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小型机组励磁整流变压器的选型与计算
2006年6月16日 16:6   作者:彭少志 林敦

    摘要:整流变压器的选型和计算是发电机用户经常遇到的技术问题。由于小水电的特殊环境条件,经典理论计算公式的结果往往不符合实际,本文就此作一些探讨,提出一组简明的计算方法。本文的讨论基于如下的条件:400V低压同步发电机组,并网运行,三相晶闸管整流,基层用户使用的角度(用户向制造商提供订货数据,不涉及变压器制造的参数设计)

    关键词:干式整流变压器晶闸管整流励磁同步发电机小水电

    1.概述

    在小水电励磁设备的选型配套或维修升级的工作中,电站用户常常遇到整流变压器参数计算的问题。很多电工设计手册都提供了整流变压器的设计公式,但这些公式适用的是标准的应用条件,与小水电的实际运行环境有所差别,据此设计的变压器可能不太切合实际。同时小水电基层的专业技术人员也缺乏,用户通常觉得整流变压器的选型计算很困难。因此为基层用户提出一个简明计算方法是很有必要的。

    1.1整流方式的选择:目前低压机组基本上都采用自励式静止晶闸管励磁方式。其整流方式一般有三相全波半控整流和三相半波整流两种(图1).全波整流的变压器效率比较高(95%),波形比较好。半波整流的硅元件较少,但变压器二次绕组有直流电流通过,效率比较低(74%),波形畸变大,用在小于10kW的整流电路,不过一些早期设计的较大机组也是半波整流。两类整流方式的变压器计算公式有所不同。

    1.2整流变压器的形式:采用环氧干式变压器。容量一般在10-100kVA内,标称一次电压(网端)400V,二次电压(阀端)100V以内,电流100-300A内。由于容量比较小,与整流装置同置一个配电盘体内。整流变压器冷却方式是自冷,在盘侧不安装封闭板时,散热条件比较好。

    1.3绝缘等级与散热方式:小水电使用的干式环氧变压器的绝缘等级一般是B级,绝缘系统最高耐温为130℃,因此变压器满负荷工作时的外表温度有烫手是正常的。如果对变压器加以有效的强制风冷,其输出功率可以提高10%~30%。反之,如果变压器是工作在密封的配电箱里,散热条件不良,它的电流容量就必需降低10%或更多。

    1.4阻抗电压:在发电机的励磁系统中,有可能存在整流管击穿或直流回路短路等因素,故整流变压器的短路阻抗电压要比普通的变压器要高,以限制过大的短路电流。短路阻抗电压的参数由变压器制造厂设计,我们不作讨论,但用户在向厂家订货时必需要注明是晶闸管整流变压器。

    2接线组别

    整流变压器的接线组别必须与晶闸管整流控制要求的相位相配合。如果是新的设计,可以按以下原则来考虑。

    一般采用D,y11的方式,即网侧(一次)采用△接法,阀侧(二次)采用y接法。此接法的二次相电压比一次相电压在相位上落后30°。

    D,y11的接法同时适应三相半波和全波两种整流形式。如果现有的整流变压接线组别是Y,d11,那也可以使用,但不能用于三相半波整流。

    至于Y,y的接线组别就不推荐使用。我们知道三相可控整流产生的三次谐波电压非常高,可达基波值的50%以上,而变压器的D接法可以使其三次谐波磁通抵消,把影响降低到最小。但如果采用Y,y的接线组,整流电路产生的三次谐波的磁通无闭合回路不能抵消。过高的三次谐波会使电波形畸变过大,影响到变压器及发电机和其它仪表电器设备的正常运行。

    电站向厂商提出订货数据时,应说明清楚变压器的连接组别,一、二次电压(同时必需注明是相或线电压)。

    3一次线电压U1的选择

    小型机组的机端额定线电压是400V,但小型水电站一般都处于电网的远端,离变电站线路很长阻抗大。造成末端的网电压过高,尤其是在丰水期发电高峰时段,网电压(机端)往往高达460V以上。如果此时一次电压还是按照400V来设计,变压器就会承受过电压,使损耗增大,发热超标。

    整流变压器的铁损与其承受电压倍数比成4次方的关系,例如按400V设计的整流变压器,在1.2倍(480V)电压下运行时,其铁损的增加到(480/400)4=2.07倍。这些损耗最终都在变压器内转为热量,使变压器的温升大增。

    更有甚者,当电源电压超高到达一定程度后,变压器的铁心的磁通密度就会进入饱和区,使一次侧电流激增以致线圈烧毁。一些整流变压器的设计制造时由于成本的考虑,选取铁心的磁通密度Bm值偏高,而一次绕组的电压值仍然选取400V,故在网电压过高地区烧毁变压器的例子并不罕见。

    对此就应该适当加大一次绕组的电压值,以使网电压升高+20%变压器也能应付工作。一般变压器尚有5%的电压过载能力,故我们可用经验公式来选取一次侧绕组额定线电压值

    U1=0.95U1(MAX),

    式中,U1(MAX)是网电(折合到机端)的最高电压值.计算结果若小于400V则按400V选取。

    一次电压选取值增加后,二次电压也应该增加同样的比值,保持变压比不变,以维持励磁电压与机端电压相同比例地增减,因为发电机电压越高,需要的励磁功率就越大。

    提高一次电压的做法,等效于增加每伏圈数,都是为了降低变压器铁心的磁通密度。防止进入磁通密度曲线的饱和段。带来的好处还有降低了变压器的空载电流和铁损。

    当然这样也有些负面影响,因绕组圈数加多,使变压器内阻增大,电流损耗(损)略有增加,但对变压器的正常运行不构成什么影响。电压调整系数为n=U1/400

    简易计算时,可以通取U1=440V,能适应大多数电网条件(400V—470V)的要求。

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