35kV 12脉波移相整流变压器电磁与结构设计

郭艳君 张亚杰

（1.保定天威集团特变电气有限公司，河北 保定 071056；2.河北省天然酯绝缘油变压器技术创新中心，河北 保定 071056）

1 项目背景

多脉波移相整流变压器广泛应用于各行各业的变频调速系统中，电压等级一般为10 kV～35 kV，低压侧输出脉波数以6 脉波和12 脉波为主，12 脉波整流变压器高压侧经移相后，2 台可组成24 脉波输出，大大降低整流装置注入电网的谐波，提高电能质量[1]。

该项目所设计的35 kV 12 脉波整流变压器，安装地点位于海拔高达4 600 m 的西藏地区，外绝缘距离与变压器温升需要特殊考虑，同时，该地区运行的变压器遭受大气过电压概率大，需要对变压器绕组进行必要的保护。

目前国内外市场上的35 kV 高压外延三角形移相整流变压器，基本绕组与高压移相绕组都采用辐向排列方式，在雷电冲击电压下，高压移相绕组尾端与高压基本绕组首端连接处冲击电位震荡很大，绝缘性能不易保证，需要增大绝缘距离以保证绝缘强度[2]。为了解决上述技术问题，该项目通过技术研究与电磁仿真技术，将高压基本绕组与移相绕组调整为轴向排列，经仿真计算与测试，移相绕组尾端与基本绕组首端连接处的冲击电位震荡明显下降，提高了绝缘可靠性，高压移相绕组引线与其它绕组引线连接更加方便，器身的布置结构更加紧凑合理，器身机械稳定性得到提高。

2 产品开发与设计

针对项目技术协议中所需特点，研究采用合理的结构满足实现35 kV 高压外延三角形移相，单器身输出12 脉波的整流变压器。并可以D（+7.5°）d0y11 配合D（-7.5°）d0y11组成24 脉波整流变压器。

2.1 电磁设计部分

采用了组合式双分裂绕组结构，高压线圈4 个绕组采用轴向排列后，器身布置更加紧凑，机械强度较原辐向排列结构大大提高。

经波过程电磁分析软件仿真分析，改进后结构在大气过电压下，绕组中的电位振荡大为降低，由原来电位幅值达到入波的约150%以上降低到入波的约115%，如图1 所示，降低了绝缘设计的难度。

经电磁场仿真软件进行器身的详细磁场仿真计算，绕组结构与布置改进后油箱中磁密有一定程度的增大，如图2 所示，右侧绕组磁通密度明显高于左侧绕组。

图1 高压移相绕组辐向/轴向分布A 相冲击电位振荡对比

图2 绕组磁通密度仿真云图

2.2 结构设计部分

器身中绕组采用高压轴向四绕组布置，单器身为12 脉波整流变压器[3]，在此基础上最终确定变压器的绕组形式、绝缘结构、引线连接、套管引出等设计方案。通过在高压侧移相+7.5°（联结组D（+7.5°）d0y11）配合高压侧移相-7.5°（联结组D（-7.5°）d0y11）组成输出24 脉波结构。

2.2.1 绕组

高压绕组为基本绕组和移相绕组组合的轴向分裂结构，端部辐向出线，绕组机械强度高；低压绕组为螺旋式，端部轴向出线，如图3 所示为线圈布置形式改进前后对比。

图3 改进前后线圈布置形式对比

2.2.2 铁心部分

铁心为三相三柱式结构，叠片采用不断轭三接缝结构。夹件采用平板式结构，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。铁心通过接地片与夹件连接，夹件通过垫脚接地。

2.2.3 器身绝缘

器身为轴向分裂结构：器身上部绕组排列从铁心向外依次为：铁心—低压绕组I—高压绕组I；器身下部绕组排列从铁心向外依次为：铁心-低压绕组II 和高压绕组II；器身绝缘有序套装。

2.2.4 引线

该产品接法为D（+7.5°）d0y11，高压引线均在器身外部连接，简化操作，移相绕组首尾头从组合绕组中部直接引出，避免了高压绕组引线在内部引出时的绝缘薄弱点。

2.2.5 油箱

采用桶式油箱结构，低压出线局部采用低磁钢板。箱体上备有吊攀、千斤顶支架、充油、排油和取油样的各种阀门。

2.2.6 总装

使用地海拔高度4 600 m，所有组件均选用耐高寒组件。高、低压采用瓷套管垂直引出，高压侧带组合式避雷器。变压器带小车，储油柜为胶囊储油柜，箱体带爬梯。

2.3 工艺制造部分

2.3.1 铁心部分

铁心夹件绝缘采用采用防轭铁窜片结构，注意安装方向。铁心叠装过程中严格控制铁心接缝，保证铁心接缝≤2 mm。

2.3.2 绕组部分

高压绕组（Ⅰ、Ⅱ）分为基本绕组+移相绕组，采用共柱结构。基本绕组为纠结连续式，移相绕组采用连续结构。绕组绕制过程中对电磁线进行自检，避免电磁线使用错误。

低压绕组（Ⅰ、Ⅱ）为双螺旋式结构。绕组出头排列方式不同，揻弯时要对电磁线进行调平，防止股间短路

2.3.3 绝缘部分

所有绝缘件均应黏牢，不得有裂缝和起层现象。铁轭绝缘、端圈上垫块均匀分布，位置偏差小于±2 mm，厚度偏差±1 mm。保证绝缘件清洁、干燥，转运时注意下铺上盖，尺寸小的绝缘件用塑料袋密封转运（如油隙垫块、异型垫块、层压垫块等）。

2.3.4 装配部分

器身为上下2 段结构，采用散套工艺，重点为套装工艺控制。

套装工艺控制。绕组压装干燥后，4 h 内套装并及时插铁。套装中重点保证上段与下段器身间的绝缘件的垂直度，垫块与撑条中心偏差小于4 mm。

器身入变压法干燥罐处理。产品出炉后执行一次装成工艺，为桶式油箱提前测量整器高度与油箱高度匹配提前做好准备工作，严格控制工艺时间。

3 产品研制的主要创新点

首先，采用组合式双分裂绕组结构。高压4 个绕组轴向排列，简化了器身与引线的结构，器身紧凑简洁。与高压绕组辐向布置相比，绕组的轴向排列可以使线圈首尾头就近连接，避免了引线过多交错带来的安全隐患，缩短了引线长度。

其次，高压移相绕组与基本绕组沿轴向排列。与辐向排列相比，降低了冲击电压下绕组端部的电位幅值，避免了冲击震荡，提高了绝缘裕度。高压绕组的轴向布置，电容分布更加合理，变压器在承受雷电冲击电压时的波过程冲击梯度平稳，冲击电位不会发生大的震荡。

再次，联结组采用D（+7.5°）d0y11，输出12 脉波。与D（-7.5°）d0y11 配合，组成24 脉波整流变器。变压器组成24 脉波的方式非常多，该项目产品充分考虑到了项目现场高海拔地区的安装环境、施工难度和运输环境，采用2 台12 脉波变压器组成24 脉波，缩小单台变压器的占地面积和运输重量。

最后，高压侧外置避雷器，提高防雷性能。受地形环境影响，高海拔地区遭受雷电灾害较多，变压器在内部绕组雷电冲击裕度保证的情况下，增加变压器外置避雷器，进一步增加了变压器的防雷性能。

4 结语

该项目35 kV 12 脉波移相整流变压器产品根据高海拔、多雷电地区的特殊要求设计制作，在绕组结构上进行了大胆创新，器身结构简洁，绝缘性能优越，提高了变压器整体机械可靠性和绝缘耐受能力。大容量、高电压、多脉波的紧凑型高压外延三角形移相整流变压器作为变频调速系统的主要部件，其安全性能尤为重要，通过对高压基本线圈与高压移相线圈对地绝缘强度和电容分布的改善，使得这一系列移相整流变压器产品的应用技术变得更加成熟。