35kV 12脈波移相整流變壓器電磁與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭艷君 張亞杰

（1.保定天威集團(tuán)特變電氣有限公司，河北 保定 071056；2.河北省天然酯絕緣油變壓器技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071056）

1 項(xiàng)目背景

多脈波移相整流變壓器廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電壓等級(jí)一般為10 kV～35 kV，低壓側(cè)輸出脈波數(shù)以6 脈波和12 脈波為主，12 脈波整流變壓器高壓側(cè)經(jīng)移相后，2 臺(tái)可組成24 脈波輸出，大大降低整流裝置注入電網(wǎng)的諧波，提高電能質(zhì)量[1]。

該項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的35 kV 12 脈波整流變壓器，安裝地點(diǎn)位于海拔高達(dá)4 600 m 的西藏地區(qū)，外絕緣距離與變壓器溫升需要特殊考慮，同時(shí)，該地區(qū)運(yùn)行的變壓器遭受大氣過電壓概率大，需要對(duì)變壓器繞組進(jìn)行必要的保護(hù)。

目前國內(nèi)外市場(chǎng)上的35 kV 高壓外延三角形移相整流變壓器，基本繞組與高壓移相繞組都采用輻向排列方式，在雷電沖擊電壓下，高壓移相繞組尾端與高壓基本繞組首端連接處沖擊電位震蕩很大，絕緣性能不易保證，需要增大絕緣距離以保證絕緣強(qiáng)度[2]。為了解決上述技術(shù)問題，該項(xiàng)目通過技術(shù)研究與電磁仿真技術(shù)，將高壓基本繞組與移相繞組調(diào)整為軸向排列，經(jīng)仿真計(jì)算與測(cè)試，移相繞組尾端與基本繞組首端連接處的沖擊電位震蕩明顯下降，提高了絕緣可靠性，高壓移相繞組引線與其它繞組引線連接更加方便，器身的布置結(jié)構(gòu)更加緊湊合理，器身機(jī)械穩(wěn)定性得到提高。

2 產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計(jì)

針對(duì)項(xiàng)目技術(shù)協(xié)議中所需特點(diǎn)，研究采用合理的結(jié)構(gòu)滿足實(shí)現(xiàn)35 kV 高壓外延三角形移相，單器身輸出12 脈波的整流變壓器。并可以D（+7.5°）d0y11 配合D（-7.5°）d0y11組成24 脈波整流變壓器。

2.1 電磁設(shè)計(jì)部分

采用了組合式雙分裂繞組結(jié)構(gòu)，高壓線圈4 個(gè)繞組采用軸向排列后，器身布置更加緊湊，機(jī)械強(qiáng)度較原輻向排列結(jié)構(gòu)大大提高。

經(jīng)波過程電磁分析軟件仿真分析，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)在大氣過電壓下，繞組中的電位振蕩大為降低，由原來電位幅值達(dá)到入波的約150%以上降低到入波的約115%，如圖1 所示，降低了絕緣設(shè)計(jì)的難度。

經(jīng)電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行器身的詳細(xì)磁場(chǎng)仿真計(jì)算，繞組結(jié)構(gòu)與布置改進(jìn)后油箱中磁密有一定程度的增大，如圖2 所示，右側(cè)繞組磁通密度明顯高于左側(cè)繞組。

圖1 高壓移相繞組輻向/軸向分布A 相沖擊電位振蕩對(duì)比

圖2 繞組磁通密度仿真云圖

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分

器身中繞組采用高壓軸向四繞組布置，單器身為12 脈波整流變壓器[3]，在此基礎(chǔ)上最終確定變壓器的繞組形式、絕緣結(jié)構(gòu)、引線連接、套管引出等設(shè)計(jì)方案。通過在高壓側(cè)移相+7.5°（聯(lián)結(jié)組D（+7.5°）d0y11）配合高壓側(cè)移相-7.5°（聯(lián)結(jié)組D（-7.5°）d0y11）組成輸出24 脈波結(jié)構(gòu)。

2.2.1 繞組

高壓繞組為基本繞組和移相繞組組合的軸向分裂結(jié)構(gòu)，端部輻向出線，繞組機(jī)械強(qiáng)度高；低壓繞組為螺旋式，端部軸向出線，如圖3 所示為線圈布置形式改進(jìn)前后對(duì)比。

圖3 改進(jìn)前后線圈布置形式對(duì)比

2.2.2 鐵心部分

鐵心為三相三柱式結(jié)構(gòu)，疊片采用不斷軛三接縫結(jié)構(gòu)。夾件采用平板式結(jié)構(gòu)，上、下腹板通過拉板與心柱連成整體，保證鐵心整體的機(jī)械強(qiáng)度。鐵心通過兩側(cè)支架與箱蓋連接，既起到器身限位作用，也方便器身起吊。鐵心通過接地片與夾件連接，夾件通過墊腳接地。

2.2.3 器身絕緣

器身為軸向分裂結(jié)構(gòu)：器身上部繞組排列從鐵心向外依次為：鐵心—低壓繞組I—高壓繞組I；器身下部繞組排列從鐵心向外依次為：鐵心-低壓繞組II 和高壓繞組II；器身絕緣有序套裝。

2.2.4 引線

該產(chǎn)品接法為D（+7.5°）d0y11，高壓引線均在器身外部連接，簡(jiǎn)化操作，移相繞組首尾頭從組合繞組中部直接引出，避免了高壓繞組引線在內(nèi)部引出時(shí)的絕緣薄弱點(diǎn)。

2.2.5 油箱

采用桶式油箱結(jié)構(gòu)，低壓出線局部采用低磁鋼板。箱體上備有吊攀、千斤頂支架、充油、排油和取油樣的各種閥門。

2.2.6 總裝

使用地海拔高度4 600 m，所有組件均選用耐高寒組件。高、低壓采用瓷套管垂直引出，高壓側(cè)帶組合式避雷器。變壓器帶小車，儲(chǔ)油柜為膠囊儲(chǔ)油柜，箱體帶爬梯。

2.3 工藝制造部分

2.3.1 鐵心部分

鐵心夾件絕緣采用采用防軛鐵竄片結(jié)構(gòu)，注意安裝方向。鐵心疊裝過程中嚴(yán)格控制鐵心接縫，保證鐵心接縫≤2 mm。

2.3.2 繞組部分

高壓繞組（Ⅰ、Ⅱ）分為基本繞組+移相繞組，采用共柱結(jié)構(gòu)。基本繞組為糾結(jié)連續(xù)式，移相繞組采用連續(xù)結(jié)構(gòu)。繞組繞制過程中對(duì)電磁線進(jìn)行自檢，避免電磁線使用錯(cuò)誤。

低壓繞組（Ⅰ、Ⅱ）為雙螺旋式結(jié)構(gòu)。繞組出頭排列方式不同，揻彎時(shí)要對(duì)電磁線進(jìn)行調(diào)平，防止股間短路

2.3.3 絕緣部分

所有絕緣件均應(yīng)黏牢，不得有裂縫和起層現(xiàn)象。鐵軛絕緣、端圈上墊塊均勻分布，位置偏差小于±2 mm，厚度偏差±1 mm。保證絕緣件清潔、干燥，轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)注意下鋪上蓋，尺寸小的絕緣件用塑料袋密封轉(zhuǎn)運(yùn)（如油隙墊塊、異型墊塊、層壓墊塊等）。

2.3.4 裝配部分

器身為上下2 段結(jié)構(gòu)，采用散套工藝，重點(diǎn)為套裝工藝控制。

套裝工藝控制。繞組壓裝干燥后，4 h 內(nèi)套裝并及時(shí)插鐵。套裝中重點(diǎn)保證上段與下段器身間的絕緣件的垂直度，墊塊與撐條中心偏差小于4 mm。

器身入變壓法干燥罐處理。產(chǎn)品出爐后執(zhí)行一次裝成工藝，為桶式油箱提前測(cè)量整器高度與油箱高度匹配提前做好準(zhǔn)備工作，嚴(yán)格控制工藝時(shí)間。

3 產(chǎn)品研制的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

首先，采用組合式雙分裂繞組結(jié)構(gòu)。高壓4 個(gè)繞組軸向排列，簡(jiǎn)化了器身與引線的結(jié)構(gòu)，器身緊湊簡(jiǎn)潔。與高壓繞組輻向布置相比，繞組的軸向排列可以使線圈首尾頭就近連接，避免了引線過多交錯(cuò)帶來的安全隱患，縮短了引線長(zhǎng)度。

其次，高壓移相繞組與基本繞組沿軸向排列。與輻向排列相比，降低了沖擊電壓下繞組端部的電位幅值，避免了沖擊震蕩，提高了絕緣裕度。高壓繞組的軸向布置，電容分布更加合理，變壓器在承受雷電沖擊電壓時(shí)的波過程沖擊梯度平穩(wěn)，沖擊電位不會(huì)發(fā)生大的震蕩。

再次，聯(lián)結(jié)組采用D（+7.5°）d0y11，輸出12 脈波。與D（-7.5°）d0y11 配合，組成24 脈波整流變器。變壓器組成24 脈波的方式非常多，該項(xiàng)目產(chǎn)品充分考慮到了項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)高海拔地區(qū)的安裝環(huán)境、施工難度和運(yùn)輸環(huán)境，采用2 臺(tái)12 脈波變壓器組成24 脈波，縮小單臺(tái)變壓器的占地面積和運(yùn)輸重量。

最后，高壓側(cè)外置避雷器，提高防雷性能。受地形環(huán)境影響，高海拔地區(qū)遭受雷電災(zāi)害較多，變壓器在內(nèi)部繞組雷電沖擊裕度保證的情況下，增加變壓器外置避雷器，進(jìn)一步增加了變壓器的防雷性能。

4 結(jié)語

該項(xiàng)目35 kV 12 脈波移相整流變壓器產(chǎn)品根據(jù)高海拔、多雷電地區(qū)的特殊要求設(shè)計(jì)制作，在繞組結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了大膽創(chuàng)新，器身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，絕緣性能優(yōu)越，提高了變壓器整體機(jī)械可靠性和絕緣耐受能力。大容量、高電壓、多脈波的緊湊型高壓外延三角形移相整流變壓器作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要部件，其安全性能尤為重要，通過對(duì)高壓基本線圈與高壓移相線圈對(duì)地絕緣強(qiáng)度和電容分布的改善，使得這一系列移相整流變壓器產(chǎn)品的應(yīng)用技術(shù)變得更加成熟。