多晶硅還原爐用干式變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

創(chuàng)新者：雷 涌

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多晶硅還原爐用干式變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

創(chuàng)新者：雷 涌

能源危機(jī)下，光伏發(fā)電成為一種新型的清潔可再生能源，而為光伏發(fā)電提供原材料的多晶硅生產(chǎn)設(shè)備一直依賴(lài)進(jìn)口，本司作為專(zhuān)業(yè)干式變壓器生產(chǎn)企業(yè)，成功開(kāi)發(fā)出新型多晶硅還原爐用干式變壓器，打破該設(shè)備的進(jìn)口局面。

能源危機(jī)下，光伏發(fā)電作為新一代清潔能源，在整個(gè)世界上越來(lái)越多的得到廣泛應(yīng)用，而作為光伏發(fā)電的主要材料之一的太陽(yáng)能光伏板，在生產(chǎn)過(guò)程中需要大量的多晶硅作為原材料，因此，越來(lái)越多的企業(yè)掌握市場(chǎng)先機(jī)，開(kāi)始生產(chǎn)多晶硅。

而為多晶硅生產(chǎn)設(shè)備提供電源的整流變壓器一直以來(lái)都依賴(lài)進(jìn)口，為打破這種局面，并提高民族品牌在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，我公司研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)了多晶硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)用專(zhuān)用干式變壓器，為促進(jìn)清潔能源開(kāi)發(fā)和利用做出了貢獻(xiàn)。

多晶硅還原爐用干式變壓器工作特征

還原爐變壓器低壓側(cè)通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)角來(lái)改變負(fù)載電流大小（如上圖）。

圖中波形為負(fù)載上的得到的電壓的波形，實(shí)線波形表示該檔位開(kāi)通，虛線波形均表示對(duì)應(yīng)的變壓器檔位被關(guān)斷。

變壓器運(yùn)行時(shí)，在任意一個(gè)周波內(nèi)，電壓相鄰的兩個(gè)檔位均有可能同時(shí)運(yùn)行。在任意的半個(gè)周波內(nèi)，同時(shí)運(yùn)行的兩檔電壓的開(kāi)通角度之和始終等于180°。另外，U1抽頭有可能獨(dú)立移相運(yùn)行。

還原變壓器的運(yùn)行過(guò)程中，由于各相的硅棒生長(zhǎng)速度有可能不一致，就會(huì)導(dǎo)致三相長(zhǎng)時(shí)間的不平衡運(yùn)行，甚至有可能缺相運(yùn)行。因此，變壓器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮到變壓器的上述運(yùn)行特點(diǎn)。

針對(duì)上述特點(diǎn)，還原爐用變壓器具體要求如下

變壓器原邊繞組為三相三角形聯(lián)結(jié)。

副邊繞組為多個(gè)相互絕緣的獨(dú)立繞組，且每個(gè)繞組出多個(gè)電壓抽頭，每個(gè)抽頭電壓、電流均不同。

使用過(guò)程中要求變壓器具有良好的抗短路能力和抗系統(tǒng)電源諧波能力。

多容量段輸出，在還原爐工作中，隨著硅棒的長(zhǎng)大，電阻由大變小，需要的電壓也由高到底，電流由小變大。在整個(gè)工作過(guò)程中，變壓器需要輸出的電流從200多安增到幾千安；電壓從2000多伏降低到兩百多伏。副邊繞組參數(shù)如下表所示。

從上表中可以看出，各個(gè)獨(dú)立的線圈必須滿(mǎn)足檔位由高到低時(shí)，電壓由高到低，電流由小到大。各檔位輸出容量也有不同。

下面以為某多晶硅生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的容量為9500 kVA多晶硅還原爐用干式變壓器為例，說(shuō)明其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

變壓器運(yùn)行方式和結(jié)構(gòu)：

此臺(tái)9500kVA多晶硅還原爐用干式變壓器一次為三角形聯(lián)結(jié)，一次電壓10kV。二次繞組為三個(gè)相互絕緣的線圈，每個(gè)二次繞組有5個(gè)抽頭輸出。其工作方式：三個(gè)二次線圈工作情況相同，首先是a5抽頭單獨(dú)工作，然后a4和a5同時(shí)工作，再是a4單獨(dú)工作，以此類(lèi)推，最后是a1單獨(dú)工作。

根據(jù)以上運(yùn)行方式，線圈設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下：

多晶硅還原爐用干式變壓器工藝特點(diǎn)

變壓器多容量段輸出，低壓電流大，匝數(shù)少、電壓抽頭多、變比誤差大，要滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和用戶(hù)對(duì)電壓的要求，需要合理的計(jì)算匝數(shù)。

低壓各個(gè)抽頭容量不一樣 ，電流不一樣，在磁場(chǎng)中的位置也不一樣，需合理布置繞組在磁場(chǎng)中的位置。

渦流損耗小、散熱性能好、阻抗平衡好：低壓最大電流（最小電壓）繞組（0和1抽頭）分布在外側(cè)（靠近高壓繞組側(cè)），由外向內(nèi)依次排布。不運(yùn)行的繞組通過(guò)精確計(jì)算及樣品實(shí)驗(yàn)，雙重保證基準(zhǔn)檔位的阻抗，其他檔位阻抗基于實(shí)際運(yùn)行容量，充分滿(mǎn)足用戶(hù)的各種要求。由于負(fù)載不穩(wěn)定，變壓器必需具備承受長(zhǎng)期的過(guò)載、過(guò)壓及較大的諧波電流的能力，而且由于硅棒倒棒的原因，所以同時(shí)還具有良好的抗突發(fā)短路能力。

機(jī)械強(qiáng)度高、耐受電壓的能力強(qiáng)：高壓線圈導(dǎo)線表面可采用H級(jí)或C級(jí)絕緣材料作為導(dǎo)體絕緣，匝間、層間采用同樣的絕緣材料做絕緣加強(qiáng)。

繞組安匝不平衡小，抗短路能力強(qiáng)：由于低壓電流大，低壓繞組采用德國(guó)MKM公司高純度圓邊銅箔與絕緣材料緊密繞制 ，箔式繞組無(wú)螺旋角，橫向漏磁小。同時(shí)，高壓繞組多處出分接，橫向漏磁小，橫向渦流損耗小。（軸向電動(dòng)力跟橫向漏磁成正比）

經(jīng)過(guò)各種結(jié)構(gòu)比對(duì)，采用目前方案，使產(chǎn)品成本與同容量的普通干式變壓器幾乎沒(méi)什么增加，并且各項(xiàng)性能最優(yōu)，如下圖所示。

由于多晶硅還原爐用干式變壓器后面的負(fù)載為調(diào)功柜，低壓側(cè)會(huì)有大量的諧波，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮其諧波的影響；而且在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)載情況。綜合以上要點(diǎn)，制造時(shí)把優(yōu)質(zhì)高牌號(hào)原材料作為了首選材料。

鐵芯采用進(jìn)口高導(dǎo)磁晶粒取向硅鋼片，該硅片具有單位鐵芯損耗低的特點(diǎn)，50HZ/1.7T時(shí)，單位鐵損<1.2W/ kg，與國(guó)產(chǎn)硅鋼片相比低10%左右，硅鋼片材質(zhì)均勻，每卷的任一段損耗基本無(wú)變化。 對(duì)于通常的配電變壓器，根據(jù)容量大小的不同，一般磁密選取在1.5～1.6T左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該牌號(hào)硅鋼片的磁飽和點(diǎn)2.04T，損耗低，在制造鐵心時(shí)，我們采用先進(jìn)的加工工藝： 1）采用45度全斜剪切；2）芯柱和軛鐵接縫處采用五步制進(jìn)疊結(jié)構(gòu)；3）芯柱不沖孔、PET帶（聚酯纖維帶）綁扎。該工藝與普通的三步制進(jìn)疊相比，由于有效地改善了接縫處的磁場(chǎng)分布，從而有效地降低了空載電流和空載損耗。

變壓器高壓線圈在德國(guó)進(jìn)口STOLLBERG公司全自動(dòng)繞線機(jī)上繞制，其具有自動(dòng)排線，自動(dòng)計(jì)算，恒張力控制等功能。該設(shè)備與同類(lèi)型半自動(dòng)繞線機(jī)相比，可以根據(jù)導(dǎo)線的線徑大小、線圈的直徑大小等等基本參數(shù)來(lái)自動(dòng)選取導(dǎo)線的繞制張力及每分鐘的繞制轉(zhuǎn)數(shù)，保證整個(gè)線圈的張力均勻，不會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)松或過(guò)緊情況，也不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)槔@制張力過(guò)大而導(dǎo)致變壓器導(dǎo)線的截面被拉小（長(zhǎng)度被拉長(zhǎng)）的情況發(fā)生（變壓器的損耗與導(dǎo)線截面成反比，如果截面變小，變壓器的總損耗就會(huì)增加）。

低壓線圈采用德國(guó)MKM公司進(jìn)口圓邊銅箔繞制，層間采用H級(jí)材料作為絕緣，繞制完成后，在固化爐中高溫固化成型。該種絕緣材料表面的預(yù)浸樹(shù)脂為半固化樹(shù)脂，在常溫下呈現(xiàn)固態(tài)形式，待繞制完成，送入固化爐后，吸附在絕緣材料表面的半固化樹(shù)脂在140℃重新液化，將銅箔與絕緣材料粘接在一起，并在150℃的溫度下再次固化，將樹(shù)脂、絕緣材料與銅箔牢固地固化成為一個(gè)剛性整體，并且此過(guò)程不可逆轉(zhuǎn)，線圈固化成型后，即使加再高溫度，樹(shù)脂仍然不再能轉(zhuǎn)化成液態(tài)。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)各項(xiàng)工藝措施和試驗(yàn)驗(yàn)證，我公司生產(chǎn)的多晶硅還原爐用干式變壓器各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足用戶(hù)要求，已發(fā)貨的產(chǎn)品運(yùn)行情況良好，進(jìn)一步證明我司的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，產(chǎn)品工藝符合該系列變壓器的生產(chǎn)。

雷 涌

海南金盤(pán)電氣有限公司

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.027