大型水电站励磁变压器设计方案分析

改造者：雷 涌

大型水电站励磁变压器设计方案分析

改造者：雷 涌

为满足某大型水电站单机900MW水轮机组的运行要求，提高产品稳定性，分析了水电站励磁变主要技术参数及结构的确定方法，确定了励磁变温升试验参数，校验了励磁变抗短路能力。

某大型水电站机组单机容量均为900MW，为了确保发电机组安全运行，作为机组配套主要电力设备——励磁变压器的可靠性，显得尤为重要。本人所在公司有幸参与其励磁变压器的设计，根据其特点和水电站单机900MW水轮机组励磁变压器的实际运行要求，详细分析、研究励磁变关键技术参数，确定励磁变压器的结构。

励磁变压器基本参数的确定

发电机组基本参数

（1）发电机额定输出电压为：20kV；

（2）发电机额定励磁电压：512.1V；

（3）发电机额定励磁电流：4170.4A；

（4）励磁变额定电压：1.11kV；

（5）要求励磁系统满足发电机输出最大容量900MVA，并且额定电压下，功率因素为0.9的励磁电流的1.1倍时，长期可靠运行。

励磁变基本参数的确定

励磁变低压侧额定电流确定

根据水电站单机900MW水轮机组励磁变压器运行条件，要求励磁系统保证当发电机在最大容量900MVA、额定电压和功率因素为0.9的励磁电流的1.1倍时，长期可靠运行。根据GB/T 18494.1－2001工业用变流变压器标准，三相六脉波桥式整流电路中阀侧电流因数（即变压器阀侧电流的方均根值与直流电流的比值为）：0.816；

变压器额定容量确定

因此，变压器的单相（台）容量取： 2500kVA

励磁变温升的设计及试验

根据IEC61378标准，整流变压器在非正弦电流下的总损耗为：

总负载损耗PN=电阻损耗+绕组涡流损耗+引线损耗+杂散损耗（所有损耗都要基于基波和谐波）即：温升试验电流=以上总负载损耗对应的基波电流

谐波分析计算

谐波频谱可按GB/T 3859.2－1993 的6.6.2 和6.6.4推导。

按标准，谐波最大含量如下表所示：

次数h 电流百分比Ih/I1 1 1 5 0.2 7 0.142857143 11 0.090909091 13 0.076923077 17 0.058823529 19 0.052631579 23 0.043478261 25 0.04 29 0.034482759 31 0.032258065

损耗系数计算

根据标准计算公式算得以下各损耗增加系数：

涡流损耗增加系数

杂散损耗增加系数

谐波下的温升计算

（1）基波电流下的负载损耗值

①基波电阻损耗（120°，计算值）

②涡流损耗

③杂散损耗

基波电流下的总负载损耗（120°，计算值）为：

则可得连接线损耗与结构件损耗之和为：

（2）谐波电流下的总负载损耗计算

（3）变压器温升试验时，模拟运行工况所施加的工频电流值

由上面的计算可以知道，额定非正弦电流下的负载损耗（120°时）为：

额定正弦电流下的负载损耗（120°时）为：PN1=14700W

确定等效负载损耗的基波工频试验电流：

对变压器进行温升试验，试验电流按1.109倍额定电流考核。

（4）性能参数验证

该变压器考虑谐波的影响，设计温升为80K，变压器样机做温升试验时，试验电流按额定电流的1.109倍选取。

变压器结构的确定

由于本项目产品容量大，用三相独立的变压器组与一台三相变压器比较，有便于运输和减少备用容量的优点，同时采用分相设计结构，与离相封闭母线配合，可以杜绝发电机出口相间短路的可能性，也能提高整个电力系统的运行稳定性。二次侧为电缆出线，一次侧与离相封闭母线相联。

线圈结构

每台单相励磁变压器包含一组（2个）高压线圈和一组（2个）低压线圈，每个线圈之间分别采用外部并联连接，使得每个线圈内导体流过的电流为额定电流的一半，简化了设计和制造难度，产品的可靠性更易保证。

（1）高压线圈

线圈采用优质电磁线绕制，导线表面采用C级绝缘材料，匝间、层间采用NOMEX绝缘材料。在真空下进行环氧树脂浇注。具有高机械强度、抗短路性能好等特点。内部轴向设置散热通道，降低线圈运行温升，保证线圈具有极强的抗短路性能及过载能力。

（2）低压线圈

采用铜箔与绝缘材料紧密绕制，箔导体截面积大，安匝平衡性好，电流均匀，加上线圈和气道的内外壁、端部绝缘均为玻璃纤维缠绕，采用环氧树脂真空浇注，最终形成一个坚固的整体，保证线圈具有极强的抗短路性能及过载能力。

励磁变压器耐受短路能力

抗短路热稳定能力

根据GB1094.5－1985和IEC60076－5（2000）电力变压器承受短路的能力计算温升，忽略系统阻抗的影响：

其中：θ0=120℃（线圈的起始温度）

（短路电流密度）

t=2s （承受短路电流持续时间）

θ2=250℃（协议要求线圈平均温度最大允许值，国标H级绝缘线圈平均温度最大允许值为350℃）

抗短路热稳定能力

处于磁场中的载流导体将要承受机械力的作用，作用在绕组导线上的电磁力，在正常运行条件下是不大的，但在短路条件下却很大。短路时作用在导线上的总应力应小于导线材料的容许应力，对于铜导线应小于157MPa，才能满足要求。

辐向短路电动力计算

根据物理学的定理，电磁力的基本计算公式为：

在辐向力Fx的作用下在绕组内所产生的切向拉力大小为：

式中Idmax－－－－最大短路电流幅值（即冲击短路电流值），A；

最大短路电流幅值可按下列公式计算：

kI——为发生短路时的短路电流倍数（以额定电流IN为基准）；

轴向短路电动力计算

漏磁场在绕组端部将要发生畸变，除纵向分量外还产生横向分量，横向漏磁所产生的轴向力，将使内外绕组产生弯曲变形，利用最大横向漏磁组产生的轴向力，可计算导线最大弯曲应力：

经过计算，短路时，高、低压绕组所受短路应力大小如下表所示：

绕组 辐向应力 轴向应力 总应力高压MPa 28 33 61低压MPa 16 1 17

从以上结果可知，其短路总应力远小于铜线的容许应力，满足抗短路能力要求。

结束语

为保证大型水电机组励磁系统的安全可靠运行，详细分析了励磁变压器各主要技术参数，设计出了励磁变压器合理可靠的方案。根据相关经验及其他项目实际运行情况，证明了本方案各方面性能完全可以满足实际运行要求。

雷 涌

海南金盘电气有限公司

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.032