏差按变压器阻抗允许偏差的一半计算，取5%），根据此电感值就可以设计该串联电抗器了。值得注意的是变压器HV-LV及MV-LV的负载损耗分别为串联电抗器的负载损耗加标准阻抗变压器的负载损耗；该方案的除了设计变压器外还要设计电抗器，对于许多变压器厂家来说设计电抗器或许较为陌生，关键要计算好电抗器参数，处理好电抗器屏蔽，避免电抗器漏磁对变压器结构件的影响造成损耗增大，以及电抗器压紧、加紧，避免噪声的增大。
1.2高压绕组内置方案
该方案高压绕组紧靠铁心布置。为了满足高-低短路阻抗和中-低短路阻抗的增大，绕组排列从内向外依次为高压、中压、调压和低压。该方案的特点为：高压绕组紧靠铁心，高压绕组及高压引线到金属件的距离较常规结构明显偏小，关键要控制好场强，避免局部放电不合格；调压绕组在中低压绕组主漏磁空道之间，调压绕组首末段需从低压绕组上下端部引出，结构较常规从调压辐向引出复杂。关键要避免调压绕组局部过热，宜采用换位导线；上、下出线到铁心及金属接地体及到低压绕组要有足够的距离，避免设计不当造成绝缘击穿或局部放电不合格。
1.3中压绕组分裂方案
该方案将中压绕组的一部分匝数分裂出来，在结构上形成单独的绕组。为了满足高-低短路阻抗和中-低短路阻抗的增大，绕组排列从内向外依次为低压、调压、中压1、高压和中压2。该方案的特点为：中压绕组分裂后高-中及中-低阻抗计算，特别是高-中最正分接与最负分接的阻抗计算用手工计算误差较大；中压绕组在最外侧，相间距离较方案一增大20mm。
2高阻抗变压器各方案主要技术性能说明
2.1各分接漏磁分布对比说明
通过变压器漏磁场有限元仿真计算得知：内置电抗器方案的HV-LV最负分接和HV--MV最负分接，高压绕组内置方案的HV-MV最正分接和HV-MV最负分接，中压绕组分裂方案的HV-MV最正分接、HV-MV额定分接及HV-MV最负分接的漏磁分布较为杂乱，特别是中压绕组分裂方案的HV-MV各分接漏磁弯曲较为严重，故本文不建议采用。具体项目实施时应注意辐向漏磁引起的涡流损耗及金属件杂散损耗，避免局部过热。从漏磁分布方面优选内置电抗器和高压绕组内置。
2.2各分接短路阻抗对比说明
利用变压器仿真分析软件计算表明内置电抗器各分接阻抗变化最小，中压绕组分裂阻抗变化其次，高压绕组内置阻抗变化最大。从阻抗变化最小方面优选内置电抗器，其它两个方案最负分接短路阻抗最大，故最负分接短路电流较内置电抗器方案小。
2.3各分接涡流损耗对比说明
利用变压器仿真分析软件计算表明内置电抗器在各分接涡流损耗均最低，为优选方案；中压绕组分裂在各分接涡流损耗均最高，本文不推荐作为项目实施方案。
2.4短路电流计算结果说明
高阻抗变压器不论采用内置电抗器、高压绕组内置还是中压绕组分裂，短路阻抗等技术参数均需满足技术规范要求，可实现对低压侧短路电流的控制（变压器低压侧主变回路不采用限流电抗器的情况下，变电站220kV、110kV、10kV侧母线短路电流水平可按50kA、40kA、25kA控制），但内置电抗器方案各分接短路电流变化较其它两个方案小。
2.5三种方案的变压器外形尺寸对比说明
高阻抗变压器一般为户内布置，为了减小占地面积，散热器与变压器本体采用分体错层布置。三种高阻抗方案的外形尺寸如下表所示：
从上表可看出内置电抗器长与宽均为最小，长度小532mm以上；宽度分别小715mm和540mm；但其高度为最高，分别高出300mm与360mm，但总体从工程角度来看内置电抗器体积明显小于其它2个方案。
2.6高阻抗变压器噪声处理工艺
在环境保护日益得到关注的今天，变电站噪声变得日益敏感，而变电站作为公用工业设置，其主要噪声源来源于变压器，故变压器进行选型技术方案比较分析时，任何型式的变压器应采取降低噪声的措施，使得变压器运行时产生的噪声满足国家及行业相关标准的要求，对于高阻抗变压器可以使用高导磁的硅钢片，采用步进搭接工艺使磁致伸缩减小，以降低铁芯的工作磁密，另外可以通过完善铁芯和引线的夹持结构，在铁芯表面涂环氧漆和加橡皮垫，采用避开共振区的结构设计、加大油箱箱壁厚度、加固油箱和附件等措施减缓并吸收磁致伸缩产生的振动能量。一般情况下，通过控制变压器铁芯的振动，能降低变压器本体噪声3～5dB(A)，通过控制变压器油箱振动并采用隔、吸声措施，能降低噪声5～10dB(A)。
3结论
采用新型高阻抗变压器限制变电站10kV侧短路电流水平与传统的低压主回路加限流电抗器相比，两种方案控制低压侧短路电流水平相当，但高阻抗变压器方案接线简单，资产全寿命周期成本LCC较省，变压器室占地面积小，变电站运行维护简单可靠，具有良好的社会经济效益，符合“资源节约型、环境友好型、工业化”变电站的建设要求。新型高阻抗变压器的内置电抗器方案与高压绕组内置、中压绕组分裂相比具有结构简单、各分接短路阻抗变化最小、涡流损耗最低、外形尺寸最小、设备购置费用最省，本文推荐采用内置电抗器高阻抗变压器限制低压10kV侧短路电流。
参考文献：
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[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局GB/T6451-2015油浸式电力变压器技术参数和要求[S].北京：中国标准出版社，2015.
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