大容量整流移相水冷變壓器研發(fā)設(shè)計(jì)

管金超，周正琪，于愛梅，王 菲

應(yīng)用研究

大容量整流移相水冷變壓器研發(fā)設(shè)計(jì)

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(fā)設(shè)計(jì)，采用2臺同規(guī)格容量變壓器分別移相±7.5°組合成24脈波的原理實(shí)現(xiàn)，變壓器整體通過水冷控制系統(tǒng)達(dá)到降低溫升提高過載能力的效果，并加入預(yù)充磁變壓器等部件單元實(shí)現(xiàn)智能化控制功能，最后采用水冷變壓器實(shí)例驗(yàn)證設(shè)計(jì)溫升，為該類型變壓器在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)等工況下的使用提供參考。

整流移相 水冷控制 預(yù)充磁

0 引言

船用變壓器為了防水及散熱兼顧，防護(hù)等級一般不超過IP23，船舶正常航行所產(chǎn)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(jī)械強(qiáng)度提出很高要求。由于海洋環(huán)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(yùn)行使用過程中，只有所產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)出去，才能保證變壓器的安全可靠運(yùn)行。

對于以上特殊工況要求，以往干式變壓器一般采用風(fēng)冷裝置對其進(jìn)行散熱降溫，但對于船用變壓器工作環(huán)境來說，其要求運(yùn)行溫度較低，尤其船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)要求短時過載能力強(qiáng)，若使用普通風(fēng)冷裝置，將無法滿足使用要求，故研發(fā)設(shè)計(jì)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(wǎng)側(cè)繞組分成上下兩個支路并聯(lián)聯(lián)結(jié)，閥側(cè)繞組沿軸向布置于同一鐵心柱上，將其頭尾各自采用y聯(lián)結(jié)和d聯(lián)結(jié)分別引出，這種閥側(cè)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(jié)構(gòu)的變壓器可以使閥側(cè)兩個支路并聯(lián)運(yùn)同時各供一路三相橋式整流器。

閥側(cè)繞組一組采用y聯(lián)結(jié)，另一組采用d 聯(lián)結(jié)，使它們的線電壓有效值相等。變壓器閥側(cè)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(tǒng)。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(cè)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(wǎng)側(cè)繞組H1與H1軸向上下對稱布置，通過網(wǎng)側(cè)D型連接線并聯(lián)引出至網(wǎng)側(cè)接線端。閥側(cè)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(chǎn)生的熱量主要靠熱傳導(dǎo)、對流和輻射形式直接散發(fā)于周圍的冷卻介質(zhì)（空氣）中去。然而變壓器容量越大，產(chǎn)生的熱量越多，散熱面積與容量的增加卻不成正比關(guān)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(qiáng)迫對流，自然對流是使氣體（空氣）流過繞組（發(fā)熱體）表面，在發(fā)熱體與空氣之間發(fā)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(bǔ)充進(jìn)去，這樣就形成了冷卻介質(zhì)的循環(huán)。強(qiáng)迫對流時，當(dāng)采用軸流風(fēng)機(jī)或其它冷卻系統(tǒng)來加速空氣流動時，即可減小發(fā)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(dǎo)熱系數(shù)等，可以認(rèn)為與常數(shù)與溫度無關(guān)，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(yīng)。在用空氣冷卻的情況下，可用下列公式計(jì)算對流系數(shù)α。

平滑表面：α=5.7+4

式中-空氣的流速，m/s。

1.3 預(yù)充磁原理

大型船舶電力系統(tǒng)中，連接高低壓電網(wǎng)的整流變壓器容量一般比較大，當(dāng)變壓器空載合閘投入電網(wǎng)運(yùn)行時，鐵心中磁通出現(xiàn)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(dá)到極高的數(shù)值，同時波形會產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變，形成勵磁涌流。變壓器網(wǎng)側(cè)繞組接在交流電源上，而閥側(cè)繞組開路時繞組流過的電流為零，網(wǎng)側(cè)繞組流過的電流稱為勵磁電流，該勵磁電流流過網(wǎng)側(cè)繞組產(chǎn)生主磁通。當(dāng)變壓器空載關(guān)合上口斷路器時，由于合閘相位的隨機(jī)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(chǎn)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(dāng)變壓器在電壓過零點(diǎn)合閘時，鐵心中磁通最大，甚至產(chǎn)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(dǎo)致變壓器的保護(hù)誤動作，大量的諧波更會使船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量下降、高次諧波還可能干擾船上的電子設(shè)備。

為了抑制變壓器空載合閘時產(chǎn)生的勵磁涌流，一般采用預(yù)充磁技術(shù)，整流變壓器合閘前，先投入預(yù)充磁變壓器對其進(jìn)行預(yù)勵磁，充磁一段時間以后(通常為幾秒鐘到幾分鐘，由預(yù)充磁變壓器容量大小決定) 投入整流變壓器，同時切除預(yù)充磁變壓器。預(yù)充磁變壓器及預(yù)充磁控制系統(tǒng)集成于殼體內(nèi)，預(yù)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(yù)充磁控制系統(tǒng)端子箱，端子箱布置于風(fēng)機(jī)下部，整體結(jié)構(gòu)緊湊，布線簡潔合理，可實(shí)現(xiàn)智能化控制，預(yù)充磁控制系統(tǒng)原理，見附圖2。

圖2 預(yù)充磁控制系統(tǒng)原理

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

2 結(jié)構(gòu)

2.1 變壓器整體結(jié)構(gòu)

該整流移相水冷變壓器，包括鐵心、網(wǎng)側(cè)繞組H1、網(wǎng)側(cè)繞組H2、閥側(cè)繞組L1、閥側(cè)繞組L2、夾件、拉板、絕緣墊塊、網(wǎng)側(cè)引線、閥側(cè)引線、網(wǎng)側(cè)接線銅排、閥側(cè)接線銅排、底座、外殼、風(fēng)機(jī)、冷卻器、預(yù)充磁變壓器、預(yù)充磁控制系統(tǒng)端子箱。網(wǎng)側(cè)繞組H1、H2和閥側(cè)繞組L1、L2分別軸向?qū)ΨQ排列、并同心套裝于鐵心外，鐵心由多層硅鋼片疊裝而成，網(wǎng)側(cè)引線分別安裝于上下三相網(wǎng)側(cè)繞組H1、H2接線端，并最終并聯(lián)引出至網(wǎng)側(cè)接線銅排，閥側(cè)引線分別安裝于上下三相閥側(cè)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(cè)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(wǎng)側(cè)繞組和閥側(cè)繞組，變壓器本體及預(yù)充磁變壓器安裝于底座之上，風(fēng)機(jī)、冷卻器及預(yù)充磁控制系統(tǒng)端子箱側(cè)裝于變壓器外殼，如圖3。

圖3 變壓器整體結(jié)構(gòu)

圖中零部件：1.吊環(huán)、2.起吊螺桿、3.閥側(cè)接線銅排、4.鐵心、5.夾件、6.網(wǎng)側(cè)接線銅排、7.絕緣墊塊、8.拉板、9.接地屏、10.網(wǎng)側(cè)繞組、11.閥側(cè)繞組、12.扇形墊塊、13.外殼、14.風(fēng)機(jī)、15.預(yù)充磁控制系統(tǒng)端子箱、16.冷卻器、17.預(yù)充磁變壓器、18.漏水報(bào)警器、19.底座

2.2 鐵心

鐵心使用優(yōu)質(zhì)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(jìn)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(jié)構(gòu)，降低空載損耗及噪音，保證鐵心整體垂直度。

2.3 繞組

網(wǎng)側(cè)繞組采用加填料環(huán)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(wǎng)側(cè)繞組H1與H2軸向上下對稱同模繞制，接線端布置在網(wǎng)側(cè)面板，分接頭布置在閥側(cè)面板，三角段繞組為多層4段中部調(diào)壓，延邊段繞組為多層端部調(diào)壓,繞制簡單，節(jié)省鐵心窗口幾何空間。繞組整體為瘦高型設(shè)計(jì)，增加與冷卻空氣的熱對流和傳導(dǎo)能力，網(wǎng)側(cè)繞組與閥側(cè)繞組之間增設(shè)一層接地屏，接地屏呈圓筒狀，由銅帶卷制而成，與閥側(cè)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(wǎng)側(cè)與閥側(cè)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(huán)氧鋅底漆2道+環(huán)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(dá)到有效的防腐蝕保護(hù)。

外殼和底座分別為整體框架焊接結(jié)構(gòu)，保證整體的機(jī)械強(qiáng)度及電氣聯(lián)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(jī)械強(qiáng)度，使變壓器本體、外殼、底座形成整體，達(dá)到抗震作用。

2.5 附件

系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)智能化控制。

2.5.1溫度傳感器

溫度傳感器采用單片機(jī)技術(shù)，利用預(yù)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(jìn)行數(shù)字顯示，提供繞組超溫跳閘、繞組超溫報(bào)警以及傳感器故障顯示報(bào)警并輸出功能，還可以根據(jù)設(shè)定溫度點(diǎn)自動啟停風(fēng)機(jī)對繞組進(jìn)行風(fēng)冷，有效地提高干式變壓器運(yùn)行的安全性、可靠性及使用壽命。同時產(chǎn)品還提供多種電腦通訊接頭，可方便地與監(jiān)控系統(tǒng)連接。

2.5.2水冷卻裝置

水冷卻裝置由水冷系統(tǒng)室、風(fēng)機(jī)、熱交換器組成。水冷系統(tǒng)室設(shè)有進(jìn)出風(fēng)口，熱交換器設(shè)有進(jìn)出水口，水冷卻器配有漏水檢測器。

風(fēng)機(jī)采用低轉(zhuǎn)速、高壓力系數(shù)的設(shè)計(jì)，寬葉片、大弦長，使其在低速驅(qū)動的前提下，達(dá)到所需風(fēng)量、風(fēng)壓的目的，具有效率高、噪聲低、能耗省、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等特點(diǎn)。

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(cè)面有固定板和活動壓緊板的框架內(nèi)，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(dǎo)流體交替地流至各自的流道內(nèi)，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(fēng)扇等三部分組成。傳感器檢測箱內(nèi)的溫濕度信息，傳輸給控制器進(jìn)行分析處理。當(dāng)箱內(nèi)溫濕度達(dá)到或超過預(yù)設(shè)值時，控制器內(nèi)的繼電器觸點(diǎn)閉合，加熱器或風(fēng)扇通電開始工作，對箱體進(jìn)行加熱或吹風(fēng)等操作。一段時間后，箱內(nèi)溫度或濕度遠(yuǎn)離設(shè)定值，控制器內(nèi)繼電器觸點(diǎn)斷開，加熱或吹風(fēng)停止。除基本功能外，不同型號還具有斷線報(bào)警輸出、傳輸輸出、通訊、強(qiáng)制加熱和吹風(fēng)等輔助功能。

3 實(shí)例

某用戶采購的整流移相水冷變壓器技術(shù)參數(shù)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(xiàng)目整流移相水冷變壓器的溫升設(shè)計(jì)值及試驗(yàn)值，見表1。

4 結(jié)論

1）該類型大容量整流移相水冷變壓器通過試驗(yàn)得出，網(wǎng)側(cè)繞組及閥側(cè)繞組的溫升均遠(yuǎn)低于合同溫升限值，該類型產(chǎn)品過載能力遠(yuǎn)超普通風(fēng)冷干式變壓器，尤其該產(chǎn)品在大容量變壓器中的運(yùn)用，效果要好于小容量的變壓器。

2）移相角度為±7.5°并實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，網(wǎng)側(cè)繞組H1與H2同模繞制，網(wǎng)側(cè)繞組與閥側(cè)繞組之間接地屏的布置，預(yù)充磁變壓器、預(yù)充磁控制系統(tǒng)、風(fēng)水冷循環(huán)系統(tǒng)的總體集成，提高整體防腐能力及機(jī)械強(qiáng)度的處理工藝。

4）增加預(yù)充磁控制系統(tǒng)，抑制空載合閘瞬間涌流至額定電流的3倍以下。

5）單臺產(chǎn)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(hù)等級最大可以達(dá)到IP56, 整體機(jī)械強(qiáng)度高，防潮防腐蝕能力強(qiáng)，且實(shí)現(xiàn)智能化控制。

表1 溫升設(shè)計(jì)值及試驗(yàn)值

[1] 路長柏. 干式電力變壓器理論與計(jì)算[M]. 沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

[2] 崔立君. 特種變壓器理論與設(shè)計(jì)[M]. 北京：科學(xué)文獻(xiàn)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(shù)計(jì)算[J]. 變壓器，1999, 36(5): 1-8.

[4] 朱永利, 鄭瑞宏, 虞禮輝. 海上風(fēng)力發(fā)電水冷干式變壓器冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(fā)設(shè)計(jì)。E-mail: 413115782@qq.com