水冷移相变压器关键技术研究

马涛

摘要： 本文对水冷移相变压器的主要技术特点进行了介绍，并对主要参数的计算方法和关键技术进行了研究。通过对水冷移相变压器样机制造和试验结果表明主要参数计算方法和关键技术的研究可行，为水冷移相变压器的设计计算和制造提供了依据。

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.

关键词： 移相变压器；水冷；主泵变频器

Key words： phase-shifting transformer；water-cooled；main pump frequency converter

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）12-0140-02

1 概述

作为大功率水冷变频驱动系统中的关键部件，大功率水冷移相变压器的性能参数和可靠性指标对变频器驱动系统的长期可靠运行至关重要。目前国内尚无制造厂能生产大功率水冷移相变压器，根据工程需求，开展大功率水冷移相变压器（以下简称：水冷移相变压器）的关键技术研究，为设备国产化实现技术突破。

2 水冷移相变压器技术特征

2.1 水冷移相变压器的主要特点

与传统变压器绕组采用实心铜导线相比，水冷移相变压器的原边绕组和副边移相绕组均由空心铜导线绕制而成，铜导线载流，同时铜导线内腔通冷却水冷却。因此，具有以下特点：①与传统风冷、油冷等外部冷却方式相比，绕组铜导线内腔水冷效率高、温升低；②水冷系统与变频驱动设备功率模块共用，节省设备投资；③体积、重量相比传统变压器显著降低，可节约厂房面积；④整体采用环氧树脂浇注，绝缘强度高，环境适应能力强，可靠性高。

2.2 延边三角形移相

副边移相绕组采用延边三角形联结，分为正序和逆序两种联结方式。移相角即变压器的副边移相绕组的线电压超前或滞后原边绕组线电压的角度α。正序联结为顺时针方式，移相角是负角度；逆序联结为逆时针方式，移相角是正角度。

2.3 去离子水内冷

水冷移相变压器的原、副边绕组均由空心铜导线绕制、主绝缘采用环氧树脂整体浇注、绕组空心铜导线内腔通去离子水冷却。水冷系统为闭式循环冷却，通过水冷循环泵驱动冷却水流经作为热源的绕组线圈，加热后的冷却水再流至水-水热交换器进行换热将热量排放至换热器二次侧冷却水，实现变压器绕组的冷却。

3 水冷移相变压器参数计算

3.1 电路参数计算

3.1.1 延边三角形移相绕组和主绕组电压计算

移相绕组电压计算：UY=U1×sin？琢（1）

主绕组电压计算：UM=2U1×sin（30°-？琢）（2）

一次绕组结构容量与移相角度的关系

Kp=1.035cos（15°-？琢）（3）

式中：？琢——移相角，0°？燮？琢？燮30°

U1——延边三角形合成电压，kV。

3.1.2 移相绕组和主绕组电流计算

移相绕组电流：

IY=PN/U1//N（4）

主绕组电流为：IZ=IY/（5）

式中：PN—变压器容量，kVA；

N—二次侧移相绕组数；

U1—二次侧移相绕组合成电压，kV。

3.1.3 移相绕组和主绕组数的匝计算

移相绕组匝数：

WY=UY/et（6）

主绕组匝数：

WZ=UZ/et（7）

式中：et—匝电压，伏/匝；

UY—移相绕组电压，V；

UM—主绕组电压，V；

3.2 水路参数计算

水路是水冷移相变压器安全稳定运行的关键技术。水路计算是水冷移相变压器的关键计算，水冷移相变压器的水路计算包括冷却水流量计算、压力降计算、原副边绕组流量计算、温升计算等。

3.2.1 冷却水流量计算[2]

Q=（8）

式中：Q—冷却水流量，m3/h；

CP—冷却水比热容，kJ（kg·℃）；

？籽—冷卻水密度，kg/m3；

PN—绕组在参考温度下的损耗，W；

？驻t出口和进口水温之差，℃。

3.2.2 原副绕组却水流量计算

变压器各绕组的水路是并联管路系统，即各绕组的水路作为并联支路两端分别与冷却水进水母管和出水母管连接。变压器在运行时需确保各绕组温升一致，因此在水路系统设计时应根据温升计算确定各水路的冷却流量和空心铜导线的内径孔径。

3.2.3 水路压力降计算

冷却水管路总的压降包括静压力降、速度压力降、摩擦压力降之和，即：

？驻P=？驻PS+？驻PN+？驻Pf（9）

式中：？驻P—水路系统总压力降，kPa；

？驻PS—静压力降，kPa；

？驻PN—冷却水流速压力降，kPa；

？驻Pf—摩擦压力降，kPa。

冷却水系统的供水压力根据上述公式（9）计算确定，一般供水压力相对水路总压降应至少有0.2MPa的裕度。

3.2.4 水路温升校核

根据计算的各绕组的冷却水流量，用式（8）对各绕组的冷却水的温升进行校核，校核的各绕组冷却水温升满足技术条件的要求。

3.3 冷却水的水质参数要求

水冷移相变压器冷却系统为闭式循环，冷却液为去离子水。冷却系统运行时，部分冷却水经通过旁路支管到离子交换器，由离子交换器去离子，经离子交换器去离子的水应满足以下要求[3]：

pH值：7～9；电导率：≤0.2？滋S/cm；含氧量：≤20？滋g/L。

主水温度25℃时，水质应符合下列要求：

pH值为：7～9；电导率：≤0.5？滋S/cm含氧量：≤30？滋g/L。

4 水冷移相变压器关键技术研究

在水冷移相变压器研究开发过程中进行了大量关键技术的研究，研究的关键技术内容如下：

①线圈用导线的绕制工艺验证。通过模型线圈的绕制，积累了大量的工艺数据和工艺方法，如导线的硬度值的控制、导线的折弯半径、放线架的放线方式导线焊接等。线圈导线既电、又通水，冷却效率高。

②水路可靠性保证的方法。为了保证水路可靠性在水路系统配置安全阀，每个绕组的水路进出口装有测温保护和漏水检测。

③冷却水路参数符合性验证。通过理论与试验相结合对水路绝缘电阻、阻力压降、水路接头的密封结构进行了验证，根据验证结果确定冷却水的主要参数和水路接头的密封结构形式。

④电气参数符合性验证。电气参数符合性验证主要对移相角误差和电压比误差，采用模型线圈与理论计算相结合的方法，调整延边三角形延边绕组和主绕组的匝数。把移相角误差控制在0.8°范围内，二次侧空载电压误差控制在标准要求范围内。

⑤产品试验方法研究。因大容量、高电压的水冷移相变压器在国内尚无试验方法借鉴。通过通水前和通水后的大量试验数据的比对，制定了水冷移相变压器的试验大纲及关键数据。

⑥铜的腐蚀速率与冷却水的pH值及水中溶解氧的关系进行研究。冷却水的pH值和导电率是相互影响的，pH值增大导电率也增大，其导电率增大后导致变压器的绝缘达不到要求。只能通过控制冷却水中的溶解氧量来降低铜管的腐蚀速率。因此，水冷移相变压器的水冷系统需配备出氧装置控制冷却水中的溶氧量。

5 试验验证

对水冷移相变压器的样机进行了除突发短路承受能力外的所有例行试验、型式试验和特殊试验。试验结果满足技术要求，主要试验数据如表1。

6 结论

本文对水冷移相变压器的关键技术进行了研究。通过12065kVA样机的试验对主要技术参数进行了验证，结果表明试验结果与计算结果相符。说明水冷移相变压器的主要参数计算方法和关键技术研究可行。

参考文獻：

[1]崔立君主编.特种变压器理论与设计[M].北京：科学技术文献出版社，1996.

[2]俞佐平主编.传热学[M].北京：高等教育出版社，1995.

[3]DL/T 801-2010，大型发电机内冷却水质及系统技术要求[M].