水冷移相變壓器關(guān)鍵技術(shù)研究

馬濤

摘要： 本文對(duì)水冷移相變壓器的主要技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并對(duì)主要參數(shù)的計(jì)算方法和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。通過對(duì)水冷移相變壓器樣機(jī)制造和試驗(yàn)結(jié)果表明主要參數(shù)計(jì)算方法和關(guān)鍵技術(shù)的研究可行，為水冷移相變壓器的設(shè)計(jì)計(jì)算和制造提供了依據(jù)。

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(guān)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(hào)：TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）12-0140-02

1 概述

作為大功率水冷變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，大功率水冷移相變壓器的性能參數(shù)和可靠性指標(biāo)對(duì)變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的長期可靠運(yùn)行至關(guān)重要。目前國內(nèi)尚無制造廠能生產(chǎn)大功率水冷移相變壓器，根據(jù)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(guān)鍵技術(shù)研究，為設(shè)備國產(chǎn)化實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。

2 水冷移相變壓器技術(shù)特征

2.1 水冷移相變壓器的主要特點(diǎn)

與傳統(tǒng)變壓器繞組采用實(shí)心銅導(dǎo)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(dǎo)線繞制而成，銅導(dǎo)線載流，同時(shí)銅導(dǎo)線內(nèi)腔通冷卻水冷卻。因此，具有以下特點(diǎn)：①與傳統(tǒng)風(fēng)冷、油冷等外部冷卻方式相比，繞組銅導(dǎo)線內(nèi)腔水冷效率高、溫升低；②水冷系統(tǒng)與變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備功率模塊共用，節(jié)省設(shè)備投資；③體積、重量相比傳統(tǒng)變壓器顯著降低，可節(jié)約廠房面積；④整體采用環(huán)氧樹脂澆注，絕緣強(qiáng)度高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，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(lián)結(jié)，分為正序和逆序兩種聯(lián)結(jié)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(lián)結(jié)為順時(shí)針方式，移相角是負(fù)角度；逆序聯(lián)結(jié)為逆時(shí)針方式，移相角是正角度。

2.3 去離子水內(nèi)冷

水冷移相變壓器的原、副邊繞組均由空心銅導(dǎo)線繞制、主絕緣采用環(huán)氧樹脂整體澆注、繞組空心銅導(dǎo)線內(nèi)腔通去離子水冷卻。水冷系統(tǒng)為閉式循環(huán)冷卻，通過水冷循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)冷卻水流經(jīng)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(jìn)行換熱將熱量排放至換熱器二次側(cè)冷卻水，實(shí)現(xiàn)變壓器繞組的冷卻。

3 水冷移相變壓器參數(shù)計(jì)算

3.1 電路參數(shù)計(jì)算

3.1.1 延邊三角形移相繞組和主繞組電壓計(jì)算

移相繞組電壓計(jì)算：UY=U1×sin？琢（1）

主繞組電壓計(jì)算：UM=2U1×sin（30°-？琢）（2）

一次繞組結(jié)構(gòu)容量與移相角度的關(guān)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(jì)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(cè)移相繞組數(shù)；

U1—二次側(cè)移相繞組合成電壓，kV。

3.1.3 移相繞組和主繞組數(shù)的匝計(jì)算

移相繞組匝數(shù)：

WY=UY/et（6）

主繞組匝數(shù)：

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(shù)計(jì)算

水路是水冷移相變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。水路計(jì)算是水冷移相變壓器的關(guān)鍵計(jì)算，水冷移相變壓器的水路計(jì)算包括冷卻水流量計(jì)算、壓力降計(jì)算、原副邊繞組流量計(jì)算、溫升計(jì)算等。

3.2.1 冷卻水流量計(jì)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(jìn)口水溫之差，℃。

3.2.2 原副繞組卻水流量計(jì)算

變壓器各繞組的水路是并聯(lián)管路系統(tǒng)，即各繞組的水路作為并聯(lián)支路兩端分別與冷卻水進(jìn)水母管和出水母管連接。變壓器在運(yùn)行時(shí)需確保各繞組溫升一致，因此在水路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)溫升計(jì)算確定各水路的冷卻流量和空心銅導(dǎo)線的內(nèi)徑孔徑。

3.2.3 水路壓力降計(jì)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(tǒng)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(tǒng)的供水壓力根據(jù)上述公式（9）計(jì)算確定，一般供水壓力相對(duì)水路總壓降應(yīng)至少有0.2MPa的裕度。

3.2.4 水路溫升校核

根據(jù)計(jì)算的各繞組的冷卻水流量，用式（8）對(duì)各繞組的冷卻水的溫升進(jìn)行校核，校核的各繞組冷卻水溫升滿足技術(shù)條件的要求。

3.3 冷卻水的水質(zhì)參數(shù)要求

水冷移相變壓器冷卻系統(tǒng)為閉式循環(huán)，冷卻液為去離子水。冷卻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，部分冷卻水經(jīng)通過旁路支管到離子交換器，由離子交換器去離子，經(jīng)離子交換器去離子的水應(yīng)滿足以下要求[3]：

pH值：7～9；電導(dǎo)率：≤0.2？滋S/cm；含氧量：≤20？滋g/L。

主水溫度25℃時(shí)，水質(zhì)應(yīng)符合下列要求：

pH值為：7～9；電導(dǎo)率：≤0.5？滋S/cm含氧量：≤30？滋g/L。

4 水冷移相變壓器關(guān)鍵技術(shù)研究

在水冷移相變壓器研究開發(fā)過程中進(jìn)行了大量關(guān)鍵技術(shù)的研究，研究的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容如下：

①線圈用導(dǎo)線的繞制工藝驗(yàn)證。通過模型線圈的繞制，積累了大量的工藝數(shù)據(jù)和工藝方法，如導(dǎo)線的硬度值的控制、導(dǎo)線的折彎半徑、放線架的放線方式導(dǎo)線焊接等。線圈導(dǎo)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(tǒng)配置安全閥，每個(gè)繞組的水路進(jìn)出口裝有測溫保護(hù)和漏水檢測。

③冷卻水路參數(shù)符合性驗(yàn)證。通過理論與試驗(yàn)相結(jié)合對(duì)水路絕緣電阻、阻力壓降、水路接頭的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果確定冷卻水的主要參數(shù)和水路接頭的密封結(jié)構(gòu)形式。

④電氣參數(shù)符合性驗(yàn)證。電氣參數(shù)符合性驗(yàn)證主要對(duì)移相角誤差和電壓比誤差，采用模型線圈與理論計(jì)算相結(jié)合的方法，調(diào)整延邊三角形延邊繞組和主繞組的匝數(shù)。把移相角誤差控制在0.8°范圍內(nèi)，二次側(cè)空載電壓誤差控制在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

⑤產(chǎn)品試驗(yàn)方法研究。因大容量、高電壓的水冷移相變壓器在國內(nèi)尚無試驗(yàn)方法借鑒。通過通水前和通水后的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)，制定了水冷移相變壓器的試驗(yàn)大綱及關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

⑥銅的腐蝕速率與冷卻水的pH值及水中溶解氧的關(guān)系進(jìn)行研究。冷卻水的pH值和導(dǎo)電率是相互影響的，pH值增大導(dǎo)電率也增大，其導(dǎo)電率增大后導(dǎo)致變壓器的絕緣達(dá)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(tǒng)需配備出氧裝置控制冷卻水中的溶氧量。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)水冷移相變壓器的樣機(jī)進(jìn)行了除突發(fā)短路承受能力外的所有例行試驗(yàn)、型式試驗(yàn)和特殊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果滿足技術(shù)要求，主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

6 結(jié)論

本文對(duì)水冷移相變壓器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。通過12065kVA樣機(jī)的試驗(yàn)對(duì)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相符。說明水冷移相變壓器的主要參數(shù)計(jì)算方法和關(guān)鍵技術(shù)研究可行。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔立君主編.特種變壓器理論與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1996.

[2]俞佐平主編.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1995.

[3]DL/T 801-2010，大型發(fā)電機(jī)內(nèi)冷卻水質(zhì)及系統(tǒng)技術(shù)要求[M].