单机3×36脉波移相整流变压器设计

2020-05-05

中国新技术新产品 2020年4期

（保定天威集团特变电气有限公司，河北保定 071056）

0 引言

随着能源工业的发展，电网对挂网运行的整流变压器的功率因数和谐波电流方面的要求越来越高。整流设备的脉波数越多，对谐波的消减越有成效，系统功率因数也越高，因此12、24、36、48 脉波甚至更高脉波数的整流变压器在各工业系统中得到了广泛的应用[1]。但是，脉波数越多，整流变压器的结构也越复杂，参数性能也越难保证，对变压器生产企业的技术水平、制造能力都提出了更高的要求。所以，目前国内单机能输出54 脉波及以上的整流变压器很少。该文涉及的多脉波移相整流变压器应用于“西气东输”项目。在已建成的气体加压站中，需要大量大功率整流变压器，为了适应系统中变频器机组的需要，对该系统的变压器容量以及整流脉波数都提出了前所未有的要求。通常这些机组中的关键设备都需要进口，为了保证国家能源安全，国家也在加大力度推进相关设备的国产化工作。

1 项目要求

单机3×36 脉波移相整流变压器是中石油输气管道工程力推该类设备国产化的首次尝试，也是该公司首次挑战试制单机输出如此多脉波的移相整流变压器。在国内、外尚属首例。结合上述合同技术协议约定，经过对多种可行方案的研究讨论，确定性价比最优的技术方案。根据合同技术协议，需要满足如下要求。1）变压器容量16 000 kVA，单机3×36 脉波输出，且希望寻求适合更大容量的设计方案。2）单机多脉波输出，其器身结构及引线复杂，但需有较高的批量生产的可操作性。3）低压侧要考虑12 kV 对地共模电压以及端子位置排布要方便外部电缆的工程连接。

2 设计思路

2.1 电气原理

目前移相整流变压器多为小容量低电压产品，输出脉波数以6、12、18、36 脉波较为常见。普通36 脉波整流变压器需要6 组低压线圈实现，但3×36 脉波整流变压器需要将每组低压线圈分裂成3 个部分，即变成18 组低压线圈[2]。如果采用常规单器身低压轴向分裂18 组，势必会导致器身过高，线圈绕制、引线连接等工艺性和阻抗、温升等参数性能都极不合理。因此笔者决定采用双器身结构，2 个器身的高压分别Y 接和D 接，并联出线，单个器身低压采用外延三角形轴向九分裂结构，分别以Yd11 和Dd0为基准，-20°和+20°移相，单器身可实现3×18 脉波输出，双器身共箱方式可实现单机3×36 脉波输出。其原理如图1 所示。

图1 双器身实现输出3×36 脉波原理图

2.2 器身结构

每个器身低压侧分裂为多路，线圈结构、引线排布非常复杂，所以，为提高器身接线的可操作性，将低压线圈放置在高压线圈外侧，即，沿辐向方向，依次排布为：铁心—高压线圈—低压线圈。

每个器身的高压线圈轴向三分裂，每路高压均对应三路低压线圈（其中1-3、7-9 线圈为基本线圈+移相线圈合绕的组合线圈，4-6 为单线圈），即单器身低压线圈采用轴向九分裂结构，三个高压线圈从上到下依次分别对应3×（-20°的基本线圈+移相线圈）、3×（0°低压线圈）和3×（+20°的基本线圈+移相线圈）。高、低压之间设置接地屏蔽，减小网侧高频冲击电压对阀侧的影响。单器身线圈排布方式如图2 所示，其中HV（High Voltage）表示高压线圈，LV（Low Voltage）表示低压线圈。

图2 单器身线圈排布图

2.3 阻抗保证方式

短路阻抗计算可以采用手工解析法或电磁场仿真软件Magnet 提供的数值解，分别计算高压侧与低压侧的短路阻抗，并进行对比分析，以满足订货合同中全穿越阻抗介于8%～12%的技术参数要求。

3 具体技措

3.1 产品基本参数

产品型号：ZSI-16000/10

电压组合：10±5%/18×0.66kV

联结组标号：Yd11（-20°） d（0°）d （+20°） / Dd0（-20°） d（0°）d （+20°）

额定容量：16000/18×889 kVA

额定电流：923.8/18×777.6 A

短路阻抗：8%~12%

绝缘水平：LI 75 AC35/ AC 35（组间、组内） kV

频率：50Hz

冷却方式：ONAN

3.2 具体设计方案

3.2.1 线圈部分

高压线圈和低压基本线圈为连续式，低压移相线圈为双连续式。由于单器身轴向九分裂的窗高较高，为了避免位于器身上部的线圈内油流不畅，温升过高，因此采用内、外线圈均加油流导向的结构。

3.2.2 器身部分

产品器身为多个线圈套装，需要注意套装顺序，并严格控制各个线圈套装的垂直度和同心度。产品低压线圈出头很多，为防止焊线时出现W 错焊问题，所有线圈、线包出头部位均标有明显标识，保证能够清晰识别。高、低压之间的屏蔽板开口与外侧纸板开口相互错开，保证幅向主绝缘一致。

低压引线错综复杂，备线时须严格进行清洁防护。焊线时要按照图纸从内层向外逐层焊线，注意控制每层引线之间绝缘距离，并确保走线整齐美观。

3.2.3 铁心部分

铁心为三相三柱式，叠片采用不断轭三接缝结构，铁心芯柱高，需要严格控制芯柱的垂直度。铁心夹件绝缘采用防轭铁窜片措施，夹件采用平板式，上、下腹板通过拉板与心柱连成整体，保证铁心整体的机械强度。铁心通过两侧支架与箱盖连接，既起到器身限位作用，也方便器身起吊[3]。

3.2.4 油箱部分

根据产品运用的实际情况，考虑到低压对地共模电压，低压选用54 支12 kV 级套管出线，组内、组间按试验电压AC35 kV 考核。

为了方便现场工程接线，产品采用双器身“一”字排列共箱结构，提高产品操作工艺性。箱盖低压侧密集分布了54 支套管法兰，不仅需要保证箱盖本身的强度、箱盖起吊器身承重能力，还应该格外考虑低压套管处因加工变形引起的渗漏。因此在箱盖加工过程中应要制定专有的工艺方案，采用间隔开孔方式以减小切割、焊接等加工变形量。箱盖套管排布方式如图3 所示。

图3 箱盖套管排布图

3.2.5 产品实施效果实照

图4 为完成的总装配工序，处于待试验状态的实际产品俯视图，清晰地展示了组成完成后的套管排布形式。

图4 产品实照图

4 该变压器性能数据协议要求值、计算值与试验值对比

该产品顺利地通过了由河北省变压器产品质量监督检验站组织的例行试验和型式试验，各性能数据要求值、计算值与试验值对比见表1，结果表明各项技术性能指标均符合相应标准，完全满足用户要求，成功验证了该文中提出的方案，给移相整流变压器向更大容量更多脉波数发展提供了一种思路，也为该公司今后设计制造技术含量高、性能先进、安全可靠的产品积累了丰富的经验。