多路并聯(lián)螺旋式繞組在大容量整流變壓器中的應(yīng)用

郭艷君 張亞杰

摘? ?要：該文介紹了5萬(wàn)kVA傳動(dòng)整流變壓器低壓繞組采用多路并聯(lián)螺旋式繞組，與傳統(tǒng)雙餅式繞組對(duì)比的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)研究，降低了大電流雙餅式低壓繞組端部線餅中的電流密度，有效解決大容量整流變壓器由于支路電流分配不均衡導(dǎo)致的繞組局部線餅過(guò)熱問(wèn)題，提高產(chǎn)品的運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：整流變壓器;多路并聯(lián);螺旋式繞組

中圖分類號(hào)：TM402? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

用于變頻調(diào)速領(lǐng)域的傳動(dòng)整流變壓器，繞組排列通常有2種結(jié)構(gòu)，容量較小的一般和普通電力變壓器結(jié)構(gòu)相同，即低壓繞組放在內(nèi)側(cè)，高壓繞組放在外側(cè)。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)電壓低、電流大時(shí)，低壓繞組通常要由多個(gè)并聯(lián)支路組成，為了繞組引出線方便，通常采用高壓繞組放在內(nèi)側(cè)，低壓繞組放在外側(cè)的結(jié)構(gòu)，這時(shí)低壓繞組一般采用多路并聯(lián)雙餅式繞組（簡(jiǎn)稱雙餅式繞組）。但雙餅式繞組存在固有的缺點(diǎn)，在一些特殊要求的整流變壓器產(chǎn)品上，低壓繞組采用雙餅式并不是最佳的選擇。

1 大容量傳動(dòng)整流變壓器低壓繞組的型式選擇

對(duì)于容量較大、電壓較低的整流變壓器和電爐變壓器中，低壓繞組一般匝數(shù)很少，雙餅式繞組是最常用的結(jié)構(gòu)。雙餅式繞組由若干個(gè)并聯(lián)的雙餅單元構(gòu)成，雙餅單元數(shù)量可根據(jù)設(shè)計(jì)需要靈活調(diào)整。該文所述的大容量整流變壓器，額定容量50 MVA，高壓側(cè)電壓33 kV ，低壓側(cè)電壓2.65 kV，繞組絕緣水平LI170 AC70/LI60 AC25。

由于低壓繞組的絕緣水平較高，大大超過(guò)常規(guī)整流變壓器低壓繞組的試驗(yàn)電壓，絕緣試驗(yàn)時(shí)，低壓繞組每個(gè)雙餅單元的線餅間要承受60 kV的雷電沖擊電壓，而且相鄰的雙餅單元間也同樣要承受60 kV的雷電沖擊電壓，則雙餅式繞組的每個(gè)餅間絕緣都要進(jìn)行加強(qiáng)，造成低壓繞組絕緣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加。若單純?cè)黾泳€餅間油道厚度，則繞組填充率降低，經(jīng)濟(jì)性變差。要降低相鄰雙餅單元間的電壓，可以采用一半雙餅單元左繞向，另一半雙餅單元右繞向，交錯(cuò)放置的結(jié)構(gòu)。這樣，雙餅單元與雙餅單元間電位差為零，單元間的油道可以只考慮散熱，但是相鄰雙餅單元的繞向不同，給繞組制造增加了難度，而且雙餅單元自身餅間電壓高的問(wèn)題沒(méi)有得到根本解決。

采用雙餅式繞組，通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)和電磁仿真分析可知，由于繞組端部橫向漏磁的影響，各并聯(lián)支路間電流分布不均勻，首末端第一個(gè)雙餅單元的電流值很大，會(huì)達(dá)到繞組平均值的1.3～2倍，長(zhǎng)期運(yùn)行下，繞組端部線餅存在著低溫過(guò)熱的安全隱患，影響變壓器的壽命。

根據(jù)以上分析，整流變壓器低壓繞組采用雙餅式結(jié)構(gòu)不是最佳選擇，有必要另辟蹊徑。通過(guò)多種方案的分析對(duì)比，提出了低壓繞組采用多路并聯(lián)螺旋式繞組的新思路。

2 雙餅式繞組與多路螺旋式繞組的分析對(duì)比

多路并聯(lián)螺旋式繞組結(jié)構(gòu)采用多路并聯(lián)螺旋式繞組，并聯(lián)支路數(shù)較雙餅式繞組大大減少，繞組端部橫向漏磁對(duì)各支路電流的影響也顯著降低，各支路間的電流分配趨于一致，由于支路電流分配不均衡導(dǎo)致的繞組局部線餅過(guò)熱得以消除。為了更直觀地對(duì)雙餅式繞組和多路螺旋式繞組中電流分布進(jìn)行對(duì)比，分別對(duì)雙餅式繞組和多路螺旋式繞組進(jìn)行了仿真，螺旋式繞組按實(shí)際方案采用4路并聯(lián)結(jié)構(gòu)。其中，高壓繞組根據(jù)安匝分布設(shè)置了3個(gè)分區(qū)，低壓繞組按實(shí)際的匝數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)。為節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，采用了2D模型，分別建立了鐵心窗口外模型和鐵心窗口內(nèi)模型，分別進(jìn)行了仿真計(jì)算。

模型說(shuō)明：鐵心材料選用30Q120硅鋼片，繞組材料采用無(wú)氧銅，油箱材料采用A3鋼，由于繞組外部油箱和鐵心的存在，模型邊界只要包裹住油箱和鐵心即可。

采用2D瞬態(tài)場(chǎng)求解，高壓繞組加激勵(lì)，低壓繞組短路，求解后得到低壓繞組各線餅中電流分布。

對(duì)于雙餅式繞組，在鐵心窗口外模型中，首末兩端第一個(gè)雙餅單元的電流達(dá)到繞組平均電流的約1.5倍。對(duì)于鐵心窗口內(nèi)的模型，由于鐵軛對(duì)磁力線的吸引，首末兩端第一個(gè)雙餅單元的電流更大，達(dá)到繞組平均電流的1.65倍，仿真結(jié)果符合黃強(qiáng)的結(jié)論。

對(duì)于4路螺旋式繞組，窗口外模型的4個(gè)并聯(lián)支路中，首末兩端線餅中電流小于繞組平均電流，約為繞組平均電流的0.98倍。對(duì)于鐵心窗口內(nèi)模型，由于鐵軛對(duì)磁力線的吸引，首末兩端線餅中電流比鐵心窗口外模型的要大，為繞組平均電流的1.005倍。綜合鐵心窗口外模型和鐵心窗口內(nèi)模型仿真結(jié)果可知，4路螺旋式繞組的各并聯(lián)支路電流基本相等。

仿真結(jié)果說(shuō)明，采用4路螺旋式繞組，各并聯(lián)支路間電流分布均勻，可以解決傳統(tǒng)雙餅式繞組首末端第一個(gè)雙餅單元電流大的問(wèn)題。

因此，對(duì)該文所述50 MVA整流變壓器，低壓繞組采用4路并聯(lián)雙螺旋式繞組與常規(guī)結(jié)構(gòu)的雙餅式繞組相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

a）餅間絕緣強(qiáng)度問(wèn)題迎刃而解。在4路并聯(lián)螺旋式繞組中，每個(gè)螺旋式繞組餅間油道正常工作時(shí)只承受一匝的工作電壓，絕緣強(qiáng)度好。對(duì)于LI60 AC25的試驗(yàn)電壓，只需要將4個(gè)并聯(lián)支路間的3個(gè)油道尺寸適當(dāng)加大即可解決，而雙餅式繞組至少有一半的油道需要加大尺寸，因此，4路并聯(lián)螺旋式繞組填充系數(shù)優(yōu)于雙餅式繞組。

b）端部線餅電流大的問(wèn)題不再出現(xiàn)。雙餅式繞組最大的問(wèn)題在于各并聯(lián)支路電流分配不均，繞組首末兩端第一個(gè)雙餅單元電流會(huì)達(dá)到繞組平均電流的1.3～2倍，極易導(dǎo)致該線餅處產(chǎn)生局部低溫過(guò)熱。如果不采取特殊措施，將大大影響變壓器的使用壽命。而4路并聯(lián)螺旋式繞組完全避免了上述問(wèn)題。在4路并聯(lián)螺旋式繞組結(jié)構(gòu)下，兩端支路的電流略小于中間兩個(gè)支路的電流，繞組的熱點(diǎn)溫度會(huì)大大低于雙餅式繞組的結(jié)構(gòu)，避免了端部線餅過(guò)熱的問(wèn)題。

c）制造工藝性好，螺旋式繞組比雙餅式繞組繞制更容易，操作方便，提高工作效率。

4 多路并聯(lián)螺旋式繞組的實(shí)際應(yīng)用

50 MVA大容量整流變壓器的低壓繞組最終選擇采用4路并聯(lián)雙螺旋式繞組結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品順利制造完成并通過(guò)了全部試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與計(jì)算值吻合，表明低壓繞組的結(jié)構(gòu)改進(jìn)是成功的。

在多路并聯(lián)螺旋式繞組設(shè)計(jì)時(shí)，還要注意另一個(gè)問(wèn)題，即每個(gè)支路自身導(dǎo)線間的換位要進(jìn)行充分考慮。由于每個(gè)支路所處漏磁場(chǎng)位置不同，繞組中各并聯(lián)導(dǎo)線的換位要分別考慮，中間支路可以按均勻換位方式，兩端支路應(yīng)充分考慮端部漏磁場(chǎng)的影響，繞組兩端換位區(qū)應(yīng)適當(dāng)加大，避免并聯(lián)導(dǎo)線間產(chǎn)生大的環(huán)流，這一點(diǎn)可參考相關(guān)文獻(xiàn)，該文不再贅述。

5 結(jié)語(yǔ)

大容量整流變壓器，低壓繞組匝數(shù)較多或絕緣水平較高時(shí)，采用雙餅式繞組既不經(jīng)濟(jì)，絕緣可靠性也相對(duì)較差。該文提出大容量整流變壓器低壓繞組采用多路并聯(lián)螺旋式繞組，提高了繞組的絕緣可靠性，繞組填充系數(shù)高，經(jīng)濟(jì)性好，同時(shí)避免了雙餅式繞組端部線餅電流大、低溫過(guò)熱的缺點(diǎn)，且制造工藝性好，值得在相關(guān)產(chǎn)品中推廣使用。

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