變壓器選型管理論文

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摘要：整流變壓器的選型和計算是發電機用戶經常遇到的技術問題。由于小水電的特殊環境條件，經典理論計算公式的結果往往不符合實際，本文就此作一些探討，提出一組簡明的計算方法。本文的討論基于如下的條件：400V低壓同步發電機組，并網運行，三相晶閘管整流，基層用戶使用的角度（用戶向制造商提供訂貨數據，不涉及變壓器制造的參數設計）

關鍵詞：干式整流變壓器晶閘管整流勵磁同步發電機小水電

1.概述

在小水電勵磁設備的選型配套或維修升級的工作中，電站用戶常常遇到整流變壓器參數計算的問題。很多電工設計手冊都提供了整流變壓器的設計公式，但這些公式適用的是標準的應用條件，與小水電的實際運行環境有所差別，據此設計的變壓器可能不太切合實際。同時小水電基層的專業技術人員也缺乏，用戶通常覺得整流變壓器的選型計算很困難。因此為基層用戶提出一個簡明計算方法是很有必要的。

1.1整流方式的選擇：目前低壓機組基本上都采用自勵式靜止晶閘管勵磁方式。其整流方式一般有三相全波半控整流和三相半波整流兩種。全波整流的變壓器效率比較高（95％），波形比較好。半波整流的硅元件較少，但變壓器二次繞組有直流電流通過，效率比較低（74％），波形畸變大，用在小于10kW的整流電路，不過一些早期設計的較大機組也是半波整流。兩類整流方式的變壓器計算公式有所不同。

1.2整流變壓器的形式：采用環氧干式變壓器。容量一般在10－100kVA內，標稱一次電壓（網端）400V，二次電壓（閥端）100V以內，電流100－300A內。由于容量比較小，與整流裝置同置一個配電盤體內。整流變壓器冷卻方式是自冷，在盤側不安裝封閉板時，散熱條件比較好。

1.3絕緣等級與散熱方式：小水電使用的干式環氧變壓器的絕緣等級一般是B級，絕緣系統最高耐溫為130℃，因此變壓器滿負荷工作時的外表溫度有燙手是正常的。如果對變壓器加以有效的強制風冷，其輸出功率可以提高10％～30％。反之，如果變壓器是工作在密封的配電箱里，散熱條件不良，它的電流容量就必需降低10％或更多。

1.4阻抗電壓：在發電機的勵磁系統中，有可能存在整流管擊穿或直流回路短路等因素，故整流變壓器的短路阻抗電壓要比普通的變壓器要高，以限制過大的短路電流。短路阻抗電壓的參數由變壓器制造廠設計，我們不作討論，但用戶在向廠家訂貨時必需要注明是晶閘管整流變壓器。

2、接線組別

整流變壓器的接線組別必須與晶閘管整流控制要求的相位相配合。如果是新的設計，可以按以下原則來考慮。

一般采用D，y11的方式，即網側（一次）采用△接法，閥側（二次）采用y接法。此接法的二次相電壓比一次相電壓在相位上落后30°。

D，y11的接法同時適應三相半波和全波兩種整流形式。如果現有的整流變壓接線組別是Y，d11，那也可以使用，但不能用于三相半波整流。

至于Y，y的接線組別就不推薦使用。我們知道三相可控整流產生的三次諧波電壓非常高，可達基波值的50%以上，而變壓器的D接法可以使其三次諧波磁通抵消，把影響降低到最小。但如果采用Y，y的接線組，整流電路產生的三次諧波的磁通無閉合回路不能抵消。過高的三次諧波會使電波形畸變過大，影響到變壓器及發電機和其它儀表電器設備的正常運行。

電站向廠商提出訂貨數據時，應說明清楚變壓器的連接組別，一、二次電壓（同時必需注明是相或線電壓）。

3、一次線電壓U1的選擇

小型機組的機端額定線電壓是400V，但小型水電站一般都處于電網的遠端，離變電站線路很長阻抗大。造成末端的網電壓過高，尤其是在豐水期發電高峰時段，網電壓（機端）往往高達460V以上。如果此時一次電壓還是按照400V來設計，變壓器就會承受過電壓，使損耗增大，發熱超標。

整流變壓器的鐵損與其承受電壓倍數比成4次方的關系，例如按400V設計的整流變壓器，在1.2倍（480V）電壓下運行時，其鐵損的增加到（480/400）4=2.07倍。這些損耗最終都在變壓器內轉為熱量，使變壓器的溫升大增。

更有甚者，當電源電壓超高到達一定程度后，變壓器的鐵心的磁通密度就會進入飽和區，使一次側電流激增以致線圈燒毀。一些整流變壓器的設計制造時由于成本的考慮，選取鐵心的磁通密度Bm值偏高，而一次繞組的電壓值仍然選取400V，故在網電壓過高地區燒毀變壓器的例子并不罕見。

對此就應該適當加大一次繞組的電壓值，以使網電壓升高＋20%變壓器也能應付工作。一般變壓器尚有5%的電壓過載能力，故我們可用經驗公式來選取一次側繞組額定線電壓值

U1=0.95U1（MAX），

式中，U1（MAX）是網電（折合到機端）的最高電壓值。計算結果若小于400V則按400V選取。

一次電壓選取值增加后，二次電壓也應該增加同樣的比值，保持變壓比不變，以維持勵磁電壓與機端電壓相同比例地增減，因為發電機電壓越高，需要的勵磁功率就越大。

提高一次電壓的做法，等效于增加每伏圈數，都是為了降低變壓器鐵心的磁通密度。防止進入磁通密度曲線的飽和段。帶來的好處還有降低了變壓器的空載電流和鐵損。

當然這樣也有些負面影響，因繞組圈數加多，使變壓器內阻增大，電流損耗（銅損）略有增加，但對變壓器的正常運行不構成什么影響。電壓調整系數為n＝U1/400

簡易計算時，可以通取U1=440V，能適應大多數電網條件（400V-470V）的要求。

4、二次電壓U2的計算

二次電壓的選取值關系到勵磁系統的頂值（強勵）電壓，最大勵磁電流、晶閘管導通角和諧波失真、整流電路的功率因數等等。

按有關規范，勵磁電路要提供1.6～1.8倍的強勵電壓，即變壓器的二次電壓需是額定值的1.6～1.8倍。但是實際上，我國的小水電機組很少有自成孤立電網運行的，絕大部分都是并入大電網售電運行，沒有向電網提供強勵功率的需要和能力——須知大電網容量極大，單個小水電機組的對它的影響是微不足道的。

如果按提高1.6～1.8倍的數值來選取二次電壓，整流電壓就比較高，晶閘管整流系統勵磁時長期處于被深控的狀態，晶閘管的導通角小，波形畸變增大，功率因數變差，故障的短路電流變大，這些因素都對變壓器和機組設備運行不利。同時在相同的變壓器功率容量下，電壓高了必然導致電流降低，線圈繞組的導線截面積下降，電流損耗也增大。

根據我們的經驗，選擇最大整流電壓為額定勵磁電壓的1.3倍就比較適中，除了處理避免上述電壓過高的缺點以外，也保留了一定的整流功率裕量，適應了運行條件變化的要求。