水冷移相變壓器關鍵技術研究

馬濤

摘要： 本文對水冷移相變壓器的主要技術特點進行了介紹，并對主要參數的計算方法和關鍵技術進行了研究。通過對水冷移相變壓器樣機制造和試驗結果表明主要參數計算方法和關鍵技術的研究可行，為水冷移相變壓器的設計計算和制造提供了依據。

Abstract： This paper introduces the main technical characteristics of water-cooled phase-shifting transformers， and studies the calculation methods of the main parameters and the key technologies. The prototype manufacturing and test results of the water-cooled phase-shifting transformer show that the calculation methods of main parameters and key technologies are feasible and provide basis for the design， calculation and manufacture of water-cooled phase-shifting transformers.

關鍵詞： 移相變壓器；水冷；主泵變頻器

Key words： phase-shifting transformer；water-cooled；main pump frequency converter

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）12-0140-02

1 概述

作為大功率水冷變頻驅動系統中的關鍵部件，大功率水冷移相變壓器的性能參數和可靠性指標對變頻器驅動系統的長期可靠運行至關重要。目前國內尚無制造廠能生產大功率水冷移相變壓器，根據工程需求，開展大功率水冷移相變壓器（以下簡稱：水冷移相變壓器）的關鍵技術研究，為設備國產化實現技術突破。

2 水冷移相變壓器技術特征

2.1 水冷移相變壓器的主要特點

與傳統變壓器繞組采用實心銅導線相比，水冷移相變壓器的原邊繞組和副邊移相繞組均由空心銅導線繞制而成，銅導線載流，同時銅導線內腔通冷卻水冷卻。因此，具有以下特點：①與傳統風冷、油冷等外部冷卻方式相比，繞組銅導線內腔水冷效率高、溫升低；②水冷系統與變頻驅動設備功率模塊共用，節省設備投資；③體積、重量相比傳統變壓器顯著降低，可節約廠房面積；④整體采用環氧樹脂澆注，絕緣強度高，環境適應能力強，可靠性高。

2.2 延邊三角形移相

副邊移相繞組采用延邊三角形聯結，分為正序和逆序兩種聯結方式。移相角即變壓器的副邊移相繞組的線電壓超前或滯后原邊繞組線電壓的角度α。正序聯結為順時針方式，移相角是負角度；逆序聯結為逆時針方式，移相角是正角度。

2.3 去離子水內冷

水冷移相變壓器的原、副邊繞組均由空心銅導線繞制、主絕緣采用環氧樹脂整體澆注、繞組空心銅導線內腔通去離子水冷卻。水冷系統為閉式循環冷卻，通過水冷循環泵驅動冷卻水流經作為熱源的繞組線圈，加熱后的冷卻水再流至水-水熱交換器進行換熱將熱量排放至換熱器二次側冷卻水，實現變壓器繞組的冷卻。

3 水冷移相變壓器參數計算

3.1 電路參數計算

3.1.1 延邊三角形移相繞組和主繞組電壓計算

移相繞組電壓計算：UY=U1×sin？琢（1）

主繞組電壓計算：UM=2U1×sin（30°-？琢）（2）

一次繞組結構容量與移相角度的關系

Kp=1.035cos（15°-？琢）（3）

式中：？琢——移相角，0°？燮？琢？燮30°

U1——延邊三角形合成電壓，kV。

3.1.2 移相繞組和主繞組電流計算

移相繞組電流：

IY=PN/U1//N（4）

主繞組電流為：IZ=IY/（5）

式中：PN—變壓器容量，kVA；

N—二次側移相繞組數；

U1—二次側移相繞組合成電壓，kV。

3.1.3 移相繞組和主繞組數的匝計算

移相繞組匝數：

WY=UY/et（6）

主繞組匝數：

WZ=UZ/et（7）

式中：et—匝電壓，伏/匝；

UY—移相繞組電壓，V；

UM—主繞組電壓，V；

3.2 水路參數計算

水路是水冷移相變壓器安全穩定運行的關鍵技術。水路計算是水冷移相變壓器的關鍵計算，水冷移相變壓器的水路計算包括冷卻水流量計算、壓力降計算、原副邊繞組流量計算、溫升計算等。

3.2.1 冷卻水流量計算[2]

Q=（8）

式中：Q—冷卻水流量，m3/h；

CP—冷卻水比熱容，kJ（kg·℃）；

？籽—冷卻水密度，kg/m3；

PN—繞組在參考溫度下的損耗，W；

？駐t出口和進口水溫之差，℃。

3.2.2 原副繞組卻水流量計算

變壓器各繞組的水路是并聯管路系統，即各繞組的水路作為并聯支路兩端分別與冷卻水進水母管和出水母管連接。變壓器在運行時需確保各繞組溫升一致，因此在水路系統設計時應根據溫升計算確定各水路的冷卻流量和空心銅導線的內徑孔徑。

3.2.3 水路壓力降計算

冷卻水管路總的壓降包括靜壓力降、速度壓力降、摩擦壓力降之和，即：

？駐P=？駐PS+？駐PN+？駐Pf（9）

式中：？駐P—水路系統總壓力降，kPa；

？駐PS—靜壓力降，kPa；

？駐PN—冷卻水流速壓力降，kPa；

？駐Pf—摩擦壓力降，kPa。

冷卻水系統的供水壓力根據上述公式（9）計算確定，一般供水壓力相對水路總壓降應至少有0.2MPa的裕度。

3.2.4 水路溫升校核

根據計算的各繞組的冷卻水流量，用式（8）對各繞組的冷卻水的溫升進行校核，校核的各繞組冷卻水溫升滿足技術條件的要求。

3.3 冷卻水的水質參數要求

水冷移相變壓器冷卻系統為閉式循環，冷卻液為去離子水。冷卻系統運行時，部分冷卻水經通過旁路支管到離子交換器，由離子交換器去離子，經離子交換器去離子的水應滿足以下要求[3]：

pH值：7～9；電導率：≤0.2？滋S/cm；含氧量：≤20？滋g/L。

主水溫度25℃時，水質應符合下列要求：

pH值為：7～9；電導率：≤0.5？滋S/cm含氧量：≤30？滋g/L。

4 水冷移相變壓器關鍵技術研究

在水冷移相變壓器研究開發過程中進行了大量關鍵技術的研究，研究的關鍵技術內容如下：

①線圈用導線的繞制工藝驗證。通過模型線圈的繞制，積累了大量的工藝數據和工藝方法，如導線的硬度值的控制、導線的折彎半徑、放線架的放線方式導線焊接等。線圈導線既電、又通水，冷卻效率高。

②水路可靠性保證的方法。為了保證水路可靠性在水路系統配置安全閥，每個繞組的水路進出口裝有測溫保護和漏水檢測。

③冷卻水路參數符合性驗證。通過理論與試驗相結合對水路絕緣電阻、阻力壓降、水路接頭的密封結構進行了驗證，根據驗證結果確定冷卻水的主要參數和水路接頭的密封結構形式。

④電氣參數符合性驗證。電氣參數符合性驗證主要對移相角誤差和電壓比誤差，采用模型線圈與理論計算相結合的方法，調整延邊三角形延邊繞組和主繞組的匝數。把移相角誤差控制在0.8°范圍內，二次側空載電壓誤差控制在標準要求范圍內。

⑤產品試驗方法研究。因大容量、高電壓的水冷移相變壓器在國內尚無試驗方法借鑒。通過通水前和通水后的大量試驗數據的比對，制定了水冷移相變壓器的試驗大綱及關鍵數據。

⑥銅的腐蝕速率與冷卻水的pH值及水中溶解氧的關系進行研究。冷卻水的pH值和導電率是相互影響的，pH值增大導電率也增大，其導電率增大后導致變壓器的絕緣達不到要求。只能通過控制冷卻水中的溶解氧量來降低銅管的腐蝕速率。因此，水冷移相變壓器的水冷系統需配備出氧裝置控制冷卻水中的溶氧量。

5 試驗驗證

對水冷移相變壓器的樣機進行了除突發短路承受能力外的所有例行試驗、型式試驗和特殊試驗。試驗結果滿足技術要求，主要試驗數據如表1。

6 結論

本文對水冷移相變壓器的關鍵技術進行了研究。通過12065kVA樣機的試驗對主要技術參數進行了驗證，結果表明試驗結果與計算結果相符。說明水冷移相變壓器的主要參數計算方法和關鍵技術研究可行。

參考文獻：

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

[2]俞佐平主編.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1995.

[3]DL/T 801-2010，大型發電機內冷卻水質及系統技術要求[M].