配电变压器低压绕组引线结构分析

1 引言

       小容量配电变压器的低压绕组一般采用双层层式结构，当容量增大至400kVA 及以上时，低压绕组一般采用箔式绕组结构，箔式绕组的首末头全部在绕组上部引出，其中首头接至低压套管，尾头封成零线后接至零相套管。

2 低压箔式绕组低压引线结构分析

       市场竞争的不断加剧需要配电变压器进一步节材降耗。随着配电变压器容 量的增大，箔式绕组引出铜排尺寸也相应加大，减小绕组到油箱壁的距离可以降低变压器油的用量，而载有大电流的引线铜排与箱壁间要保证一定的绝缘和机械距离，以降低大的引线电流在油箱中产生的附加损耗，避免局部过热的发生。

       箔式绕组引线铜排一般是在绕组端部向外水平弯折，经过夹件槽钢下方后再向上弯折，由夹件外侧向上引至套管，如图1(a)所示。此结构下，箔式绕组的首末头两个铜排都是在夹件外侧，铜排与油箱间要保证一定的磁性距离，以下简称结构1。

       有的厂家将箔式绕组的内侧铜排在夹件内侧引出，箔式绕组的外侧铜排在夹件外侧引出，如图1(b)所示。此结构下，铜排外限可减少30mm~40mm，油箱壁可缩小相应的距离，以下简称结构2。

       另外一种结构，是箔式绕组的内外侧铜排都在夹件内侧引出，如图1(c)所示。这种结构下，为了铜排顺利引出，需要加大铁心叠片与夹件间的距离。这些增加的距离需要用绝缘纸板或层压木垫块填充，在变压器运行中绝缘件收缩时，铁心的夹紧力可能会降低。此结构下，绕组引出铜排不再是影响油箱尺寸的关键因素，油箱壁可缩小的距离比结构2 更大，以下简称结构3。

       另外一种结构，是箔式绕组的内外侧铜排都在夹件内侧引出，如图1-c所示。这种结构下，为了铜排顺利引出，需要加大铁心叠片与夹件间的距离。这些增加的距离需要用绝缘纸板或层压木垫块填充，在变压器运行中绝缘件收缩时，铁心的夹紧力可能会降低。此结构下，绕组引出铜排不再是影响油箱尺寸的关键因素，油箱壁可缩小的距离比结构2更大。（以下简称结构3）

(a)     绕组首末头铜排在夹件外侧引出

(b)    绕组首末头铜排分别在夹件内外侧引出

（c）绕组首末头铜排在夹件内侧引出

图1 绕组引线铜排三种结构

3箔式绕组引线三种结构仿真

       配电变压器低压侧绕组一般电压低、电流大，引线中流过电流时，在其周围产生磁场。当两根电流方向相反的引线互相靠近时，引线之间的磁场相互叠加，磁场强度大大增强，两根电流方向相反的引线间磁力线分布如图2所示。当引线流过大电流时，引线之间的结构件中会产生过大的杂散损耗，进而造成产品的负载损耗超标，甚至发生局部过热。

图2 电流方向相反的两根引线间磁力线分布

3.1 仿真模型说明

       针对上述三种箔式绕组的三种引线铜排结构进行磁场仿真分析，取三相中的B相上端部建模，采用3D模型，模型包括上铁轭、夹件、箔式绕组引线铜排和空气包，模型如图1所示。

       模型结构说明：铁心采用电工钢带，绕组引线铜排为铜，夹件材料为A3钢。在引线铜排中施加大小相同、方向相反的电流。采用涡流场求解，边界条件为自然边界，电流流入和流出端与空气包重合，夹件采用阻抗边界，由软件自行计算集肤深度和其中的损耗。

       在模型中分别施加有效值为300-2000A、频率50Hz的电流，得到相应的仿真结果。

防盗链

3.2 磁场仿真结果

       分别给出夹件中磁通密度仿真结果和杂散损耗密度仿真结果，软件可在求解的结果中分别给出非线性材料中的涡流损耗（Ohmic Loss）和磁滞损耗（Hysteresis Loss）。

3.2.1磁通密度分布

       三种引线结构下，分别施加500A、1000A、2000A电流后的磁通密度分布云图如图3-图5所示。

结构1

（a）引线电流500A

（b）引线电流1000A

（c）引线电流2000A

图3 结构1的磁通密度云图

       三种不同电流下夹件中的最大磁通密度分别为0.25T、0.38T、0.6T。

结构2

（a）引线电流500A

（b）引线电流1000A

（c）引线电流2000A

图4 结构2的磁通密度云图

       三种不同电流下夹件中的最大磁通密度分别为1.45T、1.6T、1.74T。

结构3

(a)引线电流500A

(b)引线电流1000A

(c)引线电流2000A

图5 结构3 的磁通密度云图

       三种不同电流下夹件中的最大磁通密度分别为0.19T、0.29T、0.49T。

3.2.2杂散损耗分布（涡流损耗+磁滞损耗）

       三种引线结构下，分别施加500A、1000A、2000A电流后的杂散损耗分布云图如图6-图8所示。

结构1

(a)引线电流500A

(b)引线电流1000A

(c)引线电流2000A

图6 结构1 的损耗云图

三种不同电流下，最大损耗密度在引线中，夹件中的杂散损耗密度最大值分别为18861W/m²、43724W/m² 和104479W/m²。

结构2

(a)引线电流500A

(b)引线电流1000A

(c)引线电流2000A

图7 结构2 的损耗云图

  三种不同电流下，最大损耗密度在夹件中，最大值分别为：1.21665×10⁶ W/m²、3.15882×10⁶W/m²、7.51531×10⁶ W/m²。

结构3

(a)引线电流500A

(b)引线电流1000A

(c)引线电流2000A

图8 结构3 的损耗云图

       三种不同电流下，最大损耗密度在引线中，夹件中的损耗密度最大值分别为：12212W/m²、26799W/m²、 73541W/m²。

 表1和表2分别为三种引线结构下，绕组引线铜排分别通过300-500-700-1000-1500-2000A的电流，夹件中的涡流损耗和磁滞损耗仿真值 。

表1夹件中的涡流损耗

表2 夹件中的磁滞损耗

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4  箔式绕组引线出头结构分析

       由图3-图8和表1-表2的磁场仿真结果可看出，结构2的夹件中涡流损耗是结构1的约700倍，是结构3的约1500倍；结构2的夹件中磁滞损耗是结构1的300倍，是结构3的约400倍。

       结构1和结构3中，虽然引线距离夹件很近，但由于低压绕组首末头电流相反，引线相距很近，因而两根引线的外部磁场大部分可相互抵消，而两根引线间磁场是增强的，但引线间一般不会有导磁结构件，并不会产生不良影响。因此，对于结构1和结构3，进入夹件的磁通并不大，相应产生的磁滞损耗和涡流损耗也不高。结构1为常规结构，拥有多年成熟的设计制造经验，是一种安全可靠的结构。结构2中的夹件处于低压绕组首末头引线之间，两根引线间的磁场是互相叠加的，即夹件处于两根引线大电流产生的叠加增强磁场中，因此，进入夹件的磁通明显增大，相应产生的磁滞损耗和涡流损耗也很大。当夹件中损耗密度达到一定数值后，还可引发局部过热。

       在三台630kVA产品上，低压引线分别采用结构1和结构2结构，一台采用结构1，两台采用结构2(分为1#和2#)，实测的杂散损耗对比如表3所示。

表3 引线结构1和结构2（1#、2#）的杂散损耗实测比较

　 　表3中，结构2的杂散损耗明显高于结构1的杂散损耗，主要是由引线结构原因造成的。因此，针对结构2，在小容量配电变压器和对损耗要求不高的变压器中尚可以使用，对负载损耗要求严格特别是在《GB20052-2020电力变压器能效限定值及能效等级》标准实施后，结构2没有实用价值。结构3在处理好铁心夹紧的问题后，不失为一种值得推广的结构。

5  结论

    箔式绕组低压引线结构设计，应充分考虑引线与夹件间的结构造成的影响，无论哪种结构，两铜排间不应有导磁结构件存在。

    本文提及的三种结构中：

1）结构1杂散损耗低，为传统结构，安全可靠，

2）结构2杂散损耗大且存在安全隐患，不宜采用。

3）结构3杂散损耗低，安全可靠，可降低油箱体积，是值得推广的结构。