曾令宝，王仁，李正绪

（广州西门子变压器有限公司，广州 510530）

0 引言

近年来，随着电力需求的日益增加，发电机组的装机容量不断增大，与之配套的发电机变压器的容量也越来越大。通常大容量发电机变压器多为三相一体双线圈结构，其额定容量大于或等于500 MVA，低压额定线电压在18～24 kV，低压线电流通常大于14 kA。对于大电流的低压引线而言，由于变压器的器身尺寸通常大于常规电力变压器，从而增加了低压引线的设计长度。假设在同等电流密度条件下，其本身的直流电阻损耗就比较大，再加上交变电流产生的强大漏磁场引起的附加损耗和杂散损耗，如果方案选择不合适，很容易由局部损耗过高，而引起引线温升高于标准限值，从而降低引线夹持件、引线绝缘和变压器油的机械强度或电气性能。因此，选择合适的低压引线方案十分必要。

各文献有很多关于变压器线圈漏磁场仿真计算［1－3］、大电流低压引线结构改进［4］及大电流低压引线周围磁场和损耗的计算［5－10］，但是在保持其他外界条件不变的情况下，单独通过改进低压引线的材料和结构来达到降低损耗的研究却不多。本文在以上研究的基础上，专门分析计算低压引线材料和结构的不同，导致最终损耗的不同。

常规电力变压器的低压引线材料通常采用包绝缘的电缆、铜排、铜棒及铜管等。而对于大容量三相发电机变压器的低压引线，为了限制引线温升，低压引线材料通常不宜采用电缆、铜棒和铜管（如用类材料，需要使用多根电缆、铜棒或铜管，需要增加较多变压器内部空间，造成变压器成本浪费），采用多根铜排并联或者改用CTC导线作为低压引线，效果会更好。

1 设计原理

变压器的负载损耗计算公式如下：

式中：Pw为变压器的负载损耗，kW；Pwr为变压器各绕组的电阻损耗，kW；Plr为变压器各引线的电阻损耗，kW；Pwf为漏磁场在各绕组中产生的附加损耗，kW；Plf为漏磁场在各引线产生的附加损耗，kW；Psf为漏磁场在金属结构件中产生的杂散损耗，kW。

对于小容量的配电变压器，负载损耗主要是绕组和引线的电阻损耗，漏磁场引起的附加损耗和杂散损耗比例很小，可以忽略不计；对于大容量的电力变压器，绕组和引线的电阻损耗仍然是负载损耗的主要部分，但是漏磁场引起的附加损耗和杂散损耗比例增大，不可以忽略不计［11］。

按照式（1）计算可知，要计算出总的负载损耗，需要算出各部分的损耗，相加即得出总的负载损耗；为尽可能地减小总的负载损耗，需要想办法减小式（1）中各分项的损耗。当变压器各部件的参数和结构型式已经确定后，变压器漏磁场在空间各位置的分布也就确定下来。根据三维建模和Magnet 电磁仿真有限元分析，可以计算出漏磁场在空间各位置的漏磁通密度，即可算出漏磁场在各位置产生的附加损耗和杂散损耗。

本文是在上述前提下，针对变压器各部件的参数和结构型式已经确定、仅仅只是改变低压引线的规格和结构，来对比低压引线选用铜排和CTC导线的优缺点；此时变压器的漏磁场不会由于低压引线方案的不同而发生改变，当选取的铜排和CTC导线电密一样时，两者的电阻损耗也基本一样，仅两者由于漏磁产生的附加损耗会有所不同。

由于引线上漏磁分布变化相对较小，为了简化问题，可以取均值作为参考。引线附加损耗计算公式［12］为：

式中：Plf为漏磁场在引线中产生的附加损耗，W；ρd为导线的电阻系数，Ω·mm2／ m；γd为导线的密度，kg／ m3；Gd为导线的质量，kg；a为导线或铜排的辐向厚度，mm；f为变压器的额定频率，Hz；Bx为漏磁通密度，T。

其中：

式中：b为导线或铜排轴向的宽度，mm；l为导线的长度，mm。

本文以一台SFPZ－1000000 ／ 400 三相发电机变压器为例，通过三维建模和Magnet进行有限元分析，计算和对比采用多根并联铜排和采用多根并联CTC导线的附加损耗，从而达到选取合适低压引线方案的目的。

2 变压器产品信息

变压器基本参数如表1 所示。

表1 变压器基本参数

低压引线接线原理如图1 所示，结构连接如图2 所示。

图1 低压引线接线原理

图2 低压引线结构连接

3 漏磁场模拟分析及引线附加损耗计算

3.1 低压引线方案

考虑发电机变压器容量大、低压引线电流大、低压引线处于线圈器身上方漏磁场较大的区域，靠近变压器油箱的顶部，变压器油中温升较高，低压引线的电密需要通过计算并保留较大裕度来选取。

（1）方案1：低压引线使用多根并联铜排

此方案低压引线采用多根并联铜排连接，连接示意图如图3三维模型所示。下部竖直方向与线圈连接段（1 所示箭头处）和水平方向铜排（2所示箭头处）中流过的是相电流（13889 A），汇集到连接套管的竖直引线段后为线电流（24057 A）。

图3 低压引线铜排连接

（2）方案2：低压引线使用多根并联CTC导线

此方案低压引线采用多根并联CTC导线连接，连接示意图如图4 三维模型所示。下部竖直方向与线圈连接段（1 所示箭头处）和水平方向（2 所示箭头处）以及上部连接套管的CTC导线中流过均是相电流（13889 A），进入套管后方为线电流（24057 A）。

图4 低压引线CTC导线连接

3.2 漏磁场模拟及引线附加损耗计算

由于在引线各位置的漏磁通不相同，2 种方案均选取图中1（竖直方向和线圈连接段引线）和2（水平方向引线）2 个位置，计算其漏磁通和引线的附加损耗，加以比较。

（1）方案1 位置1 处漏磁场模拟如图5 所示，引线损耗计算如表1 所示。

图5 为使用MagNet模拟计算出方案1 位置1 处截面的磁力线分布，表1 为将图5 的漏磁场分解为x轴方向和y轴方向的2个分量，分别计算出2 个方向的漏磁场，根据式（2）计算出所有并联铜排2 个方向的附加损耗，相加计算出此处单位长度的总损耗。

图5 图3 中位置1 处漏磁场模拟

表1 方案1 位置1 处漏磁及引线附加损耗计算值

（2）方案2 位置1 处漏磁场模拟，如图6 所示，引线损耗计算如表2 所示。

图6 为使用MagNet模拟计算出方案2 位置1 处截面的磁力线分布，表2 为将图6 的漏磁场分解为x轴方向和y轴方向的2个分量，分别计算出2 个方向的漏磁场，根据式（2）计算出2个方向所有并联CTC导线的附加损耗，相加计算出此处单位长度的总损耗。

图6 图4 中位置1 处漏磁场模拟

表2 方案2 位置1 处漏磁及引线附加损耗计算值

（3）方案1 位置2 处漏磁场模拟，如图7 所示，引线损耗计算如表3 所示。

图7为使用MagNet模拟计算出方案1位置2处截面的磁力线分布，表3为将图7的漏磁场分解为x轴方向和y轴方向的2个分量，分别计算出2个方向的漏磁场，根据式（2）计算出2个方向所有并联铜排的附加损耗，相加计算出此处单位长度的总损耗。

图7 图3 中位置2 处漏磁场模拟

表3 方案1 位置2 处漏磁及引线附加损耗计算值

（4）方案2 位置2 处漏磁场模拟，如图8 所示，引线损耗计算如表4 所示。

图8 为使用MagNet模拟计算出方案2 位置2 处截面的磁力线分布，表4 为将图8 的漏磁场分解为x轴方向和y轴方向的2个分量，分别计算出2 个方向的漏磁场，根据式（2）计算出2个方向所有并联CTC导线的附加损耗，相加计算出此处单位长度的总损耗。

图8 图4 中位置2 处漏磁场模拟

表4 方案2 位置2 处漏磁及引线附加损耗计算值

根据计算结果的对比，可以看出在1 和2 处漏磁场引起的附加损耗CTC导线远小于铜排，由于磁场在空间中是连续的，可以计算出整个CTC导线的附加损耗远小于铜排的附加损耗。

4 结束语

本文通过工程制图软件对低压引线设计的2 种方案分别进行三维建模，采用MagNet 电磁仿真软件进行磁场的有限元分析，在相同漏磁场的条件下，计算出2 种不同方案低压引线的涡流损耗，并加以对比，可以很清晰地看出使用多根并联CTC导线的损耗远小于多根并联铜排的损耗。大容量发电机变压器为减小漏磁产生的损耗，除绕组使用CTC导线、增加油箱夹件的屏蔽等措施外，设法减小低压引线的附加损耗也是减小总损耗的重要手段，采用CTC导线作为低压引线正是一种比较好的方法。

但是由于CTC导线的硬度和刚度均弱于铜排，使用多根并联CTC导线时引线的夹持、固定以及制作安装都会较铜排复杂，材料成本和生产成本也会相应增加，因此在设计低压引线时，需进行综合考虑和对比，选择合适和经济的方案。