一种变压器绕组抗短路电动力的新型工艺结构和绑扎方法与流程

一种变压器绕组抗短路电动力的新型工艺结构和方法是应用于变压器领域绕组制造的一种线饼绑扎工艺方法和几种绑扎结构。可以让变压器突发短路试验合格率理论上达到100%的一种新型结构和工艺方法，即或在变压器的压钉或拉螺杆等失去作用的情况下，也能保证绕组无损伤。具有结构和方法简单、效果突出、不影响变压器电气性能和温升的特点。

背景技术：

变压器绕组排列分为同芯式和交叠式两种，同芯式排列是占绝对重要地位的应用方式，现在交叠式绕组也多有应用。

变压器在电网上运行的第一大顽疾就是抗击突发短路的能力弱，危及电力系统和电网的安全。变压器突发短路的危害是使绕组及其结构件遭受很大的电磁力的作用。当绕组及其结构件的机械强度不高时，绕组及其结构件可能受到损坏。iec对此做了详细的规定，这也被所有制造企业视为最难的一个检测。

近日国家电网公司和南方电网公司对各变压器生产厂的产品抽检，配电变压器的突发短路试验一次抽检合格率不超10%，有的地区只有3%—5%，电力变压器一次抽检合格率不超50%，现阶段在一些片区已经取消了对此项性能的抽检。

为保证系统运行的可靠性，目前主要采用限制变压器短路电流以减小短路电动力的方案和变压器绕组浸漆工艺提高变压器绕组的耐受短路电动力能力，再有就是让绕组各区域安匝平衡以减小漏磁。

限制变压器短路电流以减小短路电动力就要提高变压器的短路阻抗值，而这极大的提高了变压器成本，降低系统效率，增大系统能耗，无功功率大增。采用变压器绕组浸漆工艺时，大大降低变压器的电气性能，特别是在超高压和特高压变压器上无法应用，而且成本和工时大幅度增加。让绕组各区域安匝平衡以减小漏磁也只能减小无法消除，而且设计难度大增，或者说是无法作到的。

绕组是变压器的心脏，是变压器变换和输配电能的中枢。其主要分为圆筒式、箔式和饼式，饼式又可以分为连续式、螺旋式、纠结式、内屏蔽式等等。圆筒式和箔式在配电领域应用。

本专利主要针对量大面广的同芯式饼式绕组。

技术实现要素：

1、一种变压器绕组抗短路电动力的新型工艺结构和绑扎方法，其特征：在饼式绕组的两个撑条间的中间任一位置，把两个或多个线饼用绑扎带沿轴向缠绕一至数道，绑扎在一起；再把所述的两个或多个线饼中的部分线饼与相邻的两个或多个线饼用绑扎带轴向缠绕一至数道，绑扎在一起；依此类推把所述饼式绕组相同的两个撑条间的轴向线饼全部绑扎在一起；

其中，在所述两个撑条间的每个油道或间隔数个油道的油道间隙处，用绑扎带把所述轴向缠绕的绑扎带的内外层再缠绕一至数道绑扎紧；

其中，绑扎带的起头和完头或系在一起或用变压器用电工胶粘在绑扎带上；图7。

其中，所述轴向缠绕的绑扎带的内外层是指，内层是靠线饼最内一根导线的绑扎带，外层是指靠线饼最外一根导线的绑扎带，以下相同。

2、一种变压器绕组抗短路电动力的新型工艺结构和绑扎方法，其特征：在饼式绕组的两个撑条间的中间任一位置，把全部线饼用绑扎带轴向缠绕一至数道，绑扎在一起；

其中，在所述两个撑条间的每个油道或间隔数个油道的油道间隙处，用绑扎带把所述轴向缠绕的绑扎带的内外层再缠绕一至数道绑扎紧；

其中，绑扎带的起头和完头或系在一起或用变压器用电工胶粘在绑扎带上；图8。

3、一种变压器绕组抗短路电动力的新型工艺结构和绑扎方法，其特征：在饼式绕组各个线饼的所有或任意两个撑条间全部或部分缠绕一至数道绑扎带，把一个线饼的两个撑条间所有导线绑扎在一起；

其中，绑扎带的起头和完头或系在一起或用变压器用电工胶粘在绑扎带上；图9。

4、一种变压器绕组抗短路电动力的新型工艺结构和绑扎方法，其特征：在绕组任意撑条间的每个油道的油道间隙处垫双尾垫块；再间隔一或数个线匝，在双尾垫块两端插入成形撑条，把所述双尾垫块两端沿轴向锁死；依此类推把所述饼式绕组相同的两个撑条间的轴向线饼全部锁在一起；图10；

5、一种变压器绕组抗短路电动力的新型工艺结构和绑扎方法，其特征：在绕组两个撑条间的每个油道的油道间隙处或间隔一到数个油道的油道间隙处垫绑扎垫块；

其中，在油隙处用绑扎垫块把导线隔开后，再用绑扎带沿所述绑扎垫块一端的槽轴向缠绕一到数道，两端或系扣锁死或用变压器电工胶粘牢；再用绑扎带沿所述绑扎垫块另一端的槽轴向缠绕一到数道，两端或系扣锁死或用变压器电工胶粘牢；

其中，在间隔的未垫垫块的油道处，可用绑扎带把所述绑扎带内外层再缠绕一至数道绑扎带绑扎紧；图11。

6、一种变压器绕组抗短路电动力的新型工艺结构和绑扎方法，其特征：绕组各个线饼间或通过绑扎或通过垫垫块所产生轴向拉紧力f大于等于线饼最内和最外两根导线在突发短路时的轴向电磁力之差；或者是绕组各个线饼间或通过绑扎或通过垫垫块所产生轴向拉紧力f大于等于线饼最内和最外两根导线在突发短路时的导线轴向弯曲应力之差；或者是绕组各个线饼间或通过绑扎或通过垫垫块所产生拉紧力f大于等于线饼最内和最外两根导线在突发短路时的导线辐向和轴向电磁力的差。

线饼的绑扎方法多种多样，但无论何种绑扎结构，只要符合本专利的绑扎原理即让绑扎所产生的拉紧力大于等于线饼最内和最外两根导线电磁力之差，即是本专利的保护范围。

当在绕组任意撑条间的中部进行一道绑扎，就可以减小导线轴向弯曲应力3／4。

短路时作用于绕组的电动力是由绕组的短路电流与变压器漏磁场相互作用而产生的，对心式变压器而言，纵向漏磁场由线圈安匝产生，横向漏磁场由不平衡安匝产生。纵向磁场产生辐向力，使内线圈受导线挤压，使外线圈导线受拉伸，横向磁场使绕组产生轴向力。

心式变压器的线饼中各匝的电流大小和方向完全相等，因此可以把线饼及其中的各线匝视为均匀受力梁分析。同心式排列的一、二次绕组内的各个导线其电磁力的辐向和轴向方向如图1、2、3、4、5。

首先，分析辐向电磁力（也叫径向电磁力）。一个线饼中靠近具有最大纵向漏磁密的漏磁空道的导线有最大的辐向电磁力。辐向电磁力使内部绕组线饼中各导线产生压应力，使外部绕组线饼各导线产生拉应力，这种力使各绕组导线紧靠在一起，力图压缩导线的截面。因此辐向电磁力使各个线饼成为一个刚体。表面上看突发短路时辐向电磁力破坏性较小，但加上轴向力后，合力方向改变，其巨大的破坏性就突显出来了，因此对轴向力的抑制是关键。

其次，分析轴向电磁力。当一、二次绕组的安匝沿高度方向分布不均衡时，将产生横向漏磁场，在横向漏磁场作用下，绕组将产生轴向电磁力，如图5。就绕组中的任意一线饼的各个导线而言，横向漏磁场的磁密可以认为是近似相等的，短路电流是相等的，但其在磁场中内外半径不同，则长度不同，故一个线饼中的各个导线轴向电磁力不等。一饼中各个导线轴向电磁力不等，在受到突发短路时，绕组由外向内电磁力依次增大。轴向电磁力虽远小于辐向电磁力，但其改变了辐向电磁力的方向，并使线饼有一种倾倒的趋势破坏了绕组的刚体结构。

如通过绑扎或垫垫块的方式把线饼中最内一根导线和最外一根导线辐向和轴向电磁力的合力的差值抵消，或者只需要把轴向力的差抵消，则绕组在轴向成为一个刚体，在突发短路时破坏性大大减小。

由变压器短路的轴向力引起的导线弯曲应力f2的计算公式可以选择如下，参见《线圈制造》一书：

f2=12.8kl²kf²ih²whαmlcp²ρ／（b²anmλ）×10^－10（kg/cm²）

其中，kl—短路电流倍数；

kf—短路电流非周期分量的系数；

ih—额定电流（a）；

wh—额定分接匝数；

αm—作用于某一区域边界上的最大的不平衡安匝占线圈总安匝的百分数；

lcp—两垫块间距离cm；

ρ—横向漏磁的洛氏系数；

b—单根导线轴向尺寸即导线宽度cm；

a—单根导线辐向尺寸即导线厚度cm；

n—每匝并联导线根数；

m—一相并联支路数；

λ—线圈及主油隙宽度之和cm。

由轴向力引起的导线弯曲应力的计算公式可知：在其他不变的情况下，导线应力只与导线所处位置，即其两垫块间距离的平方有关。

本专利的工艺结构和方法的改进目的不是要用其抵抗电磁力，而是要抵消一个线饼内外两根导线所受电磁力的差。所以可以采用简化计算方法，只计算每根导线的轴向电磁力引起的导线弯曲应力的差。

绑扎带也可以叫绑扎绳等其他名称，只要作用相同，任何名称都是本专利的绑扎带。

在变压器设计时，一般的结构都进行了导线弯曲应力计算，但在实际测试中，还是大批量的不合格，主要是因为电动力的计算较复杂，一是电动力的延续时间极短，二是绕组绝缘的弹性软化作用难以估计。因为绝缘的弹性由很多因素决定，如绕组绕的松紧、线圈浸渍的程度、干燥后的绝缘压缩等。在此情况下按导线的弯曲来考虑虽然接近实际情况，但综合上述原因必须乘以导线弯曲应力计算安全系数，此系数按短路电流倍数和绕组电流综合考虑较合适。

现简介由变压器短路的辐向力引起的导线弯曲应力f1的计算公式可以选择如下：

f1=6.4kl²kf²ih²whlcp²ρ／（b²anmh）×10^－8（kg/cm²）

其中，kl—短路电流倍数；

kf—短路电流非周期分量的系数；

ih—额定电流（a）；

wh—额定分接匝数；

lcp—两垫块间距离cm；

ρ—横向漏磁的洛氏系数；

b—单根导线轴向尺寸即导线宽度cm；

a—单根导线辐向尺寸即导线厚度cm；

n—每匝并联导线根数；

m—一相并联支路数；

h—线圈高度cm。

如绑扎带是行业内通用的热缩带、白布带或其他绑扎带（或绑扎绳或绑扎纸）时，拉伸力（抗拉强度）均有相关标准规定。双尾垫块和绑扎垫块可以用变压器纸板。

绑所带系扣处是此方法的弱点，因此我们用两段热缩带系一个类似鞋带的“死扣”并在其上浸变压器用电工胶，经二十次拉伸试验，均没有在系扣处断开，因此可以证明系扣处的拉伸力高于绑扎带的拉伸力。

在低电压绕组中，由于绕组电流大，而导线弯曲应力与电流的平方成反比，故可以系死扣并在其上浸变压器用电工胶，对电场无影响。在高压绕组中，由于电流小，绑扎带的起头和完头可以用变压器用电工胶粘牢而不系扣，最大程度减小对电场的影响。

由于绑扎带只有一到数层，对变压器线饼的温升影响微乎其微，可以忽略不计。轴向绑扎带和油道间的绑扎带，每道的宽度尺寸很小，故对变压器油的流动影响也极小，工程上可以忽略不计。

技术效果

第一，提高变压器抗短路能力。变压器短路试验被行业视为第一大难关，通过率极低，而应对手段不过历来的老三样。本专利提出了新的结构和方法，当把绕组线饼中内外导线的轴向电磁力之差抵消，辐向电磁力（有的教材叫径向电磁力）又通过绑扎加固，消除了突发短路对绕组的破坏力，可大幅度提高变压器抗短路能力，突发短路测试理论上可以达到100%。

第二，大幅度减小导线的弯曲应力。由公式可知当在绕组任意撑条间的中部进行一道绑扎，就可以减小导线轴向弯曲应力3／4。

第三，此方法和结构对变压器温升和电场影响极小。绑扎带极薄，且只有数层，对导线散热无影响。油道内宽度只有5mm左右或更小，对油的流动影响小。热缩带的电气性能介于变压器油和纸板之间，故对电场影响不大，只是在超高压特高压系统中，系扣的方法要注意。

第四，大幅度减小变压器成本。为抗突发短路，需要采用高阻抗变压器，此时成本最少增大15%或以上。但采用绑扎法，增加的成本可以忽略不计。

第五，大幅度提高电力系统的运行效率并大幅减小能耗。当变压器阻抗由20%降低到10%时，系统功率因数大约提高5%以上。

附图说明

图1一种变压器绕组短路电动力辐向力（径向力）方向示意图；

图2一种变压器绕组纵向漏磁密呈三角形分布短路电动力辐向力（径向力）方向示意图；

图3一种变压器绕组纵向漏磁密呈梯形分布短路电动力辐向力（径向力）方向示意图；

图4一种变压器绕组纵向漏磁密呈对顶三角形分布短路电动力辐向力（径向力）方向示意图；

图5一种变压器绕组横向漏磁密短路电动力轴向力方向示意图；

图6一种变压器绕组撑条、垫块和油道分布示意图；

图7一种变压器绕组抗短路电动力的新型工艺结构和方法的线饼两撑条间绑扎带缠绕方法示意图；

图8一种变压器绕组抗短路电动力的新型工艺结构和方法的线饼两撑条间绑扎带缠绕方法示意图；

图9一种变压器绕组抗短路电动力的新型工艺结构和方法的线饼两撑条间绑扎带缠绕方法示意图；

图10采用一种双尾垫块和成形撑条的结构示意图；

图11采用一种绑扎垫块和绑扎带的结构示意图；

图12成型撑条的一种结构示意图；

图13双尾垫块的一种结构示意图；

图14绑扎垫块的一种结构示意图。

其中，

1是变压器铁心；

2是变压器内绕组；

3是变压器外绕组；

4是一种变压器绕组撑条、垫块标号；

5是变压器绕组导线；

6绑扎带；

7绑扎带；

8绑扎带；

9成形撑条；

10双尾垫块；

11绑扎垫块。

具体实施方式

实例1、某企业，整流变压器zhsspz—6300／35，yd11，铜导线许用应力≤1600（kg/cm²），直流电流调压范围65%udn—105%udn，变压器高压电压35kv，正反调压35档。

高压线电流124a；

低压相电流6594a；

阻抗电压7.1%；

低压绕组48饼（24个双饼）；

每饼2.5匝；

并绕根数为4根；

低压线规：zb—0.452.24×8；

高压绕组高55cm；

低压绕组高56cm。

采用聚脂热收缩带为绑扎带，按jb/t4060—1991聚脂热收缩带的抗拉强度200n/10mm，采用规格为25mm时单层热缩带抗拉强度为500n（51kg）。

选择整流变压器的原因是在所有的变压器形式中，整流变压器低压电流大，阻抗低，是短路电流倍数最大，电动力最大的，也是使用情况最恶劣的，故对此项技术的考核是重严格的。因此本利为简化分析只对外绕组的低压绕组和轴向电动力的线饼最内导线和最外导线电磁力之差进行分析。

1、变压器短路的轴向力引起的导线弯曲应力f2的公式：

f2=12.8kl²kf²ih²whαmlcp²ρ／（b²anmλ）×10^－8（kg/cm²）；

其中，kl=14；

kf=1.7；

ih=6594a；

wh=2.5（每饼匝数，计算时进为整数）；

αm=0.1；

lcp1=15.17cm（线饼最内侧导线）；

lcp2=16.27cm（线饼最外侧导线）；

ρ=0.93；

b=0.8cm；

a=0.224cm；

n=4；

m=24；

h=55.5cm；

λ=12.45cm。

线饼最内侧导线轴向应力f21=9.8kg／cm²

线饼最外侧导线轴向应力f22=11.3kg／cm²

f=f22—f21=1.5kg／cm²

2、绑扎带的缠绕道数（根数）n的近似计算公式；

n≥k×f×lcp×a×n×wh／f＝2×1.5×15.7×0.224×4×3／51＝3根

其中，

k—安全系数，此处取2；

lcp—绕组平均半径cm；

f—单根绑扎带的拉力kg。

说明：当采用热缩带对绕组各个线饼进行绑扎时，需要3根。但在实际应用时，考虑绕组绕制的松紧、绝缘和绑扎带的弹性变量、导线的弹性应力等影响，适当增减。