大容量整流移相水冷變壓器研發設計

管金超，周正琪，于愛梅，王 菲

應用研究

大容量整流移相水冷變壓器研發設計

管金超，周正琪，于愛梅，王 菲

（泰州海田電氣制造有限公司，江蘇泰州 225300）

本文介紹了一種大容量整流移相水冷變壓器的研發設計，采用2臺同規格容量變壓器分別移相±7.5°組合成24脈波的原理實現，變壓器整體通過水冷控制系統達到降低溫升提高過載能力的效果，并加入預充磁變壓器等部件單元實現智能化控制功能，最后采用水冷變壓器實例驗證設計溫升，為該類型變壓器在船舶電力推進系統等工況下的使用提供參考。

整流移相 水冷控制 預充磁

0 引言

船用變壓器為了防水及散熱兼顧，防護等級一般不超過IP23，船舶正常航行所產生的振動、沖擊、角度≤22.4°的搖擺和角度≤15°的傾斜，將對變壓器的機械強度提出很高要求。由于海洋環境具有一定的腐蝕性，將對變壓器整體的防腐蝕性能也提出很高的要求。一般船艙容積有限，對變壓器的體積、重量也會提出苛刻的要求。船用變壓器在船上運行使用過程中，只有所產生的熱量及時散發出去，才能保證變壓器的安全可靠運行。

對于以上特殊工況要求，以往干式變壓器一般采用風冷裝置對其進行散熱降溫，但對于船用變壓器工作環境來說，其要求運行溫度較低，尤其船舶電力推進系統要求短時過載能力強，若使用普通風冷裝置，將無法滿足使用要求，故研發設計出水冷船用變壓器。

1 原理

1.1 整流移相原理

這種變壓器網側繞組分成上下兩個支路并聯聯結，閥側繞組沿軸向布置于同一鐵心柱上，將其頭尾各自采用y聯結和d聯結分別引出，這種閥側繞組分裂為兩個支路布置在同一鐵心柱上的軸向雙分裂結構的變壓器可以使閥側兩個支路并聯運同時各供一路三相橋式整流器。

閥側繞組一組采用y聯結，另一組采用d 聯結，使它們的線電壓有效值相等。變壓器閥側繞組同名端線電壓的相位差為2π/l2（電角度為30°)，這就形成每周期含有12脈波的6相整流系統。如果有兩臺這樣的變壓器，一臺移相+7.5°，另一臺移相-7.5°，兩臺變壓器組成一套移相變壓器組，這就形成了12相24脈波的整流移相變壓器，其閥側同名端線電壓的相位差是2π/24(電角度為15°）。

24脈波整流移相變壓器由2臺等容量，移相角度分別為+7.5°和-7.5°的整流移相變壓器組合而成，網側繞組H1與H1軸向上下對稱布置，通過網側D型連接線并聯引出至網側接線端。閥側繞組L1與L2也軸向上下對稱布置，上端為d接，下端為y接。整流移相原理，見圖1。

圖1 整流移相原理

1.2 水冷原理

干式變壓器的鐵心和繞組中產生的熱量主要靠熱傳導、對流和輻射形式直接散發于周圍的冷卻介質（空氣）中去。然而變壓器容量越大，產生的熱量越多，散熱面積與容量的增加卻不成正比關系。

干式變壓器的散熱主要是靠對流散熱，對流散熱分為自然對流和強迫對流，自然對流是使氣體（空氣）流過繞組（發熱體）表面，在發熱體與空氣之間發生的熱交換過程，即繞組表面周圍的空氣受熱后，密度降低，空氣上升。空氣離去處，新的空氣隨即補充進去，這樣就形成了冷卻介質的循環。強迫對流時，當采用軸流風機或其它冷卻系統來加速空氣流動時，即可減小發熱體表面空氣不動層厚度，從而減小溫差。此時空氣的流速將明顯影響換熱的效果。而空氣的密度、導熱系數等，可以認為與常數與溫度無關，變壓器散熱氣道的幾何條件可以用氣道寬度和氣道高度來反應。在用空氣冷卻的情況下，可用下列公式計算對流系數α。

平滑表面：α=5.7+4

式中-空氣的流速，m/s。

1.3 預充磁原理

大型船舶電力系統中，連接高低壓電網的整流變壓器容量一般比較大，當變壓器空載合閘投入電網運行時，鐵心中磁通出現瞬時變化，由于鐵心磁通的飽和以及鐵心材料的非線性特性，勵磁電流可能達到極高的數值，同時波形會產生嚴重的畸變，形成勵磁涌流。變壓器網側繞組接在交流電源上，而閥側繞組開路時繞組流過的電流為零，網側繞組流過的電流稱為勵磁電流，該勵磁電流流過網側繞組產生主磁通。當變壓器空載關合上口斷路器時，由于合閘相位的隨機性以及變壓器剩磁的影響，使得鐵心磁通迅速趨于飽和，從而產生幅值很大、頻率很高的勵磁涌流。因磁通在相位上滯后于電壓90°，當變壓器在電壓過零點合閘時，鐵心中磁通最大，甚至產生超過變壓器額定電流8倍以上的峰值涌流。勵磁涌流可能會導致變壓器的保護誤動作，大量的諧波更會使船舶電力系統電能質量下降、高次諧波還可能干擾船上的電子設備。

為了抑制變壓器空載合閘時產生的勵磁涌流，一般采用預充磁技術，整流變壓器合閘前，先投入預充磁變壓器對其進行預勵磁，充磁一段時間以后(通常為幾秒鐘到幾分鐘，由預充磁變壓器容量大小決定) 投入整流變壓器，同時切除預充磁變壓器。預充磁變壓器及預充磁控制系統集成于殼體內，預充磁變壓器容量為主變壓器容量的1～2%，控制電纜通過填料函引出至預充磁控制系統端子箱，端子箱布置于風機下部，整體結構緊湊，布線簡潔合理，可實現智能化控制，預充磁控制系統原理，見附圖2。

圖2 預充磁控制系統原理

圖中零部件：KM:接觸器、FR:繼電器、T2:預充磁變壓器、FU：熔斷器、T1:整流移相變壓器。

2 結構

2.1 變壓器整體結構

該整流移相水冷變壓器，包括鐵心、網側繞組H1、網側繞組H2、閥側繞組L1、閥側繞組L2、夾件、拉板、絕緣墊塊、網側引線、閥側引線、網側接線銅排、閥側接線銅排、底座、外殼、風機、冷卻器、預充磁變壓器、預充磁控制系統端子箱。網側繞組H1、H2和閥側繞組L1、L2分別軸向對稱排列、并同心套裝于鐵心外，鐵心由多層硅鋼片疊裝而成，網側引線分別安裝于上下三相網側繞組H1、H2接線端，并最終并聯引出至網側接線銅排，閥側引線分別安裝于上下三相閥側繞組接線端，上端為d接，下端為y接，中間通過扇形墊塊隔離，并與鐵心限位，最終分別引出至閥側接線銅排，上下夾件夾緊鐵心并通過拉板上下拉緊，絕緣墊塊支撐網側繞組和閥側繞組，變壓器本體及預充磁變壓器安裝于底座之上，風機、冷卻器及預充磁控制系統端子箱側裝于變壓器外殼，如圖3。

圖3 變壓器整體結構

圖中零部件：1.吊環、2.起吊螺桿、3.閥側接線銅排、4.鐵心、5.夾件、6.網側接線銅排、7.絕緣墊塊、8.拉板、9.接地屏、10.網側繞組、11.閥側繞組、12.扇形墊塊、13.外殼、14.風機、15.預充磁控制系統端子箱、16.冷卻器、17.預充磁變壓器、18.漏水報警器、19.底座

2.2 鐵心

鐵心使用優質低損耗、低噪聲冷軋晶粒取向硅鋼片，鐵心采用單片縱向7步進疊裝工藝，鐵心整體為無穿孔定位，心柱采用PET綁扎，鐵軛采用拉帶綁扎結構，降低空載損耗及噪音，保證鐵心整體垂直度。

2.3 繞組

網側繞組采用加填料環氧樹脂真空一體化澆注成型，電磁線選用無氧銅，繞組固化一次成型，無需切割整形打磨處理，外表光滑簡潔美觀，網側繞組H1與H2軸向上下對稱同模繞制，接線端布置在網側面板，分接頭布置在閥側面板，三角段繞組為多層4段中部調壓，延邊段繞組為多層端部調壓,繞制簡單，節省鐵心窗口幾何空間。繞組整體為瘦高型設計，增加與冷卻空氣的熱對流和傳導能力，網側繞組與閥側繞組之間增設一層接地屏，接地屏呈圓筒狀，由銅帶卷制而成，與閥側繞組做到絕緣可靠，分別于上下端夾件完成可靠接地，減少網側與閥側的電磁干擾。

2.4 外殼、底座

外殼和底座采用先噴砂后噴漆工藝，環氧鋅底漆2道+環氧云鐵中漆2道+聚氨酯面漆2道，整體漆膜厚度不小于300 μm，變壓器本體2道三防漆，使整體達到有效的防腐蝕保護。

外殼和底座分別為整體框架焊接結構，保證整體的機械強度及電氣聯通，夾件上部安裝起吊螺桿與外殼連接，使外殼與變壓器本體連成一個固定的整體，在船舶航行過程中保證變壓器整體機械強度，使變壓器本體、外殼、底座形成整體，達到抗震作用。

2.5 附件

系統增加溫度傳感器、水冷卻裝置、濕度控制器、加熱器等控制告警元器件，整體實現智能化控制。

2.5.1溫度傳感器

溫度傳感器采用單片機技術，利用預埋在變壓器繞組測溫孔中的pt100鉑電阻來測量繞組的溫度并進行數字顯示，提供繞組超溫跳閘、繞組超溫報警以及傳感器故障顯示報警并輸出功能，還可以根據設定溫度點自動啟停風機對繞組進行風冷，有效地提高干式變壓器運行的安全性、可靠性及使用壽命。同時產品還提供多種電腦通訊接頭，可方便地與監控系統連接。

2.5.2水冷卻裝置

水冷卻裝置由水冷系統室、風機、熱交換器組成。水冷系統室設有進出風口，熱交換器設有進出水口，水冷卻器配有漏水檢測器。

風機采用低轉速、高壓力系數的設計，寬葉片、大弦長，使其在低速驅動的前提下，達到所需風量、風壓的目的，具有效率高、噪聲低、能耗省、運轉平穩等特點。

熱交換器是由一組波紋金屬板組成，板上有兩個角孔，供傳熱的液體通過。金屬板片安裝在一個側面有固定板和活動壓緊板的框架內，并用夾緊螺栓夾緊。板片上裝有密封墊片將流體通道密封，并且引導流體交替地流至各自的流道內，形成熱交換。

2.5.3濕度控制器

溫濕度控制器也叫冷凝控制器，主要由傳感器、控制器、加熱器或風扇等三部分組成。傳感器檢測箱內的溫濕度信息，傳輸給控制器進行分析處理。當箱內溫濕度達到或超過預設值時，控制器內的繼電器觸點閉合，加熱器或風扇通電開始工作，對箱體進行加熱或吹風等操作。一段時間后，箱內溫度或濕度遠離設定值，控制器內繼電器觸點斷開，加熱或吹風停止。除基本功能外，不同型號還具有斷線報警輸出、傳輸輸出、通訊、強制加熱和吹風等輔助功能。

3 實例

某用戶采購的整流移相水冷變壓器技術參數要求如下：

1）容量：6 500 kVA

2）連接組：D(+7.5°)d0y11，D(-7.5°)d2y1

3）溫升限值：90K

4）冷卻方式：AFWF

該項目整流移相水冷變壓器的溫升設計值及試驗值，見表1。

4 結論

1）該類型大容量整流移相水冷變壓器通過試驗得出，網側繞組及閥側繞組的溫升均遠低于合同溫升限值，該類型產品過載能力遠超普通風冷干式變壓器，尤其該產品在大容量變壓器中的運用，效果要好于小容量的變壓器。

2）移相角度為±7.5°并實現整流移相24脈波，減少電流中5、7、11、13、17、19、23、25次諧波分量。

3）瘦高型鐵心結構的設計，網側繞組H1與H2同模繞制，網側繞組與閥側繞組之間接地屏的布置，預充磁變壓器、預充磁控制系統、風水冷循環系統的總體集成，提高整體防腐能力及機械強度的處理工藝。

4）增加預充磁控制系統，抑制空載合閘瞬間涌流至額定電流的3倍以下。

5）單臺產品占地面積減小約50%，重量減輕約30%，過載能力增加1倍以上，防護等級最大可以達到IP56, 整體機械強度高，防潮防腐蝕能力強，且實現智能化控制。

表1 溫升設計值及試驗值

[1] 路長柏. 干式電力變壓器理論與計算[M]. 沈陽：遼寧科學技術出版社，2003.

[2] 崔立君. 特種變壓器理論與設計[M]. 北京：科學文獻出版社，1996.

[3] 魏雪亮, 張宏, 史建華. 軸向雙分裂式12相24脈波移相牽引整流變壓器的參數計算[J]. 變壓器，1999, 36(5): 1-8.

[4] 朱永利, 鄭瑞宏, 虞禮輝. 海上風力發電水冷干式變壓器冷卻系統設計[J]. 變壓器, 2015, 52(7): 7-10.

Research and design of large capacity rectification phase shifting water-cooled transformer

Guan Jinchao, Zhou Zhengqi, Yu Aimei, Wang Fei

(Taizhou Haitian Electrical Manufacturing Co., Ltd., Taizhou 225300, Jiangsu, China)

TM41

A

1003-4862（2023）12-0004-04

2023-08-25

管金超(1985-)，男，高級工程師。研究方向：變壓器研發設計。E-mail: 413115782@qq.com