多路并联螺旋式绕组在大容量整流变压器中的应用
发布时间：2020-05-19
摘 要：该文介绍了5万kVA传动整流变压器低压绕组采用多路并联螺旋式绕组，与传统双饼式绕组对比的优点，通过研究，降低了大电流双饼式低压绕组端部线饼中的电流密度，有效解决大容量整流变压器由于支路电流分配不均衡导致的绕组局部线饼过热问题，提高产品的运行可靠性。
关键词：整流变压器;多路并联;螺旋式绕组
0 引言
用于变频调速领域的传动整流变压器，绕组排列通常有2种结构，容量较小的一般和普通电力变压器结构相同，即低压绕组放在内侧，高压绕组放在外侧。当低压侧电压低、电流大时，低压绕组通常要由多个并联支路组成，为了绕组引出线方便，通常采用高压绕组放在内侧，低压绕组放在外侧的结构，这时低压绕组一般采用多路并联双饼式绕组(简称双饼式绕组)。但双饼式绕组存在固有的缺点，在一些特殊要求的整流变压器产品上，低压绕组采用双饼式并不是最佳的选择。
1 大容量传动整流变压器低压绕组的型式选择
对于容量较大、电压较低的整流变压器和电炉变压器中，低压绕组一般匝数很少，双饼式绕组是最常用的结构。双饼式绕组由若干个并联的双饼单元构成，双饼单元数量可根据设计需要灵活调整。该文所述的大容量整流变压器，额定容量50 MVA，高压侧电压33 kV ，低压侧电压2.65 kV，绕组绝缘水平LI170 AC70/LI60 AC25。
由于低压绕组的绝缘水平较高，大大超过常规整流变压器低压绕组的试验电压，绝缘试验时，低压绕组每个双饼单元的线饼间要承受60 kV的雷电冲击电压，而且相邻的双饼单元间也同样要承受60 kV的雷电冲击电压，则双饼式绕组的每个饼间绝缘都要进行加强，造成低压绕组绝缘结构的复杂性增加。若单纯增加线饼间油道厚度，则绕组填充率降低，经济性变差。要降低相邻双饼单元间的电压，可以采用一半双饼单元左绕向，另一半双饼单元右绕向，交错放置的结构。这样，双饼单元与双饼单元间电位差为零，单元间的油道可以只考虑散热，但是相邻双饼单元的绕向不同，给绕组制造增加了难度，而且双饼单元自身饼间电压高的问题没有得到根本解决。
采用双饼式绕组，通过相关文献和电磁仿真分析可知，由于绕组端部横向漏磁的影响，各并联支路间电流分布不均匀，首末端第一个双饼单元的电流值很大，會达到绕组平均值的1.3～2倍，长期运行下，绕组端部线饼存在着低温过热的安全隐患，影响变压器的寿命。
根据以上分析，整流变压器低压绕组采用双饼式结构不是最佳选择，有必要另辟蹊径。通过多种方案的分析对比，提出了低压绕组采用多路并联螺旋式绕组的新思路。
2 双饼式绕组与多路螺旋式绕组的分析对比
多路并联螺旋式绕组结构采用多路并联螺旋式绕组，并联支路数较双饼式绕组大大减少，绕组端部横向漏磁对各支路电流的影响也显著降低，各支路间的电流分配趋于一致，由于支路电流分配不均衡导致的绕组局部线饼过热得以消除。为了更直观地对双饼式绕组和多路螺旋式绕组中电流分布进行对比，分别对双饼式绕组和多路螺旋式绕组进行了仿真，螺旋式绕组按实际方案采用4路并联结构。其中，高压绕组根据安匝分布设置了3个分区，低压绕组按实际的匝数和并联支路数。为节省计算机资源，采用了2D模型，分别建立了铁心窗口外模型和铁心窗口内模型，分别进行了仿真计算。
模型说明：铁心材料选用30Q120硅钢片，绕组材料采用无氧铜，油箱材料采用A3钢，由于绕组外部油箱和铁心的存在，模型边界只要包裹住油箱和铁心即可。
采用2D瞬态场求解，高压绕组加激励，低压绕组短路，求解后得到低压绕组各线饼中电流分布。
对于双饼式绕组，在铁心窗口外模型中，首末两端第一个双饼单元的电流达到绕组平均电流的约1.5倍。对于铁心窗口内的模型，由于铁轭对磁力线的吸引，首末两端第一个双饼单元的电流更大，达到绕组平均电流的1.65倍，仿真结果符合黄强的结论。
对于4路螺旋式绕组，窗口外模型的4个并联支路中，首末两端线饼中电流小于绕组平均电流，约为绕组平均电流的0.98倍。对于铁心窗口内模型，由于铁轭对磁力线的吸引，首末两端线饼中电流比铁心窗口外模型的要大，为绕组平均电流的1.005倍。综合铁心窗口外模型和铁心窗口内模型仿真结果可知，4路螺旋式绕组的各并联支路电流基本相等。
仿真结果说明，采用4路螺旋式绕组，各并联支路间电流分布均匀，可以解决传统双饼式绕组首末端第一个双饼单元电流大的问题。
因此，对该文所述50 MVA整流变压器，低压绕组采用4路并联双螺旋式绕组与常规结构的双饼式绕组相比，具有以下的优点：
a)饼间绝缘强度问题迎刃而解。在4路并联螺旋式绕组中，每个螺旋式绕组饼间油道正常工作时只承受一匝的工作电压，绝缘强度好。对于LI60 AC25的试验电压，只需要将4个并联支路间的3个油道尺寸适当加大即可解决，而双饼式绕组至少有一半的油道需要加大尺寸，因此，4路并联螺旋式绕组填充系数优于双饼式绕组。
b)端部线饼电流大的问题不再出现。双饼式绕组最大的问题在于各并联支路电流分配不均，绕组首末两端第一个双饼单元电流会达到绕组平均电流的1.3～2倍，极易导致该线饼处产生局部低温过热。如果不采取特殊措施，将大大影响变压器的使用寿命。而4路并联螺旋式绕组完全避免了上述问题。在4路并联螺旋式绕组结构下，两端支路的电流略小于中间两个支路的电流，绕组的热点温度会大大低于双饼式绕组的结构，避免了端部线饼过热的问题。
c)制造工艺性好，螺旋式绕组比双饼式绕组绕制更容易，操作方便，提高工作效率。
4 多路并联螺旋式绕组的实际应用
50 MVA大容量整流变压器的低压绕组最终选择采用4路并联双螺旋式绕组结构，产品顺利制造完成并通过了全部试验，各项技术指标与计算值吻合，表明低压绕组的结构改进是成功的。
在多路并联螺旋式绕组设计时，还要注意另一个问题，即每个支路自身导线间的换位要进行充分考虑。由于每个支路所处漏磁场位置不同，绕组中各并联导线的换位要分别考虑，中间支路可以按均匀换位方式，两端支路应充分考虑端部漏磁场的影响，绕组两端换位区应适当加大，避免并联导线间产生大的环流，这一点可参考相关文献，该文不再赘述。
5 结语
大容量整流变压器，低压绕组匝数较多或绝缘水平较高时，采用双饼式绕组既不经济，绝缘可靠性也相对较差。该文提出大容量整流变压器低压绕组采用多路并联螺旋式绕组，提高了绕组的绝缘可靠性，绕组填充系数高，经济性好，同时避免了双饼式绕组端部线饼电流大、低温过热的缺点，且制造工艺性好，值得在相关产品中推广使用。
多路并联螺旋式绕组在大容量整流变压器中的应用相关期刊推荐：《当代电力文化》(月刊)创刊于2013年，杂志是中国电力政研会会刊，由中国电力企业联合会主管、中国电力职工思想政治工作研究会主办。主要读者对象为电力政研会会员单位及广大电力企业的中高层管理人员、政工干部、理论研究者;国家部委及地方党委、政府部门党建思想政治工作与企业文化建设方面领导;以及其他行业企业中高层管理人员;国外驻华使领馆商务代表、商会团体、投资经贸组织机构代表。
