知识点：厂用变压器 高压厂用变压器是为发电厂提供动力的变压器，随着机组容量的增大，高压厂用变压器（以下简称高厂变）容量也随之增大，一般会选择低压绕组双分裂的高厂变。该变压器有两个分裂的低压绕组，两个低压绕组电压相等，容量相等，联结组别相同，两个低压绕组的容量之和往往要大于高压绕组的容量，如一台40MVA高压厂用变压器，高压绕组容量为40MVA，两个低压绕组的容量为25MVA+25MVA。 高厂变的短路阻抗比一般电力变压器要大，主要是因为要限制变压器低压侧的短路
知识点：厂用变压器
高压厂用变压器是为发电厂提供动力的变压器，随着机组容量的增大，高压厂用变压器（以下简称高厂变）容量也随之增大，一般会选择低压绕组双分裂的高厂变。该变压器有两个分裂的低压绕组，两个低压绕组电压相等，容量相等，联结组别相同，两个低压绕组的容量之和往往要大于高压绕组的容量，如一台40MVA高压厂用变压器，高压绕组容量为40MVA，两个低压绕组的容量为25MVA+25MVA。
高厂变的短路阻抗比一般电力变压器要大，主要是因为要限制变压器低压侧的短路电流。当采用分裂绕组的高压厂用分裂变压器（以下简称高厂分裂变）时，则可以选取较小的短路阻抗，这样，在正常工作时变压器具有较小的短路阻抗（穿越阻抗），当其中一个分裂绕组所供线路发生短路故障时，该分支的短路阻抗较大，限制了电网的短路电流，可选用较小容量的断路器。同时，另一个分裂绕组仍可输出较高的电压继续供电。高厂分裂变的两个低压绕组连接到两段母线上，调度运行灵活，提高供电可靠性，有利于母线设备检修。下图1为一个大的发电厂的高压厂用电系统供电方案图。
图1 发电厂高压厂用电系统供电方案图
1.高厂分裂变的结构形式分析
高厂分裂变的低压绕组一般有轴向分裂和辐向分裂两种结构形式，两种结构各有优缺点，实际应用中一般以辐向分裂为主。
1.1轴向分裂结构
低压绕组轴向分裂结构，即两个低压绕组沿轴向排列。高压绕组同样在轴向分裂为相等的两部分，这两部分为并联形式。为了满足半穿越运行时的要求，每一半的高压绕组容量要与低压绕组容量相对应，因此，高压绕组的实际设计容量要大于其额定容量。低压绕组轴向分裂结构如图2所示。
2-a 单层低压绕组 2-b双层低压绕组
图2 轴向分裂高厂变绕组排列示意图
低压绕组采用轴向分裂结构，器身结构紧凑，耗材少，损耗相对低。但轴向分裂厂用变有机械稳定性差的致命弱点，当某一路低压发生出口短路时，高低压绕组间安匝严重不平衡，横向漏磁产生极大的轴向机械力，低压绕组容易发生机械失稳，导致绕组损坏。
1.2辐向分裂结构
低压绕组辐向分裂形式，即两个低压绕组沿辐向排列，高压绕组位于两个低压绕组的中间，高压绕组容量按额定容量即可，所以辐向分裂高厂变高压绕组的设计容量比轴向分裂高厂变的设计容量要小，但辐向分裂高厂变的铁心窗口填充系数低，相对轴向分裂结构来说，相对耗材还是要高一些，损耗也要大一些。辐向分裂厂用变各种运行方式下，安匝平衡相比轴向分裂结构要好得多，机械稳定性好，因此在低压侧发生出口短路时低压绕组不容易发生机械失稳，即承受短路能力要强一些。
高厂变的高压侧电压与发电机出口电压相同，一般为13.8kV-27kV，高厂分裂变无论是采取轴向分裂还是辐向分裂，绝缘结构都是可靠的，由于高厂分裂变对电厂安全运行来说至关重要，不能因为节约一些原材料而降低安全可靠性，因此一般将高厂分裂变设计为辐向分裂形式，本文的分析是基于低压绕组为辐向分裂形式。
高厂分裂变的高压侧一般带有分接，对无励磁调压的高厂分裂变，分接范围一般为±2×2.5%；对有载调压的高厂分裂变，分接范围一般为±8×1.25%。高压侧绕组目前主要有三种结构形式：a)高压绕组直接抽分接头结构（图3结构1），b)高压绕组带单独调压绕组结构（图4结构2），c)高压绕组辐向分裂带单独调压绕组结构（图5结构3）。
3-a 分接线内径侧引出 3-b分接线内外径侧同时引出
图3高压绕组直接抽分接头结构
4-a 调压绕组内置 4-b调压绕组外置
图4高压绕组带单独调压绕组结构
5-a 高压绕组“U”形连接 5-b高压绕组“N”形连接
图5 高压绕组辐向分裂带单独调压绕组结构
2 辐向分裂三种结构形式的优势与不足分析
2.1 高压绕组抽分接头结构（图3结构1）
结构1中，高压绕组的分接是在高压绕组上直接引出，这是无励磁调压变压器最常用结构，特点是器身结构简单，绕组数量少。但用于高厂分裂变时，由于高压绕组位于两个低压绕组之间，高压绕组的绕制相对复杂，绕组首头或尾头和分接线需焊接铜带后，沿高压绕组内径侧表面上下引出（图3-a），铜带边角场强易集中，存在一定的绝缘风险，特别是铜带经过绕组端部处需要加强绝缘处理。在最小分接下，高压绕组切除所有分接区，与低压绕组间的磁势不平衡变大。为了保证不同分接下绕组间的磁势平衡，避免在某一分接不平衡磁势过大导致漏磁及短路时机械力过大，低压绕组一般要在对应高压绕组分接区的位置增大油道，这种情况下降低了绕组在铁心窗口内的填充率。当高压侧分接为±2×2.5%时，分接段线饼一般要采用纠结式，分接区要加大线饼间油道以方便分接线的引出。当高厂分裂变容量较大时（如50MVA及以上），高压绕组导线并绕根数增多至5、6根及以上，纠结线段绕制难度非常大，分接线的引出变得非常困难。这种情况下，有的公司采用分接线在高压绕组内外径侧同时引出的结构（图3-b），该结构下分接线段可采用连续式结构，绕制难度大大降低。但该结构有一个致命的缺陷，分接线段的环流损耗剧增，原因在于分接段采用连续式时，相邻分接间线饼的并联导线间没有进行换位，该结构下导致分接区的损耗大增，并极有可能产生局部过热，因此不宜采用。结构1总结如下：
优势：绕组数量少，器身套装简单。
不足：高压绕组分接出线复杂，易发生绝缘事故，高低压绕组间安匝平衡度较差。
2.2 高压绕组带单独调压绕组结构（图4结构2）
根据图3结构1中存在的缺点，如果将高压绕组分接区从高压绕组中独立出来，绕制成单独的调压绕组，那么高压绕组可以采用一路结构，可很好地解决高压绕组分接绕制和引出的困难问题，高低压绕组间安匝平衡性变好，同时可提高低压绕组在铁心窗口内的填充系数。调压绕组可放置在低压绕组1和高压绕组间的主空道内（图4-a），也可以放置在低压绕组2的外侧（图4-b）。结构2的特点是高压绕组结构简单，图4-a铁心窗口填充率高，图4-b分接线引出方便。由于高压绕组对低压绕组1和低压绕组2短路阻抗的要求，低压绕组1和高压绕组间绝缘距离足够大，调压绕组放在低压绕组1和高压绕组间，并不需要额外增加主空道绝缘距离，因此从经济性上考虑，调压绕组一般放在低压绕组1与高压绕组之间（图4-a）。图4结构与图3结构相比，高压绕组降低了半个分接区的高度，绕组整体高度降低，低压绕组相应也不再需要额外增加放大油道来匹配高压绕组的分接区，高低压绕组同时减少了大油道个数。经过综合计算，采用内置式单独调压绕组结构（图4-a），主材消耗比图3可减少约5%.
单独的调压绕组由于辐向尺寸小，一般采用层式结构，为加强机械强度，宜采用半硬导线，直接绕制在硬纸筒上。
结构2总结如下：
优势：高低压绕组间安匝平衡度好，耗材较少。
不足：绕组数量较多，调压绕组机械强度较差。
2.3高压绕组辐向分裂带单独调压绕组结构（图5结构3）
图4结构2中，不同分接下高压绕组对两个低压绕组的短路阻抗变化规律不同（详见后面3中所述），为了追求高压绕组对两个低压绕组短路阻抗的一致性，有的厂家在设计高压厂用分裂变压器时，采用了带单独调压绕组，同时高压绕组也分裂的结构，即高压绕组分裂为相等的两部分，辐向排列，调压绕组放置在两部分高压绕组之间（图5）。
该结构的优点为：在任何分接下，可保证高压绕组对两个低压绕组短路阻抗的一致性，且在各分接下，短路阻抗变化波动较小。
缺点为：绕组数量多，绕组绕制和套装工时增加；高压绕组辐向上拆分为两部分，绕组辐向尺寸减小，高压绕组和整个器身的机械强度降低。器身结构复杂，耗材多。根据两个高压绕组间连接方式的不同，分为高压绕组“U”形连接（图5-a）和高压绕组“N”形连接（图5－b）两种。在 图5-a中，两部分高压绕组的绕向相反，在图5-b中，两部分高压绕组绕向相同。图5-a中高压引线连接简单，引线长度较短。图5-b中高压引线连接复杂，引线长度较长。
结构3总结如下：
优势：高低压绕组间安匝平衡度好，短路阻抗匹配好。
不足：绕组数量多，高压绕组和调压绕组机械强度较差，材料消耗多。
3 辐向分裂三种结构形式的短路阻抗分析
3.1高压绕组抽分接头结构（图3）
在绕组结构尺寸确定后，在任一分接下，高压绕组对两个低压绕组的短路阻抗规律相同。图6为半穿越运行时高压绕组对每一个低压绕组的漏磁分布图，一般最小分接（Min）短路阻抗＞额定分接（Rat）短路阻抗＞最大分接（Max）短路阻抗。
6-a 高压-低压1 6-b高压-低压2
图6高压绕组抽分接头结构半穿越运行时漏磁分布图
3.2高压绕组带单独调压绕组结构（图4）
高压绕组设置单独的调压绕组，分为调压绕组内置（图4-a）和调压绕组外置（图4-B）两种结构。在这两种结构下，由于漏磁组分布不同，高压绕组对低压绕组1和低压绕组2的短路阻抗，除了在额定分接下短路阻抗相同外，在其它分接下的短路阻抗不相同。图7和图8分别为调压绕组内置和调压绕组外置结构下，半穿越运行时高压绕组对每一个低压绕组的漏磁分布图。
7-a 高压-低压1 7-b高压-低压2
图7高压绕组带单独调压绕组结构半穿越运行时漏磁分布图（调压绕组内置）
8-a 高压-低压1 8-b高压-低压2
图8高压绕组带单独调压绕组结构半穿越运行时漏磁分布图（调压绕组外置）
3.3高压绕组辐向分裂带单独调压绕组结构（图5）
高压绕组辐向分裂带单独调压绕组结构下，半穿越运行时高压绕组对每个低压绕组的漏磁分布图如图9所示。
9-a 高压-低压1 9-b高压-低压2
图9高压绕组辐向分裂带调压绕组结构半穿越运行时漏磁分布图
三种结构在最大分接、额定分接、最小分接时短路阻抗变化规律见图10，各分接下的短路阻抗与额定分接的短路阻抗比值见表1（假定在额定分接下，高压绕组对低压绕组1和低压绕组2的短路阻抗相等）。
1-图3结构下H-L1和H-L2，2-图4-a结构下H-L1，3-图4-a结构下H-L2，4-图4-b结构下H-L1，5-图4-b结构下H-L2，6-图5结构下H-L1，7-图5结构下H-L2
图10 三种结构下短路阻抗曲线图
表1 三种结构各分接短路与额定短路阻抗比值
注：Zk为各分接下高压绕组对每个低压绕组的短路阻抗，ZkRat为额定分接时高压绕组对每个低压绕组的短路阻抗。
由图10和表1可看出，图3结构1各分接短路阻抗值变化最小，图4-b结构2各分接短路阻抗变化最大。图3结构1和图5结构3高压绕组对两个低压绕组的短路阻抗一致性好。
4 三种结构形式的高压绕组波过程分析
结构1-结构3三种结构由于存在较大差异，除短路阻抗不同外，绕组的雷电冲击电压响应也会有很大不同，尤其是结构3，高压绕组辐向拆分为两个绕组，绕组波过程计算显得尤为重要。
4.1高压绕组直接抽分接头结构（结构1）
本结构分接头在高压绕组上直接引出，波过程分析与常规无励磁调压变压器的相同，由于高压绕组处于两个低压绕组之间，对地电容要比常规高压绕组在外侧时大，绕组的冲击梯度及对地最大电位要比常规双绕组变压器大一些。某高厂分裂变的高压绕组波过程下的冲击电位计算见图11，由图可知，整个绕组的最大冲击电位基本在100%入波电位幅值以下。
a-绕组首端入波
b-绕组尾端入波
图11 结构１绕组波过程计算结果
4.2高压绕组带单独调压绕组结构（结构2）
本结构高压侧设置单独调压绕组，波过程分析与常规有载调压变压器的相同，由于高压绕组处于两个低压绕组之间，对地电容要比常规高压绕组在外侧时大，绕组的冲击梯度及对地最大电位要比常规有载调压双绕组变压器大一些。某高厂分裂变的高压绕组波过程下的冲击电位计算见图12，由图可知，整个绕组的最大冲击电位基本在100%入波电位幅值以下。
a-绕组首端入波
b-绕组尾端入波
图12 结构2绕组波过程计算结果
4.3高压绕组辐向分裂带单独调压绕组结构（结构3）
本结构下，高压绕组辐向分裂为两部分，在绕组连接部位的电容变化大，雷电冲击电压下极易产生振荡。某高厂分裂变的高压绕组波过程下的冲击电位计算见图11，由图可知，拆分的高压绕组在“U”形连接情况下，绕组的最大冲击电位达到200%入波电位幅值以上，在“N”形连接情况下，绕组的最大冲击电位达到140%入波电位幅值以上，需要增加绕组纵向电容降低冲击电位或加大主绝缘距离以保证主绝缘的安全裕度。
a-U形绕组连接结构首端入波
b-U形绕组连接结构尾端入波
c-N形绕组连接结构首端入波
d-N形绕组连接结构尾端入波
图13 结构3绕组波过程计算结果
5 三种结构形式的低压绕组运行分析与选型
高厂分裂变两个低压侧分别给两个支路供电，有的人担心两个低压支路并联运行时，由于高压对两个低压的短路阻抗不同导致两个低压支路间的环流问题，会不会使其中短路阻抗小的低压支路过负荷。
如果高厂分裂变出现两个低压支路并联运行的情况，则低压绕组1中电流I1和低压绕组2中电流I2分别为：
（1）
（2）
式中：I为总电流，Zk1为高压绕组对低压绕组1的短路阻抗，Zk2为高压绕组对低压绕组2的短路阻抗。
按3中表1数据计算极限分接下两个低压支路并联运行时的电流分配如表2所示：
表2 三种结构下低压支路并联运行时电流分配
注：I为并联运行时低压绕组中电流，IN为两个低压绕组平均电流。
由表2所知，三种结构形式下，当高压绕组对每个低压绕组在额定分接时短路阻抗如果相等的情况下，在两个极限分接时，短路阻抗低的那一路流过的电流最大为1/2总电流的1.07倍。如果高压绕组对两个低压绕组间短路阻抗互差达到10%，则短路阻抗低的那一路流过的电流约为额定电流的1.125倍。
对于有并联运行要求，两个低压侧容量之和等于高压侧容量的双分裂变压器，确实需要考虑并联运行下两个支路的负荷分配，避免高压侧满容量时低压侧某支路出现过负荷情况。而对于高厂分裂变来说，每个低压支路的容量并不是高压侧总容量的1/2，如额定容量40MVA的高厂分裂变，两个低压侧的容量为25MVA+25MVA，则每一路低压通过的电流可达到1/2总电流的25/(40/2)=1.25倍。额定容量70MVA的高厂分裂变，两个低压侧的容量为45MVA+45MVA，则每一路低压通过的电流可达到1/2总电流的45/(70/2)=1.286倍。可以看出，如果出现两个低压支路并联运行情况，即便高压绕组对两个低压绕组间的短路阻抗差值达到20%，负荷大的那一路低压也不会出现过负荷的情况。
另外，由图1可知，高厂分裂变的两个低压绕组是分别连接到母线1A和母线1B上，这是两个独立的回路。如果高厂分裂变的一路低压发生故障退出，则会由该路的备用变压器进行供电，而1A和1B是不会并联在一起的，也就是说，高厂分裂变的两个低压绕组不会并联运行，也就不会有所谓的并联运行时环流的问题，因此，只要上述3种辐向分裂结构下短路阻抗满足使用要求，片面追求各分接下短路阻抗相一致是没有必要的。
6 结论
综合上述分析可知，图3结构1在容量增大，如超过40MVA后，高压绕组分接线的引出难度增大，结构复杂，绝缘隐患大。图5结构3由于拆分了高压绕组，低压绕组1与高压绕组间的主绝缘空道没有得到有效利用，因而材料消耗多，同时该结构高压绕组在雷电冲击电压下会产生较高的电位振荡，绝缘设计难度增加。图4-a结构2克服了结构1和结构2的缺点，铁心窗口填充率高，材料消耗最低，是辐向分裂高厂变优选的结构。
通过对高厂分裂变不同结构下性能参数的分析研究，可得出如下结论：
a.随着高厂分裂变容量的增大，高压绕组直接抽分接头结构难度极大且存在绝缘隐患。
b.拆分高压绕组以达到各分接下高压绕组对每个低压绕组短路阻抗一致，在用户没有特殊要求时是不必要刻意强调的，结构3器身复杂、耗材多、冲击电位高。
c.高压绕组设置单独的内置式调压绕组是一种经济可行的方法，为高厂分裂变的最佳结构形式。
相关推荐链接：
1、某市三级甲等医院五层急诊大楼电气工程设计CAD图（含网络通信和火灾报警系统）
