閥側(cè)繞組采用箔式結(jié)構(gòu)勵(lì)磁變壓器的優(yōu)越性

順特電氣設(shè)備有限公司 姚雄偉 劉清萍

1 勵(lì)磁變壓器閥側(cè)采用箔式結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性

以下將閥側(cè)繞組采用箔式同心圓筒結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁變壓器簡(jiǎn)稱箔式勵(lì)磁變壓器；閥側(cè)繞組采用多根扁導(dǎo)線并、疊繞制結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁變壓器簡(jiǎn)稱線繞勵(lì)磁變壓器。

箔式勵(lì)磁變壓器主要適用于低電壓、大電流的產(chǎn)品，其優(yōu)點(diǎn)是：主要磁勢(shì)沿線圈高度方向均勻分布，端部平整無(wú)螺旋角，軸向漏磁小，機(jī)械強(qiáng)度好，不易變形，故其承受短路的能力較強(qiáng)，更加可靠。

沿線圈的軸向均勻分布，層間電壓即等于匝間電壓，層間電壓很低，對(duì)絕緣介質(zhì)材料的要求不高，若不降低絕緣材料介電水平的話則其耐電能力能大幅提高。

沖擊電壓作用下比線繞線圈具有更良好的電壓分布，大幅提升了其抵抗沖擊電壓的性能。

不需要像絕緣導(dǎo)線線圈那樣進(jìn)行換位，有繞制工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品生產(chǎn)效率高。勵(lì)磁變壓器閥側(cè)采用箔式結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性如下。

1.1 箔式同心圓筒結(jié)構(gòu)改善瞬變過(guò)程中線圈電壓起始分布

對(duì)于由開(kāi)關(guān)投切產(chǎn)生的操作過(guò)電壓、由電纜竄入的大氣過(guò)電壓，箔式結(jié)構(gòu)具有良好的耐受性能。

考核變壓器繞組耐受過(guò)電壓能力的試驗(yàn)是雷電全波沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)沖擊波應(yīng)是標(biāo)準(zhǔn)的雷電沖擊全波，視在波前時(shí)間T1=1.2μs，視在半峰值時(shí)間T2=50μs。本次只計(jì)算閥側(cè)繞組中的沖擊電壓分布。

變壓器線圈的等值電路包括集中電感和電阻、線圈的線匝間、層間及線圈對(duì)地部分存在的電容，但電容值很小，當(dāng)變壓器在工頻電壓作用下時(shí)，可以將電容忽略不計(jì)，但在波頭很陡（相當(dāng)于頻率很高）的沖擊波電壓作用下，線圈電感很大，電流不從線圈的線匝中流過(guò)，認(rèn)為電感開(kāi)路，沖擊電壓沿線圈長(zhǎng)度的分布完全由電容決定。

侵入勵(lì)磁變壓器線圈的沖擊波電壓，沿線圈起始分布的不均勻程度與分布系數(shù)有關(guān)。其中：C 為單位長(zhǎng)度的對(duì)地電容；K 為單位長(zhǎng)度串聯(lián)電容。α 越大，線圈端部電位梯度越大，對(duì)縱絕緣的危險(xiǎn)性也就越大。箔式勵(lì)磁變壓器與線繞勵(lì)磁變壓器相比，對(duì)地電容相當(dāng)，而箔式繞組匝間電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線繞線圈的匝間層間串聯(lián)電容，即其分布電容大，分布系數(shù)α 小，削弱了沖擊波波頭的陡度，使起始電壓分布得到改善。

以下是利用本公司與清華大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的沖擊波過(guò)程仿真分析計(jì)算軟件，準(zhǔn)確定位電壓及電壓梯度，計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)電壓梯度波形。以下以2200kVA單相產(chǎn)品為例，在計(jì)算機(jī)中分別對(duì)閥側(cè)繞組的不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，具體為閥側(cè)繞組箔式結(jié)構(gòu)的DCB-2200/20//0.92及閥側(cè)繞組多根扁導(dǎo)線并繞結(jié)構(gòu)的DC-2200/20//1.024勵(lì)磁變壓器波過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算的結(jié)果。

從圖1、圖2可看出箔式線圈在沖擊電壓作用下比線繞線圈具有更良好的電壓分布。

圖1 DCB-2200/20//0.92箔式勵(lì)磁變低壓側(cè)在標(biāo)準(zhǔn)雷電全波沖擊0～60μs 時(shí)電壓沿線圈起始端至末端的分布

圖2 DC-2200/20//1.024線繞勵(lì)磁變低壓側(cè)在標(biāo)準(zhǔn)雷電全波沖擊0～60μs 時(shí)電壓沿線圈起始端至末端的分布

當(dāng)然以上兩個(gè)產(chǎn)品沖擊波形的比較是相對(duì)粗略的，其各自的電壓分布還與其具體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。而且低壓繞組電壓低，匝數(shù)很少，電感小，在沖擊電壓作用下可能不能夠完全排除電感對(duì)電壓分布所起的作用。但是箔式低壓繞圈由于總的串聯(lián)電容增大，使起始電壓分布得到很大改善，只是因?yàn)槠潆妷旱停攀垢纳频牧Χ葲](méi)有在高電壓、多匝數(shù)的線圈上那么大。

1.2 箔式同心圓筒結(jié)構(gòu)提高耐受換相過(guò)程暫態(tài)電壓和暫態(tài)電流的能力

同步發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)采用可控硅三相全控整流橋，如圖3所示。

圖3 三相全控整流橋原理圖

勵(lì)磁變壓器的漏電感和換相回路的自感折算至變壓器閥側(cè)用一個(gè)集中電感L 來(lái)表示，換相時(shí)由于換相電感L 要阻止電流的變化，電流不能突變[1]，有電流隨時(shí)間的變化率di/dt，如圖4（d）所示。換相過(guò)程不能瞬間完成，這個(gè)過(guò)程以換相重疊角γ 來(lái)表示。在γ 期間兩相的晶閘管都導(dǎo)通，相當(dāng)于兩相間短路，使輸出電壓波形出現(xiàn)一個(gè)缺口即換相齒。如圖4（c）所示。在換相齒區(qū)間內(nèi)，電壓波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，雖然其幅值小于雷電沖擊水平，但電壓變化率卻可能與其相當(dāng)，作用時(shí)間非常短晳。

圖4 三相全控整流橋波形圖

通過(guò)分析葛洲壩二江電廠7號(hào)機(jī)勵(lì)磁變二次線電壓，可知在一個(gè)2π 周期內(nèi)有6個(gè)換相齒，對(duì)應(yīng)圖4（b）中t1～t6的6個(gè)換相時(shí)刻，在正常的正弦波電壓上疊加了一連串的過(guò)電壓尖峰[2]。

因?yàn)閯?lì)磁變壓器在正常運(yùn)行工況下就要長(zhǎng)期承受換相暫態(tài)電壓及電流，所以勵(lì)磁變壓器繞組的絕緣結(jié)構(gòu)應(yīng)比普通電力變壓器要求更高才合理。現(xiàn)在很多勵(lì)磁變壓器網(wǎng)側(cè)電壓等級(jí)為20kV，卻要求按35kV 等級(jí)進(jìn)行絕緣試驗(yàn)就是出于以上原因。除網(wǎng)側(cè)電壓等級(jí)提高外，應(yīng)該關(guān)注的是與可控硅整流器直接相連的勵(lì)磁變閥側(cè)繞組的絕緣水平，而箔式結(jié)構(gòu)閥側(cè)繞組相較線繞結(jié)構(gòu)繞組具有更大的優(yōu)勢(shì)。

第一，勵(lì)磁變閥側(cè)箔式結(jié)構(gòu)具有更大的內(nèi)部串聯(lián)電容，有利于暫態(tài)突變電壓在繞組內(nèi)的起始分布。第二，勵(lì)磁變閥側(cè)箔式繞組采用同心圓筒結(jié)構(gòu)，如圖5所示，層間電壓即等于匝間電壓，層間電壓很低，加強(qiáng)層間匝間絕緣簡(jiǎn)單易行。

圖5 低壓箔式繞組同心圓筒結(jié)構(gòu)

第三，如果勵(lì)磁變閥側(cè)繞組采用線繞結(jié)構(gòu)，考慮到勵(lì)磁變電流一般較大，需采用組合導(dǎo)線或幾組導(dǎo)線并繞。由于組合導(dǎo)線股間及并繞導(dǎo)線之間存在互感M，所以當(dāng)繞組承受電流變化率di/dt 時(shí)，會(huì)在組合導(dǎo)線的股間及并繞導(dǎo)線之間感應(yīng)出電勢(shì)u：

由于換相暫態(tài)電流的存在，勵(lì)磁變壓器所承受的電流變化率要比普通電力變壓器大，所以勵(lì)磁變線繞組中組合導(dǎo)線及并繞導(dǎo)線間的感應(yīng)電勢(shì)要大于普通電力變壓器。而勵(lì)磁變壓器閥側(cè)采用箔式同心結(jié)構(gòu)繞組則沒(méi)有這一問(wèn)題。

1.3 箔式同心圓筒結(jié)構(gòu)改善電場(chǎng)分布

線繞繞組由于軸向存在多匝排布，存在匝間絕緣，繞組表面并非連續(xù)的圓柱體，所以在一次與二次之間的主絕緣電場(chǎng)中，電場(chǎng)沿線圈軸向呈波紋狀的附加集中。而且線繞一般采用多層結(jié)構(gòu)，同層線匝之間、不同層線匝間均產(chǎn)生各自電場(chǎng)，總體為一不均勻電場(chǎng)[3]。與線繞不同的是，箔式繞組的一層即為1匝，線圈表面是連續(xù)的圓柱體，主絕緣電場(chǎng)、箔式線圈內(nèi)部匝間電場(chǎng)為端部稍不均勻的同軸圓柱體，所以箔式線圈對(duì)絕緣介質(zhì)材料的要求大大降低，若不降低絕緣材料介電水平的話則其耐電能力相對(duì)大幅提高。

1.4 箔式同心圓筒結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度高

箔式線圈不存在軸向的匝數(shù)和軸向繞制螺旋角，端部平整，高、低壓繞組安匝相對(duì)平衡，軸向漏磁較小，機(jī)械強(qiáng)度高，不易變形，短路時(shí)勵(lì)磁變壓器軸向應(yīng)力較小，故其承受短路的能力較強(qiáng)，更加可靠。

1.5 箔式同心圓筒結(jié)構(gòu)減小縱向渦流損耗

線圈處在縱向漏磁場(chǎng)中，縱向漏磁通不僅產(chǎn)生縱向渦流損耗，而且還在導(dǎo)體中產(chǎn)生漏磁電勢(shì)。縱向漏磁場(chǎng)強(qiáng)度是沿線圈的高度，是不相等的，當(dāng)此電勢(shì)不相等時(shí)，則產(chǎn)生循環(huán)電流及由此引起的渦流損耗。箔式線圈由于箔材高而薄，每匝軸向厚度尺寸值很小，所以箔式線圈由縱向漏磁產(chǎn)生的縱向渦流損耗也很小。

1.6 低壓箔式線圈在生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)效率高、具有更高的質(zhì)量保證、制造成本低

從兩種線圈繞制的原材料上來(lái)看，扁導(dǎo)線在拉制過(guò)程中較易產(chǎn)生尖角毛刺，而這些尖角毛刺是造成匝間短路的首要原因。而箔材為輥軸滾壓軋制而成，表面出現(xiàn)毛刺的可能性極小。

從兩種線圈生產(chǎn)過(guò)程上來(lái)看，線繞線圈繞制時(shí)，費(fèi)工時(shí)、效率低。且對(duì)于大容量勵(lì)磁變壓器，閥側(cè)繞組相電流多達(dá)到3000A以上，若為線材繞制，則為了控制渦流損耗需采用多根導(dǎo)線并、迭或采用換位導(dǎo)線，繞制困難，且需隨時(shí)處理其平整度、彎曲度以及對(duì)尺寸的把控，繞制升層時(shí)還必須避免形成剪刀叉而損壞導(dǎo)線絕緣層，質(zhì)量相對(duì)不易控制。線繞線圈繞制后，往往還需要裝外模，澆注、打磨等一系列工序，而箔繞線圈為一次性繞制完成，無(wú)須套用外模尺寸，工序大大簡(jiǎn)化，生產(chǎn)效率提高，制造成本相應(yīng)降低。

2 總結(jié)

根據(jù)上述分析，箔式同心圓筒結(jié)構(gòu)可改善瞬變過(guò)程中線圈電壓起始分布；提高耐受換相過(guò)程暫態(tài)電壓和暫態(tài)電流的能力；改善電場(chǎng)分布、機(jī)械強(qiáng)度高；承受短路的能力較強(qiáng)、縱向渦流損耗小；在生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)效率高、具有更高的質(zhì)量保證、制造成本低。