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提高变压器抗短路能力的强化措施           
提高变压器抗短路能力的强化措施
作者:佚名 文章来源:不详 点击数: 更新时间:2008-9-24 10:05:04
曾劲龙,谭家齐
广州电力设备厂,广东广州510285   随着电网容量的不断增加,大型电力变压器抗短路能力成了一个突出问题。对于一些抗短路能力较弱的变压器,在近区或出口发生短路时往往较易遭到损坏,造成严重事故。据统计,1990~1998年本系统因短路引起的变压器事故共18台次,占变压器事故台次的40%,占事故总容量的27.4%。其中广州电力设备厂生产的仿日立9型变压器发生事故4台,占事故台数8.9%。这个问题引起全体员工的高度重视,大家在多次研讨会上,提出了不少改进意见。我们对广州电力设备厂的H型变压器在短路情况下的电动力也重新做了分析计算,对新制变压器的安匝平衡进行了仔细的调整。

1 短路时线圈受力分析及计算结果
  由于线圈中漏磁通Φ的存在,载流导线在漏磁作用下受到电动力的作用,特别是在线圈突然短路时电动力最大,比正常运行时要大几十倍,甚至更多。漏磁通常可分为纵向漏磁和横向漏磁,纵向漏磁使线圈产生辐向力,而横向漏磁使线圈产生轴向力。
  横向漏磁的产生有两个来源。一种是由线圈端部漏磁弯曲部分的横向分量而来,分析认为这种横向漏磁在线圈端部最大,到了线圈中部几乎为零。这种横向漏磁又需借助计算机来计算,在目前110kV设计计算中尚未要求必须计算。另一种是由于内外线圈各区段安匝不平衡而产生的横向漏磁,这部分在110 kV设计中是必须要计算的。
  现以1台SFZ9-40000/110变压器为例,其安匝分布及短路时轴向力以及线圈应力计算结果如下:(按阻抗电压百分数为10.5%计算)
      a)安匝分布计算数据见表1。
      b)安匝分布图见图1。


   c)额定分接时最大不平衡安匝百分数αm=1.59%,轴向机械力Fi=65.6 kN,高压导线应力σ1=53.3 MPa,低压导线应力σ2=35.7 MPa。
   d)最大分接时最大不平衡安匝百分数αm=4.2%,轴向机械力Fi=193.3KN,高压导线应力σ1=66.4 MPa,低压导线应力σ2=43.1 MPa。
   铜导线许用应力[σ]=160 MPa,可见导线应力在设计上是满足要求的。

2 器身结构特点及强化措施
  在抗短路方面,器身结构设计应能承受短路时最大轴向机械力和2.5~3.5 MPa线圈压紧力的共同作用,线圈及压紧结构不应有显著变形或损坏,否则将危及变压器安全运行。
  广州电力设备厂新制的110 kV仿日立电力变压器铁心采用板式夹件—拉板框架结构,上下布置圆盘式压钉和托钉,侧面用槽钢收紧夹件,结构简单牢固;低压线圈采用双层单螺旋结构,在导线规格选取上有较大的自由度,便于选取较大规格的导线,防止导线扭曲变形;高压线圈采用中部进线,同一线圈选用2~3种不同线规,便于调整匝数,有利安匝平衡;调压线圈分上下两部分,中部用双层硬纸筒支撑,结实牢固;所有线圈内侧均用硬纸筒支撑,低压内纸筒厚度由原来的3.5 mm增加到5 mm;内侧撑条数加倍,从而增加支撑点;所有线圈端圈为实心纸圈,有利于力的传递,增强线圈端部稳定度;在铁心的梯角处尤其是小级侧适当放置酚醛圆棒,提高铁心圆整度,以更好地支撑线圈;压板采用整圈电工层压木板,并在其上面增加副压板;增加了压钉个数,并按受力情况合理分布,根据压钉和压板强度校核,这种压紧结构有较大的安全裕度。
  此外,我们认为,变压器的阻抗电压取正公差,一定程度上可限制短路电流。

3 工艺措施
  a)线圈垫块预压密,根据压密情况加减垫块,保证线圈轴向高度符合设计要求;
  b)线圈采用恒压干燥,在3.0 MPa恒定压力条件下进行真空干燥,出炉后单个线圈在3~3.5MPa压力下通过压力机定型;
    c)套装完后整体压紧线圈;
    d)器身出炉后用油压机压紧线圈,上紧压钉;
  e)相间位置线圈与铁轭间的空隙用斜板打入填实,保证三相线圈的相间位置充分压紧,防止短路时变形。
  以上措施,从设计及工艺上大大加强了线圈稳定性,从而提高了变压器的短路冲击能力。

4 进一步提高变压器抗短路能力的思考
  a)铁心采用横梁—拉杆式结构,横梁直接压于高低压两侧线圈受力中心,可消除支板压钉带来的翻侧力距作用,压紧效果更好。缺点是结构较复杂。
  b)采用支板式无压钉压紧结构,结构较简单。缺点是各支板找平困难。
    c)采用机械强度更高的材料做压板。  
    d)采用液压压钉或弹簧压钉结构,压紧效果较好,但结构复杂。
    e)双层单螺旋式线圈亦有其弱点,一是层间纸垫条烘焙后收缩,造成层间空隙,影响力的传递,容易使线圈变形;二是端部电流为2IN,短路时线圈端部垫块所受压缩力较大,容易造成端部变形,需加强端部绑扎。
  f)高压线圈采用端部进线方式,调压线圈采用圆筒式,匝数沿线圈高度均布,有利于安匝平衡,从而减少轴向机械力。
  g)压板分瓣式结构虽然也能够满足短路时压紧线圈的要求,但在套装后压紧线圈时,需先将两侧压板抽出才能打进窗口垫块,这时千斤顶直接对线圈端圈施力,造成线圈端部较大波浪状变形,甚至可能损伤线圈绝缘。因此最好采用整圈压板,可直接向压板施力,然后通过压板的均衡作用向下压紧线圈,在打入窗口垫块时亦非常方便、可靠。此外,在短路时,线圈各垫块作用在压板的力不是均匀的,这时整圈压板的均衡作用将使作用到压钉上的力尽可能均匀,从而改善压钉的受力,压板不易翻侧。
  据粗略计算,强化1台新制的变压器,平均需增加2万至3万元的成本,然而这样做是值得的,1台可靠性高的变压器具有更大的市场前景。

5 对正在电网运行的H型变压器的加强措施  
  由于H型仿日立电力变压器的线圈已有内衬硬纸筒,而且低压线圈的内外撑条根数比高压线圈多1倍;其装配工艺是整体套装,即高低压线圈先套装起来以后,经过整理压缩再一起套入铁心处,所以可以认为,仿日立电力变压器的辐向强度无问题,可以不再加强,目前主要应加强线圈的轴向强度,我们采取了如下几个措施:
  a)侧压钉由原来的1个改为2个,且侧压钉位置向低压线圈侧挪移,这样对低压线圈的压紧将更为有效。每个压钉的应力由原来的140 MPa降为120 MPa,再也不会出现短路时使压钉弯曲变形的后果了。(压钉许用应力为240 MPa)
  b)低压线圈上部的绝缘加多5 mm纸圈,即在现有情况下再增加1个5 mm纸圈,使低压线圈多压紧5 mm。从以往的事故变压器吊芯检查来看,在短路电流冲击下,多数是低压线圈有变动,所以应重点解决低压的压紧问题。另外,广州电力设备厂在变压器生产过程中,高低压共用1个压板,低压线圈在内侧,低压线圈有没有压紧,压紧程度如何,既看不见,又不能测量。所以我们采取矫枉必须过正的做法,宁可压过头,也不要压不到。当然这个过头也不是无限制的,顶多过头5 mm,这在线圈结构上是无妨碍的,也不影响安匝平衡。
  c)为了增加压板的压紧效果,我们把压板下面的空心纸圈改成实心纸圈,这样使木压板受力更均匀一些。虽然目前广州电力设备厂产品尚未发现因短路冲击力使木压板损坏的情况,但国内其他变压器厂的产品已有压板断裂的先例。为预防此种情况出现,我们预先采取此项措施。另外据了解,某些电工层压木板厂现在可以生产1.5 m×3.0 m的层压木板,这样广州电力设备厂变压器的压板可以改为整圈的了。
  d)上述措施完成后,再用4~5个油压千斤顶,按3.0~3.5 MPa的压力压紧线圈,最后再收紧压钉螺丝。这样就摒弃了人工拧紧压钉螺丝的旧方法,使线圈压得更紧。经实际测试油压千斤顶压紧可以比人工拧紧螺丝压紧多压下去15mm左右。以上几项措施可以保证变压器轴向压紧,从而抵抗短路电动力的冲击,不再发生短路损坏事故。
  需要说明的是,上述强化措施必须是在线圈完好的情况下才能实施。如果线圈已经发生了变形,或匝间已出现故障,则一定要把故障或变形处理好后才能进行强化处理。最好在进行强化处理之前先做该变压器的线圈变形测量,只有确认变形测量无问题时,才可实施强化工作。
  经过几个月在厂内试行,即把原先已试验完成尚未运出厂的变压器经上述几个过程的处理,收到很好的效果。所以我们建议各供电部门,可结合仿日立变压器的大修工作,进行上述强化处理,以进一步提高仿日立变压器的抗短路能力。

6 结束语
  a)提高变压器的抗短路冲击能力,对增强变压器的运行可靠性具有重要的意义。
  b)新制的仿日立H型变压器经过结构和工艺的改进完全能承受突发短路电流的冲击。试制的样机送到沈阳变压器研究所虎石台试验站做突发短路试验,试验前后阻抗电压变化不超过2%,试验后吊罩检查,所有部件无松动,线圈无异常变形。
    c)对正在运行的H型变压器进行强化改造后,其可靠性大大提高。

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