大型水電站勵(lì)磁變壓器設(shè)計(jì)方案分析

改造者：雷 涌

大型水電站勵(lì)磁變壓器設(shè)計(jì)方案分析

改造者：雷 涌

為滿足某大型水電站單機(jī)900MW水輪機(jī)組的運(yùn)行要求，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性，分析了水電站勵(lì)磁變主要技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)的確定方法，確定了勵(lì)磁變溫升試驗(yàn)參數(shù)，校驗(yàn)了勵(lì)磁變抗短路能力。

某大型水電站機(jī)組單機(jī)容量均為900MW，為了確保發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行，作為機(jī)組配套主要電力設(shè)備——?jiǎng)?lì)磁變壓器的可靠性，顯得尤為重要。本人所在公司有幸參與其勵(lì)磁變壓器的設(shè)計(jì)，根據(jù)其特點(diǎn)和水電站單機(jī)900MW水輪機(jī)組勵(lì)磁變壓器的實(shí)際運(yùn)行要求，詳細(xì)分析、研究勵(lì)磁變關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，確定勵(lì)磁變壓器的結(jié)構(gòu)。

勵(lì)磁變壓器基本參數(shù)的確定

發(fā)電機(jī)組基本參數(shù)

（1）發(fā)電機(jī)額定輸出電壓為：20kV；

（2）發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓：512.1V；

（3）發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流：4170.4A；

（4）勵(lì)磁變額定電壓：1.11kV；

（5）要求勵(lì)磁系統(tǒng)滿足發(fā)電機(jī)輸出最大容量900MVA，并且額定電壓下，功率因素為0.9的勵(lì)磁電流的1.1倍時(shí)，長期可靠運(yùn)行。

勵(lì)磁變基本參數(shù)的確定

勵(lì)磁變低壓側(cè)額定電流確定

根據(jù)水電站單機(jī)900MW水輪機(jī)組勵(lì)磁變壓器運(yùn)行條件，要求勵(lì)磁系統(tǒng)保證當(dāng)發(fā)電機(jī)在最大容量900MVA、額定電壓和功率因素為0.9的勵(lì)磁電流的1.1倍時(shí)，長期可靠運(yùn)行。根據(jù)GB/T 18494.1－2001工業(yè)用變流變壓器標(biāo)準(zhǔn)，三相六脈波橋式整流電路中閥側(cè)電流因數(shù)（即變壓器閥側(cè)電流的方均根值與直流電流的比值為）：0.816；

變壓器額定容量確定

因此，變壓器的單相（臺(tái)）容量取： 2500kVA

勵(lì)磁變溫升的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

根據(jù)IEC61378標(biāo)準(zhǔn)，整流變壓器在非正弦電流下的總損耗為：

總負(fù)載損耗PN=電阻損耗+繞組渦流損耗+引線損耗+雜散損耗（所有損耗都要基于基波和諧波）即：溫升試驗(yàn)電流=以上總負(fù)載損耗對應(yīng)的基波電流

諧波分析計(jì)算

諧波頻譜可按GB/T 3859.2－1993 的6.6.2 和6.6.4推導(dǎo)。

按標(biāo)準(zhǔn)，諧波最大含量如下表所示：

次數(shù)h 電流百分比Ih/I1 1 1 5 0.2 7 0.142857143 11 0.090909091 13 0.076923077 17 0.058823529 19 0.052631579 23 0.043478261 25 0.04 29 0.034482759 31 0.032258065

損耗系數(shù)計(jì)算

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式算得以下各損耗增加系數(shù)：

渦流損耗增加系數(shù)

雜散損耗增加系數(shù)

諧波下的溫升計(jì)算

（1）基波電流下的負(fù)載損耗值

①基波電阻損耗（120°，計(jì)算值）

②渦流損耗

③雜散損耗

基波電流下的總負(fù)載損耗（120°，計(jì)算值）為：

則可得連接線損耗與結(jié)構(gòu)件損耗之和為：

（2）諧波電流下的總負(fù)載損耗計(jì)算

（3）變壓器溫升試驗(yàn)時(shí)，模擬運(yùn)行工況所施加的工頻電流值

由上面的計(jì)算可以知道，額定非正弦電流下的負(fù)載損耗（120°時(shí)）為：

額定正弦電流下的負(fù)載損耗（120°時(shí)）為：PN1=14700W

確定等效負(fù)載損耗的基波工頻試驗(yàn)電流：

對變壓器進(jìn)行溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)電流按1.109倍額定電流考核。

（4）性能參數(shù)驗(yàn)證

該變壓器考慮諧波的影響，設(shè)計(jì)溫升為80K，變壓器樣機(jī)做溫升試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)電流按額定電流的1.109倍選取。

變壓器結(jié)構(gòu)的確定

由于本項(xiàng)目產(chǎn)品容量大，用三相獨(dú)立的變壓器組與一臺(tái)三相變壓器比較，有便于運(yùn)輸和減少備用容量的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用分相設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，與離相封閉母線配合，可以杜絕發(fā)電機(jī)出口相間短路的可能性，也能提高整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。二次側(cè)為電纜出線，一次側(cè)與離相封閉母線相聯(lián)。

線圈結(jié)構(gòu)

每臺(tái)單相勵(lì)磁變壓器包含一組（2個(gè)）高壓線圈和一組（2個(gè)）低壓線圈，每個(gè)線圈之間分別采用外部并聯(lián)連接，使得每個(gè)線圈內(nèi)導(dǎo)體流過的電流為額定電流的一半，簡化了設(shè)計(jì)和制造難度，產(chǎn)品的可靠性更易保證。

（1）高壓線圈

線圈采用優(yōu)質(zhì)電磁線繞制，導(dǎo)線表面采用C級(jí)絕緣材料，匝間、層間采用NOMEX絕緣材料。在真空下進(jìn)行環(huán)氧樹脂澆注。具有高機(jī)械強(qiáng)度、抗短路性能好等特點(diǎn)。內(nèi)部軸向設(shè)置散熱通道，降低線圈運(yùn)行溫升，保證線圈具有極強(qiáng)的抗短路性能及過載能力。

（2）低壓線圈

采用銅箔與絕緣材料緊密繞制，箔導(dǎo)體截面積大，安匝平衡性好，電流均勻，加上線圈和氣道的內(nèi)外壁、端部絕緣均為玻璃纖維纏繞，采用環(huán)氧樹脂真空澆注，最終形成一個(gè)堅(jiān)固的整體，保證線圈具有極強(qiáng)的抗短路性能及過載能力。

勵(lì)磁變壓器耐受短路能力

抗短路熱穩(wěn)定能力

根據(jù)GB1094.5－1985和IEC60076－5（2000）電力變壓器承受短路的能力計(jì)算溫升，忽略系統(tǒng)阻抗的影響：

其中：θ0=120℃（線圈的起始溫度）

（短路電流密度）

t=2s （承受短路電流持續(xù)時(shí)間）

θ2=250℃（協(xié)議要求線圈平均溫度最大允許值，國標(biāo)H級(jí)絕緣線圈平均溫度最大允許值為350℃）

抗短路熱穩(wěn)定能力

處于磁場中的載流導(dǎo)體將要承受機(jī)械力的作用，作用在繞組導(dǎo)線上的電磁力，在正常運(yùn)行條件下是不大的，但在短路條件下卻很大。短路時(shí)作用在導(dǎo)線上的總應(yīng)力應(yīng)小于導(dǎo)線材料的容許應(yīng)力，對于銅導(dǎo)線應(yīng)小于157MPa，才能滿足要求。

輻向短路電動(dòng)力計(jì)算

根據(jù)物理學(xué)的定理，電磁力的基本計(jì)算公式為：

在輻向力Fx的作用下在繞組內(nèi)所產(chǎn)生的切向拉力大小為：

式中Idmax－－－－最大短路電流幅值（即沖擊短路電流值），A；

最大短路電流幅值可按下列公式計(jì)算：

kI——為發(fā)生短路時(shí)的短路電流倍數(shù)（以額定電流IN為基準(zhǔn)）；

軸向短路電動(dòng)力計(jì)算

漏磁場在繞組端部將要發(fā)生畸變，除縱向分量外還產(chǎn)生橫向分量，橫向漏磁所產(chǎn)生的軸向力，將使內(nèi)外繞組產(chǎn)生彎曲變形，利用最大橫向漏磁組產(chǎn)生的軸向力，可計(jì)算導(dǎo)線最大彎曲應(yīng)力：

經(jīng)過計(jì)算，短路時(shí)，高、低壓繞組所受短路應(yīng)力大小如下表所示：

繞組 輻向應(yīng)力 軸向應(yīng)力 總應(yīng)力高壓MPa 28 33 61低壓MPa 16 1 17

從以上結(jié)果可知，其短路總應(yīng)力遠(yuǎn)小于銅線的容許應(yīng)力，滿足抗短路能力要求。

結(jié)束語

為保證大型水電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，詳細(xì)分析了勵(lì)磁變壓器各主要技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)出了勵(lì)磁變壓器合理可靠的方案。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及其他項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行情況，證明了本方案各方面性能完全可以滿足實(shí)際運(yùn)行要求。

雷 涌

海南金盤電氣有限公司

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.032