小阻抗、大电流变压器短路阻抗设计浅析

王丽丹 刘洋 汪斌

摘 要：本文从变压器短路阻抗的定义及构成因素入手，详细分析了不同短路阻抗产品的设计方法和不同构成要素对短路阻抗的影响趋势，并通过对具体小阻抗试验变压器产品阻抗的分析计算及与试验结果的比对，分析证实了大电流引线电感对变压器阻抗的影响，提出了采用同相逆并联的方法抵消其产生的交变磁通的可行性。

关键词：小阻抗；大电流；同相逆并联

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.178

1 概述

本项目YD-4100/10的单相大电流试验变压器，用于产品做突发短路试验时，给试品提供短路电流。要求试验变压器的短路阻抗小于2%，以降低整个试验系统的短路阻抗，提高短路电流。

由于本产品的短路阻抗要求特别小，短路阻抗的正偏差对系统影响显著；采取合理的器身结构和引线结构，正确分析并精确计算变压器短路阻抗成为本产品设计的重点和难点。

2 产品设计要点

2.1 产品性能参数

型号：YD-4100/10；

额定电压：初级额定电压12kV；

2个次级绕组W1、W2，额定电压2×240=480V ；

额定电流：205/8542A；

额定适时试验工作制：每次最大短路工作容量为52MVA，通电5秒，间歇30分钟，通电5秒，间歇30分……，每天共进行16个工作循环；

短路阻抗：≤2%（对于4100kVA）。

2.2 产品结构特点

对于小短路阻抗、大电流试验变压器，采用合理的器身结构、全面分析短路阻抗的构成因素和对短路阻抗影响，是设计小短路阻抗变压器的关键。

变压器短路阻抗通常由阻抗分量和电抗分量组成，即Uk=Ur+jUx；此处的电阻分量不仅仅指的是线圈和引线的直流电阻引起的，而是在短路状态下变压器所消耗的能量，集中的反应在短路电阻上，是一个等效值，它包含了漏磁通在结构件中的损耗，也包括大电流引线等在结构件中的杂散损耗。常规变压器阻抗计算仅计算绕组的电抗分量，其电阻分量很小，可以忽略不计，但对于该产品来说，恰恰其电阻分量占有很大的比重，要合理分析，不可忽视。

对于此类产品低压电压极低、绕组匝数少、电流大、线圈采用双饼结构，产品采用单相、双器身结构，两个器身完全相同，单器身又采用两柱并联的结构增加漏磁组数增加降低绕组电抗分量。其次在计算短路阻抗时，由于短路阻抗小，要充分考虑短路电阻对短路阻抗的影响，包括低压大电流引线自身电阻及其所产生的漏磁通，还有外部短路铜排自身电阻及其所产生的漏磁通。

双饼式低压绕组工艺简单，结构设计时也容易满足磁势平衡及大电流引线的引出，变压器低压侧每相采用两块竖置铜排，将每相的首末端分成了两个支路。两个支路电流的大小相等、方向相反，尽量减小两铜排的间距，使其产生的交变磁通相互抵消，同相逆并联效果更好；这样不仅减小了铜排之间的互感，也大大减小引线铜排带来的短路电阻分量对短路阻抗的占比。

3 量化引线电感对阻抗的影响

（1）变压器的阻抗通常采用相对漏磁组进行计算，计算值为Ux%=1.766%，再乘以预估的引线电阻分量的占比1.07后为Ux%=1.89%，同时计算出的负载损耗Pk为11.56kW，那么电阻分量：Ur% = Pk/（S*10） = 0.28%，在公式Uk=Ur+jUx中，电阻分量是有功分量，而电抗分量是无功分量，二者相位差为90°，故短路阻抗1.92%。虽然计算时考虑了引线的影响，但对应实测值2.36%，此方法只计算绕组部分的阻抗，无法完全考虑到引线及外部短路铜排的电抗占比。

（2）为了精确的计算引线及外部短路铜排的电抗占比，本产品采用了三维有限元法对变压器漏磁场进行了仿真分析。

1）图2是对变压器铁心、绕组以及引线铜排等建立的三维模型，为了看清内部结构，油箱先设为不可见。计算变压器短路感抗的漏磁场模型由铁心，高、低压绕组组成，同柱的高低压绕组满足磁势平衡，同时将绕组汇流的低压引线铜排、低压出线端子以及外部短路铜排的连接引入磁场图。

2）经过仿真计算，变压器自身条件下带模拟短路引线的短路阻抗模拟计算值为2.05%，与利用VIT验证的阻抗1.89%比较偏大0.16%（VIT验证无法考虑引线铜排的电抗影响）。不能消除短路引线的电阻和漏抗，只能是尽量降低短路引线的电阻和漏抗，因此变压器自身的阻抗为<2.05%。

3）在采用专用的并联短路铜排（如图2）模拟的情况下，模拟验算的值为2.28%，这与并联试验的实测值2.36%接近，此时并联时外部短路用短接片的阻抗应是>0.23%。这表明短路引线的电阻和电抗影响变压器的阻抗测量。

（3）后来通过改变绕组电抗实现变压器阻抗小于2%。

4 小结

（1）设计小阻抗变压器时，增加绕组的漏磁组数以降低绕组电抗分量。

（2）设计小阻抗变压器时，不能简单的利用传统方法计算短路阻抗，此方法只计算了绕组部分的短路阻抗，但不能充分考虑内部引线、出线端子及外部短路銅排的电阻分量的占比。

（3）产品的引线铜排在布置时应充分利用同相逆并联的原理，将变压器每相的首末端分成了两个支路，两个支路电流的大小相等、方向相反，尽量减小两铜排的间距，使其产生的交变磁通相互抵消，这样不仅减小了铜排之间的互感，也大大减小铜排本身的短路阻抗。

后期另外一台产品设计时，由于与本台产品引线结构相近，利用本产品的阻抗进行欧姆值的折算，考虑铜排电流和长度的影响反推带入该产品，实测值与计算值偏差很小。