多晶硅还原炉用干式变压器结构设计

2016-09-03创新者

中国科技信息 2016年10期

关键词：绝缘材料多晶硅干式

创新者：雷涌

多晶硅还原炉用干式变压器结构设计

创新者：雷涌

能源危机下，光伏发电成为一种新型的清洁可再生能源，而为光伏发电提供原材料的多晶硅生产设备一直依赖进口，本司作为专业干式变压器生产企业，成功开发出新型多晶硅还原炉用干式变压器，打破该设备的进口局面。

能源危机下，光伏发电作为新一代清洁能源，在整个世界上越来越多的得到广泛应用，而作为光伏发电的主要材料之一的太阳能光伏板，在生产过程中需要大量的多晶硅作为原材料，因此，越来越多的企业掌握市场先机，开始生产多晶硅。

而为多晶硅生产设备提供电源的整流变压器一直以来都依赖进口，为打破这种局面，并提高民族品牌在国际市场的竞争力，我公司研究、开发、生产了多晶硅太阳能电池生产用专用干式变压器，为促进清洁能源开发和利用做出了贡献。

多晶硅还原炉用干式变压器工作特征

还原炉变压器低压侧通过控制晶闸管的触发角来改变负载电流大小（如上图）。

图中波形为负载上的得到的电压的波形，实线波形表示该档位开通，虚线波形均表示对应的变压器档位被关断。

变压器运行时，在任意一个周波内，电压相邻的两个档位均有可能同时运行。在任意的半个周波内，同时运行的两档电压的开通角度之和始终等于180°。另外，U1抽头有可能独立移相运行。

还原变压器的运行过程中，由于各相的硅棒生长速度有可能不一致，就会导致三相长时间的不平衡运行，甚至有可能缺相运行。因此，变压器的设计过程中，需要考虑到变压器的上述运行特点。

针对上述特点，还原炉用变压器具体要求如下

变压器原边绕组为三相三角形联结。

副边绕组为多个相互绝缘的独立绕组，且每个绕组出多个电压抽头，每个抽头电压、电流均不同。

使用过程中要求变压器具有良好的抗短路能力和抗系统电源谐波能力。

多容量段输出，在还原炉工作中，随着硅棒的长大，电阻由大变小，需要的电压也由高到底，电流由小变大。在整个工作过程中，变压器需要输出的电流从200多安增到几千安；电压从2000多伏降低到两百多伏。副边绕组参数如下表所示。

从上表中可以看出，各个独立的线圈必须满足档位由高到低时，电压由高到低，电流由小到大。各档位输出容量也有不同。

下面以为某多晶硅生产企业设计生产的容量为9500 kVA多晶硅还原炉用干式变压器为例，说明其设计结构和参数。

变压器运行方式和结构：

此台9500kVA多晶硅还原炉用干式变压器一次为三角形联结，一次电压10kV。二次绕组为三个相互绝缘的线圈，每个二次绕组有5个抽头输出。其工作方式：三个二次线圈工作情况相同，首先是a5抽头单独工作，然后a4和a5同时工作，再是a4单独工作，以此类推，最后是a1单独工作。

根据以上运行方式，线圈设计结构如下：

多晶硅还原炉用干式变压器工艺特点

变压器多容量段输出，低压电流大，匝数少、电压抽头多、变比误差大，要满足相关标准和用户对电压的要求，需要合理的计算匝数。

低压各个抽头容量不一样，电流不一样，在磁场中的位置也不一样，需合理布置绕组在磁场中的位置。

涡流损耗小、散热性能好、阻抗平衡好：低压最大电流（最小电压）绕组（0和1抽头）分布在外侧（靠近高压绕组侧），由外向内依次排布。不运行的绕组通过精确计算及样品实验，双重保证基准档位的阻抗，其他档位阻抗基于实际运行容量，充分满足用户的各种要求。由于负载不稳定，变压器必需具备承受长期的过载、过压及较大的谐波电流的能力，而且由于硅棒倒棒的原因，所以同时还具有良好的抗突发短路能力。

机械强度高、耐受电压的能力强：高压线圈导线表面可采用H级或C级绝缘材料作为导体绝缘，匝间、层间采用同样的绝缘材料做绝缘加强。

绕组安匝不平衡小，抗短路能力强：由于低压电流大，低压绕组采用德国MKM公司高纯度圆边铜箔与绝缘材料紧密绕制，箔式绕组无螺旋角，横向漏磁小。同时，高压绕组多处出分接，横向漏磁小，横向涡流损耗小。（轴向电动力跟横向漏磁成正比）

经过各种结构比对，采用目前方案，使产品成本与同容量的普通干式变压器几乎没什么增加，并且各项性能最优，如下图所示。

由于多晶硅还原炉用干式变压器后面的负载为调功柜，低压侧会有大量的谐波，因此，在设计时需要考虑其谐波的影响；而且在运行过程中可能会出现过载情况。综合以上要点，制造时把优质高牌号原材料作为了首选材料。

铁芯采用进口高导磁晶粒取向硅钢片，该硅片具有单位铁芯损耗低的特点，50HZ/1.7T时，单位铁损<1.2W/ kg，与国产硅钢片相比低10%左右，硅钢片材质均匀，每卷的任一段损耗基本无变化。对于通常的配电变压器，根据容量大小的不同，一般磁密选取在1.5～1.6T左右，远远低于该牌号硅钢片的磁饱和点2.04T，损耗低，在制造铁心时，我们采用先进的加工工艺： 1）采用45度全斜剪切；2）芯柱和轭铁接缝处采用五步制进叠结构；3）芯柱不冲孔、PET带（聚酯纤维带）绑扎。该工艺与普通的三步制进叠相比，由于有效地改善了接缝处的磁场分布，从而有效地降低了空载电流和空载损耗。

变压器高压线圈在德国进口STOLLBERG公司全自动绕线机上绕制，其具有自动排线，自动计算，恒张力控制等功能。该设备与同类型半自动绕线机相比，可以根据导线的线径大小、线圈的直径大小等等基本参数来自动选取导线的绕制张力及每分钟的绕制转数，保证整个线圈的张力均匀，不会出现局部过松或过紧情况，也不会出现因为绕制张力过大而导致变压器导线的截面被拉小（长度被拉长）的情况发生（变压器的损耗与导线截面成反比，如果截面变小，变压器的总损耗就会增加）。

低压线圈采用德国MKM公司进口圆边铜箔绕制，层间采用H级材料作为绝缘，绕制完成后，在固化炉中高温固化成型。该种绝缘材料表面的预浸树脂为半固化树脂，在常温下呈现固态形式，待绕制完成，送入固化炉后，吸附在绝缘材料表面的半固化树脂在140℃重新液化，将铜箔与绝缘材料粘接在一起，并在150℃的温度下再次固化，将树脂、绝缘材料与铜箔牢固地固化成为一个刚性整体，并且此过程不可逆转，线圈固化成型后，即使加再高温度，树脂仍然不再能转化成液态。