ZS、ZSS系列整流變壓器設計

李建軍/特變電工沈陽變壓器集團有限公司

ZS、ZSS系列整流變壓器設計

李建軍/特變電工沈陽變壓器集團有限公司

ZS、ZSS系列整流變壓器用作整流裝置的電源變壓器，其作用是向整流器提供交流電源，整流器再將交流電變換為直流電，從而進行直流供電。這一類整流變壓器主要用于電力傳動中的直流電機供電。如軋鋼電機的電樞和勵磁。在結構上，閥側有時要求有兩個繞組，分別供給正、反傳動或正向傳動、反向制動。

整流變壓器；地屏；過載；諧波

整流變壓器是將電網電源轉換為整流裝置所需要的電源的一種變壓器，主要用來為電力傳動中的直流電機供電，如軋鋼機的電樞和勵磁及一般工業用整流電源。

ZS、ZSS系列整流變壓器用作整流裝置的電源變壓器，其作用是向整流器提供交流電源，整流器再將交流電變換為直流電，從而進行直流供電。這一類整流變壓器主要用于電力傳動中的直流電機供電。如軋鋼電機的電樞和勵磁。在結構上，閥側有時要求有兩個繞組，分別供給正、反傳動或正向傳動、反向制動。

整流變壓器的一個特點是在高、低壓線圈之間增設一個地屏。一般整流變壓器閥側（低壓側）接整流柜、儀表等，與人接觸較近，一旦高壓網側有過電壓，將會直接擊穿低壓以外的人或設備，危害大，因此在高、低壓之間加上地屏，用以保護低壓側。有的客戶要求將地屏通過套管在箱蓋上引出，如果客戶不做要求的直接將地屏出線連接在低壓夾件上。

整流變壓器的另一個特點整流變壓器與整流器連接，整流元件的不同步觸發以及變壓器的阻抗偏差，使變壓器中含有非特征諧波和直流分量，諧波使變壓器的鐵耗增大，這主要表現在鐵心中的磁滯損耗增加，諧波使電壓的波形變得越差，則磁滯損耗越大，而受直流分量的影響鐵心的磁通密度增大，稱為直流偏磁，受諧波和直流偏磁的影響，變壓器的噪音、空載損耗和負載損耗均增大。因此在設計時需降低磁通密度。

整流變壓器要求有較強的過負載能力，可在額定負載情況下長期安全運行，并且經常要求長時過載，有的產品則要求短時周期過載。長時過載計算溫升時電流則乘上相應的過載倍數，短時周期過載時可用下式導出計算時的過載百分數：

k－出現過載倍數 t2－未出現過載時時間段（S）

整流變壓器的阻抗比相應的電力變壓器大30%左右，有的產品阻抗大的更多，阻抗大則阻抗系數也應按下式相應調

UK標－標準阻抗值 K－標準阻抗系數UK－要求阻抗值

在計算阻抗時由于有地屏，主空道大，阻抗系數應當再適當降低。

整流變壓器還有一個特點：高次諧波電流分量。諧波可使變壓器的銅耗增大，其中包括電阻損耗、導體中的渦流損耗與導體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大，這主要表現在鐵心中的磁滯損耗增加，諧波使電壓的波形變得越差，則磁滯損耗越大。同時由于以上兩方面的損耗增加，因此要減少變壓器的實際使用容量，或者說在選擇變壓器額定容量時需要考慮留出電網中的諧波含量。除此之外，諧波還導致變壓器噪聲增大，變壓器的振動噪聲主要是由于鐵心的磁致伸縮引起的，隨著諧波次數的增加，振動頻率在1K HZ左右的成分使混雜噪聲增加，有時還發出金屬聲。一般客戶提供兩組參數：Υ－諧波次數，Ir／I1－諧波與基波的百分比，通常以百分數來表示。有的產品諧波分量大，諧波帶來的直接后果就是損耗增加，這對變壓器的溫升影響也是很大的，通常可用下面公式來計算：

電阻損耗增加倍數為：FΩE＝

渦流損耗增加倍數為：FWE＝

雜散損耗增加倍數為：FZE＝

基波下的負載損耗為：Pk＝PΩ＋Pw＋P引＋Pz

諧波下的負載損耗為：Pk’＝（PΩ＋P引）×FΩE＋Pw×FWE＋Pz×FZE

從上面式子可以看出渦流損耗增加系數受影響最大，因此在計算時通常減小導線厚度以達到降低渦流損耗的目的。

如果有過載及諧波分量時則公式演變成：

如果有過載及諧波分量時則公式演變成q＝

（W／m2）

a為過載倍數

在極個別時候，客戶提供的不是諧波電流分量而是諧波電壓，此時我們就要用下面公式來推導出諧波電流

Ur－諧波電壓（V） SN－額定容量（kVA）Υ－諧波次數

UN－二次額定電壓（kV） Uk－短路阻抗（%）

有了諧波電流則根據Ir／I1就可以得到諧波分量，再用上式進行計算。

由于諧波下渦流損耗增加倍數為：FWE＝2Υ2，如果諧波含量大則此倍數就會很大，因此降低渦流損耗使其值盡量小，，a為導線的厚度，通常我們用減小導線的厚度來降低渦流損耗。

當客戶提出有過載要求和諧波電流分量時，在溫升試驗中就要把這些特殊條件折成損耗或電流給實驗臺，當做油面溫升試驗時采用諧波、過載條件下損耗（）進行試驗，當做繞組溫升試驗時采用諧波、過載條件下電流（I×× a）進行試驗。

整流變壓器由于過載和諧波電流分量的存在，從上面公式可以看出其溫升均提高，則繞組多采用帶縱向油道的高功能結構，高壓采用連續式，低壓根據電壓與聯結組別多采用螺旋式結構，如果是ZSS變壓器（即兩個低壓，一個Y接繞組，一個D接繞組），低壓采用雙餅式結構，即兩個低壓軸向上交錯排列，低壓引出6個套管。諧波和過載下的損耗也會增加，為了滿足油面的溫升，含有諧波和過載的整流變壓器的散熱器比電力變壓器的散熱器通常會多1～2個。

在以往整流變壓器設計時由于客戶無損耗要求，因此計算可適當增大電密（溫升限值內）提高損耗，但注意導線的厚度要小以降低渦流損耗，如此做法雖然增加了散熱器，但節約了銅、硅鋼片，在性價比上是占有優勢的，這樣可以實現節約的目的。

［1］崔立君.特種變壓器理論與設計［M］.北京：北京科學技術文獻出版社，1996.