鄢克勤
(中山ABB變壓器有限公司,廣東 中山 528449)
目前,整流變壓器在工廠負載和溫升試驗使用時正弦電壓和電流,但這并不能完全反應整流變壓器現(xiàn)場運行時的損耗和溫升熱點。實際上,在現(xiàn)場運行時,由于整流系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波影響及變壓器結(jié)構(gòu)型式的不同,繞組各個區(qū)域的損耗將有很大不同,直接導致局部溫度升高,對變壓器運行壽命產(chǎn)生極大影響,嚴重的甚至導致變壓器故障。本文對兩種典型整流變壓器結(jié)構(gòu)的諧波電流分布進行分析,并提出解決熱點問題的方法。
IEC61378-1及GB/T18494-1均介紹了考慮諧波電流的繞組總損耗的計算方法,這種計算方法是基于諧波電流在繞組中均勻分布的情況下。但是這種方法沒有考慮繞組各個部分的軸向和幅向漏磁分布不同,特別是端部磁場的彎曲,導致端部損耗較高,這是導致問題發(fā)生的根本原因。因此,需要通過電磁場有限元分析法進行準確分析。
圖1為典型六脈波的繞組排列圖,二次整流橋中電流均為近似矩形波,用傅立葉級數(shù)將其分解,得基波和一系列奇次諧波,而變壓器的D接繞組是3n次諧波電流的天然通路,所以電流波形諧波分量僅存在6n±1次(n=1,2,3,…)。圖2是高低壓繞組的諧波電流的分布示意圖,由于端部磁通的彎曲,低壓兩端安匝分布將明顯不同,通過ABB公司ACE有限元軟件進行漏磁分析。
圖1 繞組排列圖
圖2 諧波電流(1,5,7,11,13,17,19,23,25次)的損耗分布
由于高壓線圈是一個電流串聯(lián)的關(guān)系,將高壓繞組整體作為一個繞組,而低壓線圈是通過很多個線餅并聯(lián)起來提供大電流,所以低壓繞組每個回路單獨作為一個繞組,并且變壓器的漏磁場近似按二維似穩(wěn)場考慮,諧波電流漏磁分布如圖 3,可以看出在線圈端部磁力線發(fā)生明顯彎曲。由于低壓線圈是由很多個線圈回路并聯(lián)組成,所以漏磁分布不均勻會導致低壓線圈每個回路電流分布不均勻。
圖3 諧波電流分布
圖4為軸向分裂十二脈波的典型布置圖,低壓繞組為d和y接,諧波電流分布要分兩種情況,當6n±1次(n=2,4,6,…) 時,d接繞組和y接繞組的諧波電流相位一致,電流分布同六脈波整流變壓器,如圖6(a)安匝分布示意。但當 6n±1次(n=1,3,5,…) 時,d接繞組和y接繞組的諧波電流相位相反,低壓繞組安匝特別是兩低壓線圈的間隙處由于反向電流相互吸引,導致間隙處的磁場相對集中,中部兩繞組相交處磁通畸變。高壓上下繞組諧波電流各為額定諧波電流的70%左右,由于兩低壓線圈電流相差 180°,有約 30%諧波電流在兩低壓線圈相互平衡,此時兩低壓線圈間隙處的漏磁量為最大。如圖6(b)安匝分布示意。
圖4 整流電路原理圖
圖5 繞組排列圖
這種情況的諧波電流分布對變壓器局部損耗及熱點影響很大,決不能忽視。公司一臺產(chǎn)品容量600V、90kA、12脈波的印度整流變壓器,采用軸向分裂結(jié)構(gòu)如圖5所示。
典型的整流變諧波電流含量如表1 所示,從表中可以看出5,7次的諧波電流含量很高,特別是5次諧波電流的含量高達29.3%,這些諧波產(chǎn)生的附加損耗疊加在基本電流損耗上,會使線圈內(nèi)部產(chǎn)生意料之外的熱點,所以很有必要對這些諧波電流產(chǎn)生的損耗分布進行分析。
圖6 諧波電流的安匝分布
表1 典型整流變諧波含量
具體漏磁分析如圖7所示,可以明顯看出,在低壓兩個線圈的中間間隔處漏磁非常集中,這樣就導致間隔兩端的低壓線餅的損耗是線餅平均損耗的兩倍左右。通常來自電力變的認識是線圈熱點存在于線圈上端部,因為那里的頂油溫升高。但是這種結(jié)構(gòu)的變壓器經(jīng)過有限元分析后發(fā)現(xiàn),熱點存在于兩個線圈間隔處附近,這正是需要分析諧波電流損耗分布原因。如果不對間隔處附近的線餅進行特殊處理,會影響變壓器的正常壽命,甚至引起變壓器故障。
圖7 5,7,17,19,……電流分布圖
通過對漏磁場的具體分析,了解諧波電流的損耗分布,進而調(diào)整上下部線圈距離,改善諧波電流損耗分布,調(diào)整漏磁分布較大處的總損耗,局部熱點較大的采用耐熱溫度高的線匝絕緣以及調(diào)整此處油流分布,改善散熱能力可以很好地解決熱點問題。
綜上所述,當整流變壓器運行時,由于諧波的影響以及變壓器的結(jié)構(gòu)特點,諧波電流在繞組中并不會均勻分布,必然會導致局部損耗過高,從而產(chǎn)生局部熱點。但通過二維場的有限元分析,采取一些必要的措施,完全可以解決此問題,可以走出來自對普通電力變熱點分布的認識誤區(qū),避免由此帶來的變壓器壽命甚至故障等問題。