整流系統(tǒng)諧波對變壓器繞組熱點的影響

鄢克勤

（中山ABB變壓器有限公司，廣東 中山 528449）

目前，整流變壓器在工廠負載和溫升試驗使用時正弦電壓和電流，但這并不能完全反應整流變壓器現(xiàn)場運行時的損耗和溫升熱點。實際上，在現(xiàn)場運行時，由于整流系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波影響及變壓器結(jié)構(gòu)型式的不同，繞組各個區(qū)域的損耗將有很大不同，直接導致局部溫度升高，對變壓器運行壽命產(chǎn)生極大影響，嚴重的甚至導致變壓器故障。本文對兩種典型整流變壓器結(jié)構(gòu)的諧波電流分布進行分析，并提出解決熱點問題的方法。

1 諧波電流產(chǎn)生的損耗在低壓線圈的分布

IEC61378-1及GB/T18494-1均介紹了考慮諧波電流的繞組總損耗的計算方法，這種計算方法是基于諧波電流在繞組中均勻分布的情況下。但是這種方法沒有考慮繞組各個部分的軸向和幅向漏磁分布不同，特別是端部磁場的彎曲，導致端部損耗較高，這是導致問題發(fā)生的根本原因。因此，需要通過電磁場有限元分析法進行準確分析。

1.1 六脈波整流變壓器

圖1為典型六脈波的繞組排列圖，二次整流橋中電流均為近似矩形波，用傅立葉級數(shù)將其分解，得基波和一系列奇次諧波，而變壓器的D接繞組是3n次諧波電流的天然通路，所以電流波形諧波分量僅存在6n±1次（n=1，2，3，…）。圖2是高低壓繞組的諧波電流的分布示意圖，由于端部磁通的彎曲，低壓兩端安匝分布將明顯不同，通過ABB公司ACE有限元軟件進行漏磁分析。

圖1 繞組排列圖

圖2 諧波電流（1，5，7，11，13，17，19，23，25次）的損耗分布

由于高壓線圈是一個電流串聯(lián)的關(guān)系，將高壓繞組整體作為一個繞組，而低壓線圈是通過很多個線餅并聯(lián)起來提供大電流，所以低壓繞組每個回路單獨作為一個繞組，并且變壓器的漏磁場近似按二維似穩(wěn)場考慮，諧波電流漏磁分布如圖 3，可以看出在線圈端部磁力線發(fā)生明顯彎曲。由于低壓線圈是由很多個線圈回路并聯(lián)組成，所以漏磁分布不均勻會導致低壓線圈每個回路電流分布不均勻。

圖3 諧波電流分布

1.2 軸向分裂十二脈波整流變壓器

圖4為軸向分裂十二脈波的典型布置圖，低壓繞組為d和y接，諧波電流分布要分兩種情況，當6n±1次（n=2，4，6，…） 時，d接繞組和y接繞組的諧波電流相位一致，電流分布同六脈波整流變壓器，如圖6（a）安匝分布示意。但當 6n±1次（n=1，3，5，…） 時，d接繞組和y接繞組的諧波電流相位相反，低壓繞組安匝特別是兩低壓線圈的間隙處由于反向電流相互吸引，導致間隙處的磁場相對集中，中部兩繞組相交處磁通畸變。高壓上下繞組諧波電流各為額定諧波電流的70%左右，由于兩低壓線圈電流相差 180°，有約 30%諧波電流在兩低壓線圈相互平衡，此時兩低壓線圈間隙處的漏磁量為最大。如圖6（b）安匝分布示意。

圖4 整流電路原理圖

圖5 繞組排列圖

這種情況的諧波電流分布對變壓器局部損耗及熱點影響很大，決不能忽視。公司一臺產(chǎn)品容量600V、90kA、12脈波的印度整流變壓器，采用軸向分裂結(jié)構(gòu)如圖5所示。

典型的整流變諧波電流含量如表1 所示，從表中可以看出5，7次的諧波電流含量很高，特別是5次諧波電流的含量高達29.3%，這些諧波產(chǎn)生的附加損耗疊加在基本電流損耗上，會使線圈內(nèi)部產(chǎn)生意料之外的熱點，所以很有必要對這些諧波電流產(chǎn)生的損耗分布進行分析。

圖6 諧波電流的安匝分布

表1 典型整流變諧波含量

具體漏磁分析如圖7所示，可以明顯看出，在低壓兩個線圈的中間間隔處漏磁非常集中，這樣就導致間隔兩端的低壓線餅的損耗是線餅平均損耗的兩倍左右。通常來自電力變的認識是線圈熱點存在于線圈上端部，因為那里的頂油溫升高。但是這種結(jié)構(gòu)的變壓器經(jīng)過有限元分析后發(fā)現(xiàn)，熱點存在于兩個線圈間隔處附近，這正是需要分析諧波電流損耗分布原因。如果不對間隔處附近的線餅進行特殊處理，會影響變壓器的正常壽命，甚至引起變壓器故障。

圖7 5，7，17，19，……電流分布圖

2 解決辦法

通過對漏磁場的具體分析，了解諧波電流的損耗分布，進而調(diào)整上下部線圈距離，改善諧波電流損耗分布，調(diào)整漏磁分布較大處的總損耗，局部熱點較大的采用耐熱溫度高的線匝絕緣以及調(diào)整此處油流分布，改善散熱能力可以很好地解決熱點問題。

綜上所述，當整流變壓器運行時，由于諧波的影響以及變壓器的結(jié)構(gòu)特點，諧波電流在繞組中并不會均勻分布，必然會導致局部損耗過高，從而產(chǎn)生局部熱點。但通過二維場的有限元分析，采取一些必要的措施，完全可以解決此問題，可以走出來自對普通電力變熱點分布的認識誤區(qū)，避免由此帶來的變壓器壽命甚至故障等問題。