大容量整流移相水冷变压器研发设计

2024-01-08管金超周正琪于爱梅

船电技术 2023年12期

关键词：充磁水冷铁心

管金超，周正琪，于爱梅，王菲

应用研究

大容量整流移相水冷变压器研发设计

管金超，周正琪，于爱梅，王菲

（泰州海田电气制造有限公司，江苏泰州 225300）

本文介绍了一种大容量整流移相水冷变压器的研发设计，采用2台同规格容量变压器分别移相±7.5°组合成24脉波的原理实现，变压器整体通过水冷控制系统达到降低温升提高过载能力的效果，并加入预充磁变压器等部件单元实现智能化控制功能，最后采用水冷变压器实例验证设计温升，为该类型变压器在船舶电力推进系统等工况下的使用提供参考。

整流移相水冷控制预充磁

0 引言

船用变压器为了防水及散热兼顾，防护等级一般不超过IP23，船舶正常航行所产生的振动、冲击、角度≤22.4°的摇摆和角度≤15°的倾斜，将对变压器的机械强度提出很高要求。由于海洋环境具有一定的腐蚀性，将对变压器整体的防腐蚀性能也提出很高的要求。一般船舱容积有限，对变压器的体积、重量也会提出苛刻的要求。船用变压器在船上运行使用过程中，只有所产生的热量及时散发出去，才能保证变压器的安全可靠运行。

对于以上特殊工况要求，以往干式变压器一般采用风冷装置对其进行散热降温，但对于船用变压器工作环境来说，其要求运行温度较低，尤其船舶电力推进系统要求短时过载能力强，若使用普通风冷装置，将无法满足使用要求，故研发设计出水冷船用变压器。

1 原理

1.1 整流移相原理

这种变压器网侧绕组分成上下两个支路并联联结，阀侧绕组沿轴向布置于同一铁心柱上，将其头尾各自采用y联结和d联结分别引出，这种阀侧绕组分裂为两个支路布置在同一铁心柱上的轴向双分裂结构的变压器可以使阀侧两个支路并联运同时各供一路三相桥式整流器。

阀侧绕组一组采用y联结，另一组采用d 联结，使它们的线电压有效值相等。变压器阀侧绕组同名端线电压的相位差为2π/l2（电角度为30°)，这就形成每周期含有12脉波的6相整流系统。如果有两台这样的变压器，一台移相+7.5°，另一台移相-7.5°，两台变压器组成一套移相变压器组，这就形成了12相24脉波的整流移相变压器，其阀侧同名端线电压的相位差是2π/24(电角度为15°）。

24脉波整流移相变压器由2台等容量，移相角度分别为+7.5°和-7.5°的整流移相变压器组合而成，网侧绕组H1与H1轴向上下对称布置，通过网侧D型连接线并联引出至网侧接线端。阀侧绕组L1与L2也轴向上下对称布置，上端为d接，下端为y接。整流移相原理，见图1。

图1 整流移相原理

1.2 水冷原理

干式变压器的铁心和绕组中产生的热量主要靠热传导、对流和辐射形式直接散发于周围的冷却介质（空气）中去。然而变压器容量越大，产生的热量越多，散热面积与容量的增加却不成正比关系。

干式变压器的散热主要是靠对流散热，对流散热分为自然对流和强迫对流，自然对流是使气体（空气）流过绕组（发热体）表面，在发热体与空气之间发生的热交换过程，即绕组表面周围的空气受热后，密度降低，空气上升。空气离去处，新的空气随即补充进去，这样就形成了冷却介质的循环。强迫对流时，当采用轴流风机或其它冷却系统来加速空气流动时，即可减小发热体表面空气不动层厚度，从而减小温差。此时空气的流速将明显影响换热的效果。而空气的密度、导热系数等，可以认为与常数与温度无关，变压器散热气道的几何条件可以用气道宽度和气道高度来反应。在用空气冷却的情况下，可用下列公式计算对流系数α。

平滑表面：α=5.7+4

式中-空气的流速，m/s。

1.3 预充磁原理

大型船舶电力系统中，连接高低压电网的整流变压器容量一般比较大，当变压器空载合闸投入电网运行时，铁心中磁通出现瞬时变化，由于铁心磁通的饱和以及铁心材料的非线性特性，励磁电流可能达到极高的数值，同时波形会产生严重的畸变，形成励磁涌流。变压器网侧绕组接在交流电源上，而阀侧绕组开路时绕组流过的电流为零，网侧绕组流过的电流称为励磁电流，该励磁电流流过网侧绕组产生主磁通。当变压器空载关合上口断路器时，由于合闸相位的随机性以及变压器剩磁的影响，使得铁心磁通迅速趋于饱和，从而产生幅值很大、频率很高的励磁涌流。因磁通在相位上滞后于电压90°，当变压器在电压过零点合闸时，铁心中磁通最大，甚至产生超过变压器额定电流8倍以上的峰值涌流。励磁涌流可能会导致变压器的保护误动作，大量的谐波更会使船舶电力系统电能质量下降、高次谐波还可能干扰船上的电子设备。

为了抑制变压器空载合闸时产生的励磁涌流，一般采用预充磁技术，整流变压器合闸前，先投入预充磁变压器对其进行预励磁，充磁一段时间以后(通常为几秒钟到几分钟，由预充磁变压器容量大小决定) 投入整流变压器，同时切除预充磁变压器。预充磁变压器及预充磁控制系统集成于壳体内，预充磁变压器容量为主变压器容量的1～2%，控制电缆通过填料函引出至预充磁控制系统端子箱，端子箱布置于风机下部，整体结构紧凑，布线简洁合理，可实现智能化控制，预充磁控制系统原理，见附图2。

图2 预充磁控制系统原理

图中零部件：KM:接触器、FR:继电器、T2:预充磁变压器、FU：熔断器、T1:整流移相变压器。

2 结构

2.1 变压器整体结构

该整流移相水冷变压器，包括铁心、网侧绕组H1、网侧绕组H2、阀侧绕组L1、阀侧绕组L2、夹件、拉板、绝缘垫块、网侧引线、阀侧引线、网侧接线铜排、阀侧接线铜排、底座、外壳、风机、冷却器、预充磁变压器、预充磁控制系统端子箱。网侧绕组H1、H2和阀侧绕组L1、L2分别轴向对称排列、并同心套装于铁心外，铁心由多层硅钢片叠装而成，网侧引线分别安装于上下三相网侧绕组H1、H2接线端，并最终并联引出至网侧接线铜排，阀侧引线分别安装于上下三相阀侧绕组接线端，上端为d接，下端为y接，中间通过扇形垫块隔离，并与铁心限位，最终分别引出至阀侧接线铜排，上下夹件夹紧铁心并通过拉板上下拉紧，绝缘垫块支撑网侧绕组和阀侧绕组，变压器本体及预充磁变压器安装于底座之上，风机、冷却器及预充磁控制系统端子箱侧装于变压器外壳，如图3。

图3 变压器整体结构

图中零部件：1.吊环、2.起吊螺杆、3.阀侧接线铜排、4.铁心、5.夹件、6.网侧接线铜排、7.绝缘垫块、8.拉板、9.接地屏、10.网侧绕组、11.阀侧绕组、12.扇形垫块、13.外壳、14.风机、15.预充磁控制系统端子箱、16.冷却器、17.预充磁变压器、18.漏水报警器、19.底座

2.2 铁心

铁心使用优质低损耗、低噪声冷轧晶粒取向硅钢片，铁心采用单片纵向7步进叠装工艺，铁心整体为无穿孔定位，心柱采用PET绑扎，铁轭采用拉带绑扎结构，降低空载损耗及噪音，保证铁心整体垂直度。

2.3 绕组

网侧绕组采用加填料环氧树脂真空一体化浇注成型，电磁线选用无氧铜，绕组固化一次成型，无需切割整形打磨处理，外表光滑简洁美观，网侧绕组H1与H2轴向上下对称同模绕制，接线端布置在网侧面板，分接头布置在阀侧面板，三角段绕组为多层4段中部调压，延边段绕组为多层端部调压,绕制简单，节省铁心窗口几何空间。绕组整体为瘦高型设计，增加与冷却空气的热对流和传导能力，网侧绕组与阀侧绕组之间增设一层接地屏，接地屏呈圆筒状，由铜带卷制而成，与阀侧绕组做到绝缘可靠，分别于上下端夹件完成可靠接地，减少网侧与阀侧的电磁干扰。

2.4 外壳、底座

外壳和底座采用先喷砂后喷漆工艺，环氧锌底漆2道+环氧云铁中漆2道+聚氨酯面漆2道，整体漆膜厚度不小于300 μm，变压器本体2道三防漆，使整体达到有效的防腐蚀保护。

外壳和底座分别为整体框架焊接结构，保证整体的机械强度及电气联通，夹件上部安装起吊螺杆与外壳连接，使外壳与变压器本体连成一个固定的整体，在船舶航行过程中保证变压器整体机械强度，使变压器本体、外壳、底座形成整体，达到抗震作用。

2.5 附件

系统增加温度传感器、水冷却装置、湿度控制器、加热器等控制告警元器件，整体实现智能化控制。

2.5.1温度传感器

温度传感器采用单片机技术，利用预埋在变压器绕组测温孔中的pt100铂电阻来测量绕组的温度并进行数字显示，提供绕组超温跳闸、绕组超温报警以及传感器故障显示报警并输出功能，还可以根据设定温度点自动启停风机对绕组进行风冷，有效地提高干式变压器运行的安全性、可靠性及使用寿命。同时产品还提供多种电脑通讯接头，可方便地与监控系统连接。

2.5.2水冷却装置

水冷却装置由水冷系统室、风机、热交换器组成。水冷系统室设有进出风口，热交换器设有进出水口，水冷却器配有漏水检测器。

风机采用低转速、高压力系数的设计，宽叶片、大弦长，使其在低速驱动的前提下，达到所需风量、风压的目的，具有效率高、噪声低、能耗省、运转平稳等特点。

热交换器是由一组波纹金属板组成，板上有两个角孔，供传热的液体通过。金属板片安装在一个侧面有固定板和活动压紧板的框架内，并用夹紧螺栓夹紧。板片上装有密封垫片将流体通道密封，并且引导流体交替地流至各自的流道内，形成热交换。

2.5.3湿度控制器

温湿度控制器也叫冷凝控制器，主要由传感器、控制器、加热器或风扇等三部分组成。传感器检测箱内的温湿度信息，传输给控制器进行分析处理。当箱内温湿度达到或超过预设值时，控制器内的继电器触点闭合，加热器或风扇通电开始工作，对箱体进行加热或吹风等操作。一段时间后，箱内温度或湿度远离设定值，控制器内继电器触点断开，加热或吹风停止。除基本功能外，不同型号还具有断线报警输出、传输输出、通讯、强制加热和吹风等辅助功能。