18脈波h級絕緣干式整流變壓器設(shè)計 - 全文

　　1 引言

　　工業(yè)用的直流電源大部分都是由交流電網(wǎng)通過整流變壓器與整流器所組成的整流設(shè)備而得到的，并廣泛應(yīng)用于冶金、化工和牽引等領(lǐng)域，如城市軌道交通、軋鋼電機(jī)的直流傳動、同步電機(jī)的直流勵磁等。整流變壓器的作用是將交流電網(wǎng)電壓變換成整流裝置所需要的電壓，并通過相數(shù)和相位角的變換，改善交流和直流側(cè)的運行特性。整流變壓器可將整流設(shè)備與電網(wǎng)電路隔離開來，確保設(shè)備的安全，并且限制短路電流，減少整流設(shè)備對電網(wǎng)和其他并聯(lián)運行整流設(shè)備相互間的電磁干擾，抑制晶閘管等整流元件的電流上升率。

　　由于干式變壓器的無油污染問題，防潮、耐熱、阻燃、防腐蝕等特性，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、生活的各個方面。目前主要存在兩種主流類型的干式變壓器：一種是以歐洲為代表的樹脂澆注式干式變壓器(簡稱ordt)，另一種是以美國為代表的浸漆式干式變壓器(簡稱ovdt)。而作為h級絕緣的干式整流變壓器，以c級絕緣材料nomex紙作為絕緣介質(zhì)，具有更高的可靠性和環(huán)保特性，而且具有更好的經(jīng)濟(jì)性，受到廣泛的歡迎。

　　h級干式整流變壓器耐熱等級為180℃，主要絕緣材料為nomex紙，該絕緣紙是美國杜邦公司的專利產(chǎn)品，是一種以芳香酰胺纖維為基礎(chǔ)的合成絕緣材料，其本身為c級，耐熱等級達(dá)220℃。nomex紙還有許多優(yōu)點，是極佳的電氣絕緣材料，用其制造的變壓器可以防潮、阻燃，對環(huán)境適應(yīng)性好，而且變壓器尺寸緊湊，占用空間小，變壓器抗冷熱沖擊、抗短路能力、抗過電壓能力均好于其它類型變壓器。尤其是h級整流變壓器的制造工藝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，對于需要多個抽頭，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多個移相繞組的整流變壓器來說，具有非常明顯的優(yōu)勢，使其制造加工周期短，成本低，真空壓力浸漬(vip)后繞組剛性好，機(jī)械強(qiáng)度得到保證，同時，由于有漆膜覆蓋在絕緣材料表面，提高了變壓器的防潮能力。

　　2 移相的形成及工作原理

　　干式移相整流變壓器是一種專門為中高壓變頻器提供多相整流電源的裝置，采用延邊三角形移相原理，通過多個不同的移相角二次繞組，可以組成等效相數(shù)為9相、12相、15相、18相、24相以及27相等整流變壓器。變壓器的一次側(cè)直接入高壓電網(wǎng)，其二次側(cè)有多個三相繞組，它按0°、θ°、…、(60-θ)°等表示延邊三角連接變壓器二次側(cè)的各低壓三相繞組，同時表示各低壓三相繞組線電壓相對對應(yīng)繞組的移相角。當(dāng)每相由n個h橋單元串聯(lián)時，θ=60°/n，實現(xiàn)了輸入的多重化，形成6n脈波整流。這樣，如果各h橋單元功率平衡，電流幅值相同，理論上一次側(cè)輸入電流中不含有6n±1以下各次諧波，并可提高功率因數(shù)，一般不需再配備無功補償和諧波濾波裝置。最適宜用于防火要求高、負(fù)荷波動大的環(huán)境中，如海上石油平臺、火力發(fā)電廠、自來水廠、冶金化工、礦山建材等特殊的工作環(huán)境中。

　　多繞組干式移相整流變壓器是根據(jù)不同的用戶而設(shè)計，容量從200kva~10000kva不等，一次阻抗較大，變壓器的效率>98%，采用h級絕緣系統(tǒng)，繞組溫升限值120k。為了提高電能質(zhì)量，整流變壓器的輸出波形不像電力變壓器在一個周期內(nèi)只有三個正弦脈波，而是根據(jù)一次側(cè)電壓和裝機(jī)容量，確定每臺變壓器在一個周期內(nèi)的脈波數(shù)。高壓變頻調(diào)速技術(shù)目前呈現(xiàn)多樣化，以西門子技術(shù)為代表的級聯(lián)式多重化技術(shù)，基本可以做到完美無諧波，它采用整流變壓器將多個低壓模塊疊加(串聯(lián))而形成高壓輸出，功率器件采用igbt，目前國內(nèi)絕大多數(shù)高壓變頻器廠家都是采用這種技術(shù)。abb的acs5000系列變頻器是三電平的拓樸結(jié)構(gòu)，36脈波的整流變壓器共有6個移相組，每兩個移相組為一個變頻單元供電，功率器件為igct，abb還有一種變頻器采用12脈波整流逆變技術(shù)，其變壓器采用三繞組形式。以ab(rockwell)為代表的18脈波整流逆變技術(shù)，其需要整流變壓器采用三分裂形式。

　　整流變壓器作為這一技術(shù)的重要構(gòu)成，是伴隨高壓變頻器的技術(shù)而出現(xiàn)并迅速發(fā)展的。根據(jù)變頻器單元數(shù)和電壓等級的不同，移相整流變壓器輸出繞組數(shù)和電壓也不同，3kv的多采用3級，移相分為0°、±20°，每移相組電壓為630v;6kv的多采用6級，移相分為±5°、±15°、±25°，每移相組電壓為630v，也有采用5級或7級，5級時移相角為0°、±12°、±24°，電壓為710v，7級時移相角為0°、±8.57°、±17.14°、±25.71°，電壓為490v;10kv的多采用8級，移相分為±3.75°、±11.25°、±18.75°、±26.25°，每移相組電壓為720v，也有采用9級和10級。理論上講，級數(shù)越多，變壓器輸入側(cè)的諧波越少，對電網(wǎng)的污染越小，但級數(shù)多，變頻器的功率單元就多，增加了制造成本，所以上述級數(shù)是各變頻器廠家普遍采用的。abb的acs5000變頻器所需變壓器在結(jié)構(gòu)上要與上述的簡化一些;12脈波和18脈波的整流變壓器多采用分裂方式，適用于abb和ab的變頻器。用以改善整流裝置的高次諧波對電網(wǎng)和通訊等設(shè)備的影響。

　　在電網(wǎng)三相電壓的基礎(chǔ)上，為獲得均勻分布多脈波二次側(cè)電壓，即需要每相二次側(cè)電壓在120°內(nèi)均勻分布展開。為此利用y，d11與yd1兩種接線組別，達(dá)到相互移相60°。再利用二次側(cè)延邊三角形移相得到需要的相位角。按照接線組別定義，順時針移相為(+)，逆時針移相為(-)。例如：18個脈波的移相變壓器，間隔為：360°/18=20°。其接線組別計移相角按順序分別為：y，d11-20°;y，d11;y，d11+20°。

　　3 18脈波h級絕緣干式整流變壓器設(shè)計概述

　　3.1 容量的確定

　　鐵心的選擇與電壓有關(guān)，而導(dǎo)線的選擇與電流有關(guān)，即導(dǎo)線的粗細(xì)直接與發(fā)熱量有關(guān)。也就是說，變壓器的容量只與發(fā)熱量有關(guān)。對于一個設(shè)計好的變壓器，如果在散熱不好環(huán)境中工作，假如為1000kva，如果增強(qiáng)散熱能力，則有可能工作在1250kva。另外，變壓器的標(biāo)稱容量還與允許的溫升有關(guān)，例如，如果一臺1000kva的變壓器，允許溫升為100k，如果在特殊的情況下，可以允許其工作到120k，則其容量就不止1000kva。由此也可以看出，如果改善變壓器的散熱條件，則可以增大其標(biāo)稱容量，反過來說，對于相同容量的變頻器，可以減小變壓器柜的體積。

　　變壓器容量的選擇一般從電壓、電流及環(huán)境條件幾方面綜合考慮。其中應(yīng)根據(jù)用戶用電設(shè)備的容量、性質(zhì)和使用時間來確定所需的負(fù)荷量，以此來選擇變壓器容量。在正常運行時，應(yīng)使變壓器承受的用電負(fù)荷為變壓器額定容量的75%-90%左右。

　　變壓器是由繞在同一鐵心上的兩個或兩個以上的線圈繞組組成，繞組之間是通過交變磁場而聯(lián)系著，并按電磁感應(yīng)原理工作。變壓器安裝位置應(yīng)考慮便于運行、檢修和運輸，同時應(yīng)選擇安全可靠的地方。在使用變壓器時必須合理地選用變壓器的額定容量。變壓器空載運行時，需用較大的無功功率。這些無功功率要由供電系統(tǒng)供給。變壓器的容量若選擇過大，不但增加了初投資，而且使變壓器長期處于空載或輕載運行，使空載損耗的比重增大，功率因數(shù)降低，網(wǎng)絡(luò)損耗增加，這樣運行既不經(jīng)濟(jì)又不合理;變壓器容量選擇過小，會使變壓器長期過負(fù)荷，易損壞設(shè)備。因此，變壓器的額定容量應(yīng)根據(jù)用電負(fù)荷的需要進(jìn)行選擇，不宜過大或過小。

　　變壓器的設(shè)計一般只看額定容量，而不看額定功率，因為其電流只與額定容量有關(guān)。對于電壓源型變頻器，由于其輸入功率因數(shù)接近于1，所以額定容量與額定功率幾乎相等。電流源型變頻器則不然，其輸入側(cè)變壓器功率因數(shù)最多等于負(fù)載異步電機(jī)的功率因數(shù)，所以對于相同的負(fù)載電機(jī)，其額定容量要比電壓源型變頻器的變壓器大一些。

　　3.2 鐵心磁通密度的選取

　　變壓器設(shè)計的基本問題是磁通和電流密度。變壓器的電流與容量成正比，電流密度的大小(即導(dǎo)線的粗細(xì))按照導(dǎo)體的發(fā)熱量來考慮。對于磁通，電磁學(xué)的基本關(guān)系式為：

　　u=4.44fwφ，

　　其中：

　　u為電壓;

　　f為頻率，在這里為50hz，定值;

　　w為線圈的匝數(shù);

　　φ是磁通量。

　　由于硅鋼片的磁通密度b受到材料的限制，一般僅能設(shè)計到1.4-1.8特斯拉，而φ=bs，所以，要增大φ，一般只能增大鐵心的截面積。變壓器的鐵心一般為三相柱式，鐵心的截面積按照上述公式可以確定，鐵心窗口的大小則要考慮把線圈放進(jìn)去為原則。容量越大的變壓器，導(dǎo)線越粗，鐵心的窗口就需要越大。在變壓器的設(shè)計中，銅和鐵的用量可以均衡考慮。因為一旦變壓器的容量確定了，電流就確定了，導(dǎo)線的粗細(xì)也就確定了，增大匝數(shù)w，磁通φ就可以小一些，鐵心的截面積就可以小一些，但是要把這些匝數(shù)繞進(jìn)去，鐵心的窗口要大一些;相反，減小匝數(shù)w，磁通φ就要大一些，鐵心的截面積要大一些，但是鐵心的窗口可以小一些。

　　3.3 諧波電流問題

　　由于整流元件的單向阻斷作用會引起整流變壓器交變磁場波形的畸變，即使電網(wǎng)電壓為理想的正弦波，整流裝置從交流電網(wǎng)中取用的電流也是非正弦的。諧波產(chǎn)生的另一個原因是由于非線性負(fù)載。當(dāng)電流流經(jīng)線性負(fù)載時，負(fù)載上電流與施加電壓呈線性關(guān)系;而電流流經(jīng)非線性負(fù)載時，則負(fù)載上電流為非正弦波，即產(chǎn)生了諧波。

　　整流器和逆變器產(chǎn)生的諧波電壓、電流：整流器的作用將交流電轉(zhuǎn)成直流電，而逆變器是將直流電轉(zhuǎn)變成交流電。其電路中的二極管視為理想二極管，即正向阻抗接近零，反向阻抗無窮大。因此，只允許電流單方向流動，從整流器的輸出端看，每相電流波形為矩形波，不是正弦波，利用傅氏級數(shù)展開式展開周期的矩形波形，可以看到除了工頻正弦波(50hz基波)外，還疊加了一系列高次波形——諧波。應(yīng)該說電動機(jī)采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，可以高水平完成調(diào)速外，也可以節(jié)省大量電能(近30%)，但如前面分析，變頻調(diào)速過程中要產(chǎn)生高次諧波，即形成高次諧波污染，造成廠區(qū)的電視、音響系統(tǒng)不能正常工作，還要干擾二次儀表——壓力、流量、可編程控制器及智能控制器正常工作，諧波還會使變壓器、電動機(jī)、電容器及電抗器產(chǎn)生過熱。增加換流裝置的相數(shù)或脈波數(shù)，是減少換流裝置產(chǎn)生諧波電流的十分有效的措施。

　　3.4 超銘牌容量運行問題

　　確定變壓器銘牌容量需要綜合考慮其它一些因素。例如環(huán)境溫度的影響，降低溫度可以提高變壓器的輸出功率和減少變壓器的損耗，又如變壓器臺數(shù)的合理選擇和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較等等都是影響變壓器容量選擇的考慮因素。

　　至于變壓器的過載能力是和起始負(fù)荷率、環(huán)境溫度和通風(fēng)散熱條件等相關(guān)的因素有關(guān)，且只能是應(yīng)急性質(zhì)和短時間的。過負(fù)載時首先要求不致?lián)p壞變壓器的絕緣和降低使用效率為原則，一年四季中高峰用電是可能會超負(fù)荷而低谷時又會出現(xiàn)輕載運行。這“超”、“輕”負(fù)載兩者之間的量和時間基本相等，同時會起到互補的作用，但最好不要超負(fù)荷。

　　過負(fù)荷百分?jǐn)?shù)(n)計算公式：

　　n=(i-le)/ie×100

　　式中：

　　i —變壓器實際負(fù)荷電流;

　　ie—變壓器額定電流。

　　當(dāng)然對于設(shè)置有強(qiáng)迫風(fēng)冷的變壓器其應(yīng)急過載能力可達(dá)40-50，而且過持?jǐn)嗬m(xù)時間也可適當(dāng)延長(但絕不允許過載情況下長期運行)，這可由產(chǎn)品的技術(shù)條件來確定。

　　綜合上述各種因素對選擇變壓器容量的影響，從節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、實用、安全可靠出發(fā)，一般選取變壓器負(fù)荷率在0.65-0.8為宜。

　　3.5 抑制環(huán)流問題

　　對于18脈波及以上的整流變換，整流變壓器繞組采用曲折接線(z接線)實現(xiàn)，各整流單元并聯(lián)(或串聯(lián))，共同向負(fù)載供電。只要滿足m組6脈動整流交流側(cè)的電壓u(n)(n=1，2，……，m)依次移相α=60°/m，即可得到p=6m脈波的多相整流。而對于18脈波移相，理論上不含有17、19次及以下諧波，因此很好地減少了低次諧波環(huán)流的影響;通常只要保證變壓器兩側(cè)角星總匝數(shù)比等于1.732，便能很好地避免環(huán)流問題的出現(xiàn)，而這只是理論上的計算，實際中匝數(shù)不可能為小數(shù)，所以只能在設(shè)計時合理選擇分配，使得比值盡量趨近。

　　3.6 阻抗計算的要求

　　變壓器二次電抗數(shù)值愈小，負(fù)載分配相差就愈大。理論計算表明：增大整流變壓器二次電抗，可以部分減小負(fù)載電流分配不均的問題。由于整流變壓器二次側(cè)電抗可調(diào)整的只有變壓器內(nèi)部引線電抗和二次側(cè)母線電抗，可調(diào)節(jié)范圍很有限。而且，整流機(jī)組的負(fù)載率是隨生產(chǎn)工藝和備用機(jī)組的投切經(jīng)常變化的。所以，這樣的設(shè)想具有很大的局限性，實際上是做不到的。將整流變壓器繞組按分裂式變壓器結(jié)構(gòu)(如軸向分裂)設(shè)計，增大繞組間阻抗，也有利于改善負(fù)載電流分配不均問題。但針對晶閘管整流器而言，可能存在著其它不利于晶閘管安全運行的因素。

　　采用晶閘管整流器雖然可以對兩套二次側(cè)繞組的電流作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使之達(dá)到均衡，但存在著其它不利于晶閘管整流器安全運行的因素。

　　采用飽和電抗器進(jìn)行細(xì)調(diào)，能較好地解決二者負(fù)載電流分配不均問題。但也是有代價的，飽和電抗器占用的地方、增加的制造成本、本身的電耗和對功率因數(shù)的影響等都是不能忽略的。

　　在18脈波整流電路中，整流主電路是由三組6脈波晶閘管整流橋組成的。由三組完全獨立的二次側(cè)繞組供電。

　　整流裝置在運行過程中會導(dǎo)致電網(wǎng)各點電壓波形產(chǎn)生畸變，干擾電網(wǎng)上其它電氣設(shè)備的正常運行。同理，電網(wǎng)的擾動超過一定極限時，也會導(dǎo)致整流裝置規(guī)定性能的下降，使其運行中斷、甚至損壞。這就是整流器與所在電網(wǎng)的兼容性問題。按國標(biāo)gb10236-88的規(guī)定，兼容的含義是：第一，整流器對電網(wǎng)的干擾在電網(wǎng)的容許范圍之內(nèi);第二，整流器接入電網(wǎng)后，整流變壓器一次側(cè)的電壓波動、頻率、波形等參數(shù)的擾動(包括其本身接入后引起的擾動)應(yīng)低于所選整流器的抗電網(wǎng)干擾極限值。

　　按照國標(biāo)gb10236-88的規(guī)定，b級抗擾等級的整流器允許的換相缺口極限值是120°。如果換相缺口過大，則會造成觸發(fā)失敗、誤觸發(fā)或變頻器工作不穩(wěn)定。若變壓器在換相期間，參與換相的兩相交流端子被瞬間短路，使變壓器二次側(cè)線電壓突降到接近于零，從而導(dǎo)致電壓波形出現(xiàn)缺口。

　　3.7 器身結(jié)構(gòu)

　　變頻器是通過整流變壓器的多個移相組將各二次繞組形成相位差，各移相組分別為相應(yīng)的功率單元供電，實現(xiàn)輸入多重化，在這些單元內(nèi)完成整流、逆變，然后再進(jìn)行疊加。有了多個移相，就可以消除各單元產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的污染，這就是完美無諧波變頻器的基本工作原理。變壓器的一組移相單元為變頻器的一相供電，三相需要三組移相單元組成，因此采用二次側(cè)有三組移相單元組成的繞組。

　　18脈波干式整流變壓器二次側(cè)出頭多，為方便均勻放置于外線柱。因此一次繞組置于內(nèi)線柱，一次側(cè)繞組抽頭出線較困難，一般無分接。由于三相變壓器具有三組繞組，三組繞組的組間工作電壓即為變頻器的相間電壓，而且它們之間的絕緣距離屬于爬電距離，因此絕緣距離應(yīng)達(dá)到國標(biāo)要求，按端部對地要求做試驗(一組通電耐壓，其它兩組接地)。各二次繞組接入變頻器為串聯(lián)，因此，移相角應(yīng)按順序逐步變化并與變頻器側(cè)一致，以減小單元(段間)電壓梯度。繞組的同名端起繞，如內(nèi)三角形導(dǎo)線為單根線，延邊可采用雙根導(dǎo)線，單根與雙根變換處焊抽頭。

　　3.8 溫升計算

　　溫升從一個側(cè)面反應(yīng)出整臺變壓器設(shè)計的合理性，驗證絕緣散熱效果的優(yōu)劣。根據(jù)最高溫升要求、不同的散熱要求，采取不同的設(shè)計方案，而在實際溫升試驗中，多采用電阻法來測試?yán)@組溫升，因為相比較之下，熱電偶法測量的是變壓器線圈外層的溫升，電阻法測得的是變壓器線圈的平均溫升。電阻法測繞組溫升公式：

　　△t=(k+t1) (r2-r1)/r1-(t2-t1)

　　式中：

　　△t—繞組溫升;

　　r1—實驗開始的電阻;

　　r2—實驗結(jié)束時的電阻;

　　k—對銅繞組，等于234.5;對于鋁繞組：225;

　　t1—實驗開始時的室溫;

　　t2—實驗結(jié)束時的室溫。

　　4 h級絕緣干式整流變壓器運行中的問題

　　由于整流變繞組電流是非正弦的，含有很多高次諧波，為了減小對電網(wǎng)的諧波污染，為了提高功率因數(shù)，必須提高整流設(shè)備的脈波數(shù)，這可以通過移相的方法來解決，移相的目的就是為使整流變壓器二次繞組的同名端線電壓之間有一個相位移。

　　干式變壓器以其優(yōu)異的性能，強(qiáng)大的過載能力，只要保證設(shè)計沒有問題，在一般工業(yè)現(xiàn)場狀況下都能順利的運行;而部分出現(xiàn)問題案例，究其原因，均為絕緣系統(tǒng)損壞導(dǎo)致的短路故障;所以干式整流變壓器的設(shè)計主要在于絕緣系統(tǒng)的設(shè)計，足夠的絕緣裕量，盡可能避免銅線的毛刺和繞線所致絕緣紙破損以及總裝焊接所致的繞組燙傷，裂紋等制做工藝因素，從而避免出現(xiàn)運行故障。

　　5 結(jié)束語

　　h 級敞開型變壓器的一次繞組采用層式結(jié)構(gòu)，以 nomex紙板做層間絕緣阻隔。低壓繞組采用箔式或餅式線圈，這種結(jié)構(gòu)的高低壓線圈都與空氣有直接的大面積接觸，因而它們的散熱狀況很好，并且繞組的抗短路能力特別強(qiáng)，有較強(qiáng)的超銘牌運行能力。在多接縫的鐵心上刷上一層粘接劑，在結(jié)構(gòu)上采取懸浮隔噪措施，大大降低了噪聲。制造工藝過程不采用環(huán)氧樹脂真空澆注或纏繞，而可以采用類似于油浸式變壓器傳統(tǒng)制造工藝，制造設(shè)備、模具投入少，產(chǎn)品易于改型，制造廠的風(fēng)險小，這樣可以提高成品合格率，并降低制造成本。