大型水電站勵磁變壓器設計方案分析

改造者：雷 涌

大型水電站勵磁變壓器設計方案分析

改造者：雷 涌

為滿足某大型水電站單機900MW水輪機組的運行要求，提高產品穩定性，分析了水電站勵磁變主要技術參數及結構的確定方法，確定了勵磁變溫升試驗參數，校驗了勵磁變抗短路能力。

某大型水電站機組單機容量均為900MW，為了確保發電機組安全運行，作為機組配套主要電力設備——勵磁變壓器的可靠性，顯得尤為重要。本人所在公司有幸參與其勵磁變壓器的設計，根據其特點和水電站單機900MW水輪機組勵磁變壓器的實際運行要求，詳細分析、研究勵磁變關鍵技術參數，確定勵磁變壓器的結構。

勵磁變壓器基本參數的確定

發電機組基本參數

（1）發電機額定輸出電壓為：20kV；

（2）發電機額定勵磁電壓：512.1V；

（3）發電機額定勵磁電流：4170.4A；

（4）勵磁變額定電壓：1.11kV；

（5）要求勵磁系統滿足發電機輸出最大容量900MVA，并且額定電壓下，功率因素為0.9的勵磁電流的1.1倍時，長期可靠運行。

勵磁變基本參數的確定

勵磁變低壓側額定電流確定

根據水電站單機900MW水輪機組勵磁變壓器運行條件，要求勵磁系統保證當發電機在最大容量900MVA、額定電壓和功率因素為0.9的勵磁電流的1.1倍時，長期可靠運行。根據GB/T 18494.1－2001工業用變流變壓器標準，三相六脈波橋式整流電路中閥側電流因數（即變壓器閥側電流的方均根值與直流電流的比值為）：0.816；

變壓器額定容量確定

因此，變壓器的單相（臺）容量取： 2500kVA

勵磁變溫升的設計及試驗

根據IEC61378標準，整流變壓器在非正弦電流下的總損耗為：

總負載損耗PN=電阻損耗+繞組渦流損耗+引線損耗+雜散損耗（所有損耗都要基于基波和諧波）即：溫升試驗電流=以上總負載損耗對應的基波電流

諧波分析計算

諧波頻譜可按GB/T 3859.2－1993 的6.6.2 和6.6.4推導。

按標準，諧波最大含量如下表所示：

次數h 電流百分比Ih/I1 1 1 5 0.2 7 0.142857143 11 0.090909091 13 0.076923077 17 0.058823529 19 0.052631579 23 0.043478261 25 0.04 29 0.034482759 31 0.032258065

損耗系數計算

根據標準計算公式算得以下各損耗增加系數：

渦流損耗增加系數

雜散損耗增加系數

諧波下的溫升計算

（1）基波電流下的負載損耗值

①基波電阻損耗（120°，計算值）

②渦流損耗

③雜散損耗

基波電流下的總負載損耗（120°，計算值）為：

則可得連接線損耗與結構件損耗之和為：

（2）諧波電流下的總負載損耗計算

（3）變壓器溫升試驗時，模擬運行工況所施加的工頻電流值

由上面的計算可以知道，額定非正弦電流下的負載損耗（120°時）為：

額定正弦電流下的負載損耗（120°時）為：PN1=14700W

確定等效負載損耗的基波工頻試驗電流：

對變壓器進行溫升試驗，試驗電流按1.109倍額定電流考核。

（4）性能參數驗證

該變壓器考慮諧波的影響，設計溫升為80K，變壓器樣機做溫升試驗時，試驗電流按額定電流的1.109倍選取。

變壓器結構的確定

由于本項目產品容量大，用三相獨立的變壓器組與一臺三相變壓器比較，有便于運輸和減少備用容量的優點，同時采用分相設計結構，與離相封閉母線配合，可以杜絕發電機出口相間短路的可能性，也能提高整個電力系統的運行穩定性。二次側為電纜出線，一次側與離相封閉母線相聯。

線圈結構

每臺單相勵磁變壓器包含一組（2個）高壓線圈和一組（2個）低壓線圈，每個線圈之間分別采用外部并聯連接，使得每個線圈內導體流過的電流為額定電流的一半，簡化了設計和制造難度，產品的可靠性更易保證。

（1）高壓線圈

線圈采用優質電磁線繞制，導線表面采用C級絕緣材料，匝間、層間采用NOMEX絕緣材料。在真空下進行環氧樹脂澆注。具有高機械強度、抗短路性能好等特點。內部軸向設置散熱通道，降低線圈運行溫升，保證線圈具有極強的抗短路性能及過載能力。

（2）低壓線圈

采用銅箔與絕緣材料緊密繞制，箔導體截面積大，安匝平衡性好，電流均勻，加上線圈和氣道的內外壁、端部絕緣均為玻璃纖維纏繞，采用環氧樹脂真空澆注，最終形成一個堅固的整體，保證線圈具有極強的抗短路性能及過載能力。

勵磁變壓器耐受短路能力

抗短路熱穩定能力

根據GB1094.5－1985和IEC60076－5（2000）電力變壓器承受短路的能力計算溫升，忽略系統阻抗的影響：

其中：θ0=120℃（線圈的起始溫度）

（短路電流密度）

t=2s （承受短路電流持續時間）

θ2=250℃（協議要求線圈平均溫度最大允許值，國標H級絕緣線圈平均溫度最大允許值為350℃）

抗短路熱穩定能力

處于磁場中的載流導體將要承受機械力的作用，作用在繞組導線上的電磁力，在正常運行條件下是不大的，但在短路條件下卻很大。短路時作用在導線上的總應力應小于導線材料的容許應力，對于銅導線應小于157MPa，才能滿足要求。

輻向短路電動力計算

根據物理學的定理，電磁力的基本計算公式為：

在輻向力Fx的作用下在繞組內所產生的切向拉力大小為：

式中Idmax－－－－最大短路電流幅值（即沖擊短路電流值），A；

最大短路電流幅值可按下列公式計算：

kI——為發生短路時的短路電流倍數（以額定電流IN為基準）；

軸向短路電動力計算

漏磁場在繞組端部將要發生畸變，除縱向分量外還產生橫向分量，橫向漏磁所產生的軸向力，將使內外繞組產生彎曲變形，利用最大橫向漏磁組產生的軸向力，可計算導線最大彎曲應力：

經過計算，短路時，高、低壓繞組所受短路應力大小如下表所示：

繞組 輻向應力 軸向應力 總應力高壓MPa 28 33 61低壓MPa 16 1 17

從以上結果可知，其短路總應力遠小于銅線的容許應力，滿足抗短路能力要求。

結束語

為保證大型水電機組勵磁系統的安全可靠運行，詳細分析了勵磁變壓器各主要技術參數，設計出了勵磁變壓器合理可靠的方案。根據相關經驗及其他項目實際運行情況，證明了本方案各方面性能完全可以滿足實際運行要求。

雷 涌

海南金盤電氣有限公司

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.032