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整流变综合培训教材
整流变压器培训教材
2003年3月5日
第一篇历史与发展
第二篇特点与分类3
第三篇设计与制造5
第四篇整流原理及整流变压器设计9
第五篇应用与选型14
第六篇变压器工艺流程17
第七篇变压器试验19
第八篇运输、保管、安装40
第九篇运行维护及故障处理42
参考文献
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干式电力变压器负载导则
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电力变压器绝缘水平和绝缘试验外绝缘的空气间隙
第一篇历史与发展
电力的发现是人类科技发展史上的一个里程碑,从某种意义上说,电力的开发和应用是现代社会科技
进步的基石,电力的传输是电力开发应用中不可或缺的一环,变压器又是电力传输中重要的组成部分。
世界上第一台变压器诞生于1876年,其结构非常简单,采用空气绝缘。
1885年匈牙利制造成功了现代意义上的具有闭合磁路的空气绝缘变压器,变压器的发展和应用进入了高速发展时期,变压器行业的发展朝着更高电压、更大容量的方向前进。
1912年,油浸变压器诞生了,它较好地解决了变压器高电压的绝缘问题和大容量的散热问题,迅速成为变压器领域的主流产品,直至今天,都得到了广泛的应用。
传统的油浸式变压器的绝缘介质-变压器油是解决变压器绝缘和散热问题的关键所在,但它也有先天不足:
易燃烧甚至爆炸、需定期检查并更换、变压器可能污染环境等缺陷。
随着城市建设的发展和人们对安全要求的提高,油浸变压器已不能适合高要求应用场合的需要,环氧树脂绝缘干式变压器便应运而生。
1965年德国T.U公司生产了第一台环氧树脂绝缘干式变压器,采用铝导体线圈,外层以环氧树脂做绝缘,解决了空气绝缘干式变压器绝缘强度不高的问题。
环氧树脂是一种不燃的固体绝缘材料,这样的干式变压器具有绝缘强度高、不会燃烧爆炸、无需保养维修、环保等优点,在世界范围尤其是欧洲迅速得到了广泛的应用。
在短短的三十年中,环氧树脂绝缘干式变压器在技术、工艺和材料上不断进步,成为变压器家族中非常重要的分支。
现在的环氧树脂绝缘干式变压器大多采用铜导体线圈,以绝缘等级芳级或H级的树脂真空浇注而成。
在降低损耗、减小噪音、提高可靠性、增大单台容量等方面不断取得新的进展。
今天,在城市建筑、交通、能源、化工等多种场所,环氧树脂绝缘干式变压器的的应用已经相当广泛和普遍,由于不同使用技术的要求,环氧树脂绝缘干式变压器又发展出配电变压器、电力变压器、隔离变压器、整流变压器、电炉变压器、励磁变压器、牵引整流变压器等种类。
我国在70年代已引进了环氧树脂绝缘干式变压器生产技术,但技术发展和应用非常缓慢,到80年代末90年代初,随着新的干式变压器生产技术工艺的引进和国民经济的迅速发展,人民生活的大幅提高,干式变压器的应用迅速普及,国内干式变压器技术的发展也从消化吸收走向自我开发并达到国际先进水平。
至今,国内干式变压器的生产规模已位居世界第一,不少生产厂的产品技术水平和开发能力已经进入国际先进行列。
“更安全、更洁净、更高效”已经成为我们生活要求的一部分,环氧树脂绝缘干式变压器的产生和应用正反映了人们的这一要求,干式变压器的发展也正是适应这一要求的不断提高。
第二篇分类与特点
干变是防灾型变压器用量最大的一种。
目前制造技术已成熟,国内外许多工厂能大批量生产。
国内外产量最大的工厂干式变压器年生产量已分别超过3OOOMVA国外)和2OOOMVA国内)。
它适应高污秽、高温、潮湿的环境,具有阻燃、难燃、无公害、免维护等的优点,因而用量很大。
目前,干式变压器最高电压等级已达35kV最大容量为20MVA一、干式变压器的分类
1浸渍式干式变压器
该种变压器生产历史最长,制造工艺也比较简单。
导线采用玻璃丝包,垫块用相应的绝缘等级材料热压成型。
随浸渍漆的不同,变压器绝缘等级分为B、F、HC级,主纵绝缘的空道全部以空气为绝缘物质。
由于此种变压器受外界环境的影响比树脂大,在国内外产量均趋于减少。
2树脂干式变压器
树脂干式变压器分为4种结构:
树脂加填料浇注、树脂浇注、树脂绕包、树脂真空压力浸渍。
虽然采用的设备投资大,但安装、维护费用低。
2.1.树脂浇注与树脂加填料浇注结构
这两种结构基本一样,其低压绕组用箔板(铜或铝)或线绕制(浸漆加端封),高压绕组用箔带(铜或铝)在环氧玻璃筒上绕成分段式(8-12段),或用扁、圆线绕成分段圆筒式,然后装入浇注模。
2.2.树脂绕包结构
低压绕组结构与前种结构一样。
高压绕组在绕线机上进行,内模为环氧玻璃纤维布筒。
这种结构的优点是不需要浇注模。
用此结构绕一个高压绕组需8h,与绕制浇注式高压绕组的分段圆筒式结构所需的时间大体相同,而绕制一个高压箔绕仅需2h。
目前国内该型产品成本为树脂加填料产品的1.25倍左右。
2.3.树脂真空压力浸渍结构
低压绕组结构与上述结构一样。
高压绕组在绕线机上绕好并预压和预干燥后,放入浇注罐中抽真空处理。
在真空下注入树脂,使其渗入于导体中,整个绕组被树脂包裹,然后解除真空并并施压,使树脂很好地渗入绕组之中,而后将绕组送入炉中处理。
这种工艺结构如图4所示。
其优点是无须浇注模,绕制与前几种一样,只是需真空压力浸渍,这是近年来发展的一种新技术,是与国外真空压力浸渍套管(代替胶纸、油纸套管)同时开发的产品,应该是有前途的,只是迄今国内未开发。
二、树脂浇注式干式变压器的特点
1.无油、无污染、难燃阻燃、自熄防火。
2.绝缘温升等级高:
F级绝缘,变压器温升可达100K
3.损耗低、效率高:
SC(B)9系列损耗比现行新国标(GB/T10228降低10%。
4.噪声小:
SC(B)9系列配电变压器通常可控制在50dB以下。
5.局部放电量小(通常10PC以下),可靠性高,可保证长期安全运行,寿命达30年。
6.抗裂、抗温度变化,机械强度高,抗突发短路能力强。
7.防潮性能好,可在100%湿度下正常运行,停运后不需干燥处理即可投入运行。
8.体积小、重量轻,据有关人士统计,油变的外形尺寸为干变的2倍多。
9.不需单独的变压器室,不需吊芯检修及承重梁,节约土建占地和占空;因无油,不会产生有毒气体,不会对环境造成污染,不要集油坑等附属建筑,减少了土建造价。
10.安装便捷,无须调试,几乎不需维护;无须更换和检查油料,运行维护成本低。
11.配备有完善的温度保护控制系统,为变压器安全运行提供可靠保障。
从低噪、节能、防火、节省土建造价、运行维护管理费以及长达30年的寿命等综合技术经济性能比较,干式变压器显现出其明显的优越性。
第三篇设计与制造
干式变压器结构
具有无油、免维修、难燃防火、环保等优点的干式变压器一般由线圈绕组,铁心,器身及其它辅件组成,下以环氧树脂浇注干式变压器为例介绍干式变压器的结构特点:
1.线圈部分
干式变压器的绕组结构基本上与油浸式变压器相同,多采用圆筒式,较大容量的干式变压器绕组可采用饼式。
干式变压器在绕组外加上非油绝缘介质,以增加线圈的绝缘性能,环氧树脂浇注干式变压器就是用环氧树脂为绝缘材料,以浇注的方式与绕组一起固化,从而减少变压器线圈的体积。
2.铁心及器身部分干式变压器的铁心除了作为主磁通的通道外,还作为变压器线圈,器身及其他组件的主要支撑件,所以铁心一方面是通过多片硅钢片叠片,减少涡流损耗,另一方面利用紧固件,支撑件增加铁心的强度和刚度,同时也减少铁心噪音的产生。
一台干式变压器,最基本的结构,除了线圈绕组和铁心以外,还要有器身部分,它主要包括出线端子,变压器底座以及接地结构等。
以方便用户安装和固定,保证用户的使用安全。
3.辅件(风机、外壳、温控器、温显仪、有载开关等结构辅件)根据不同的用户、不同的使用环境、不同的工作要求,干式变压器可以增加不同的组件如:
根据不同的用户高、低压接口要求,增加不同型式的出线端子结构(如侧出线,封闭母线等)。
根据不同的环境和运行工况,为提高负载能力和降低变压器温升,增加冷却设备,目前一般多采用风机冷却。
根据使用环境的差异或用户的要求,增加保护外壳,以提高变压器的防护等级,增强变压器对外部环境的适应能力。
为实现变压器的智能监控,满足在任何时刻对变压器实施温度控制,变压器一般都加装温度控制设备。
对供电质量要求较高的用户,需要变压器要电网电压波动较大,变压器负载的状态下切换变压器分接位置改变压器变比以实现低压输出电压稳定,有载调压开关就可以满足要求。
一般有载调压开关有两种型式:
真空开关和空气开关,一般都选择真空开关。
二、制造过程
1、线圈制造干式变压器的制造中,生产周期最长的就是线圈部分。
它由导线与绝缘材料组成。
环氧树脂
浇注干式变压器主要经过绕制,干燥,树脂真空浇注,固化,打磨,试验等过程,才能送到下一装配工序。
线圈的好坏与绕制的正确性,绝缘材料和导线的质量,固化的工艺有十分密切的关系。
2、铁心制造
为减少涡流损耗,铁心多采用冷轧有取向低损耗硅钢片,多片叠装的形式。
硅钢片经过剪片
机剪制成型,按一定顺序叠成铁心后,以紧固件压紧,检验无操作问题后才进入下一装配工序。
3、器身装配
当线圈和铁心准备就绪后,开始总装配,将线圈装入铁心并固定,加装器身部分。
这一装配工序必须小心,以防造成不必要的损坏,或因器身装配时不够牢固而在运行过程中产生过多的噪音。
4、其它组件
为满足用户的多方面要求,往往在变压器基本的结构外增加其它相应的组件如特殊的出线端子(侧出线,封闭母线),风机,外壳,温控器,有载调压开关等。
三、试验
1.出厂试验
出厂试验是根据标准和产品技术条件规定的试验项目,对每台变压器都要进行的检查和试验。
其目的在于检查设计,操作,工艺的质量,每台变压器出厂前,必须进行:
电压比、电阻、联结组别、绝缘电阻、工频耐压、空载损耗和负载损耗等的检查和试验。
1)、电压比试验目的主要在于检验变压器各绕组的匝数是否符合设计要求,所以,有时把电压比试验又叫做匝数比试验。
试验方法一般有二种:
双电压表法和交流电桥法。
现在广泛应用的是交流电桥法。
2)、联结组别试验目的是在于检验变压器的联结组别是否与设计要求相符。
其试验方法较广泛采用的有双电压表法、直流法,相位表法和交流电桥法。
实际应用中多采用交流电桥法,既可检查电压比,又可检查联结组别。
3)、绕组电阻试验可以检查出绕组内部导线的焊接质量,引线与绕组的焊接质量,绕组所用导线的规格是否符合设计。
其试验方法一般有:
电压降法、电桥法。
由于电桥法测量准确度高,灵敏度高,并具有直接读数的优点而被广泛采用。
4)、绝缘电阻的测量是在绝缘安全的低电压下对变压器主绝缘性能的试验,用以发现变压器绝缘的局部缺陷和普遍的缺陷。
是决定进行耐压试验和继续运行的重要参考数据之一。
5)、工频耐压试验又称为外施压试验,是使变压器在不低于80%额定频率的生态电压下持续1分钟运行,用以考核主绝缘强度,绝缘的局部缺陷。
试验设备包括试验变压器、可调电源、球隙、阻尼电阻、金属保护电阻等。
6)、空载试验是从变压器低压侧的绕组施加正弦波形额定频率的额定电压,在其它绕组开路的情况下测量其空载损耗和空载电流的试验。
其目的是测量铁心中的空载电流和空载损耗,发现磁路中的局部或整体缺陷。
7)、负载试验是从变压器高压侧的绕组在额定分接下供给额定频率的额定电流。
低压侧的绕组人为短接。
通过负载试验可以确定变压器的负载损耗和阻抗电压。
2.型式试验
型式试验是根据标准或产品技术条件规定的项目,对指定产品结构进行的鉴定性试验,对已经通过国家鉴定并系列化大批量生产的产品一般不进行型式试验。
目的在于检查结构性能是否符合标准和产品技术条件,型式试验包括冲击电压试验和温升试验。
1)、冲击电压试验包括雷电冲击电压试验和操作冲击电压试验。
为了考核变压器冲击绝缘强度是否符合国家标准的规定和进一步研究、改变变压器的绝缘结构,需要对变压器进行雷电冲击试验,所谓雷电冲击试验是指在变压器绕组的端子上施加一冲击波,看变压器或其它绝缘结构在冲击波的作用下产生什么后果。
而为了考核变压器耐受的操作电压的能力,通常都是用一分钟工频耐压或高周波耐压试验来检验的。
2)、温升试验变压器的空载损耗和负载损耗以热能形式损耗,使变压器的温度升高,从而对变压器的寿命,绝缘材料的寿命造成影响,通过温升试验,对变压器的温升进行考核。
干式变压器的试验方法包括直接负载法、相互负载法、循环电流法或零序法。
3.特殊试验
特殊试验是根据变压器使用或结构特点必须在标准规定项目之外另行增加的试验项目。
主要对典型结构产品或有协议要求的产品进行。
包括:
突发短路试验、噪音试验和零序阻抗试验。
1)、突发短路试验是模拟一种事故短路,即在变压器一次侧加上额定电压,二次侧由于事故原因,在出线端子上发生的突发短路。
它是作为变压器在运行中对其动稳定强度和热稳定典型的最严格的考验。
这种运行事故在实际上是极少发生的。
2)、噪音试验是为了测定变压器额定运行时的声级和声功率级,以控制变压器的噪音,满足环境和用户的要求。
3)、零序阻抗试验仅对有零序短路回路的绕组才进行这项试验。
4、局放试验
为了保证变压器产品质量,使其能够在系统中长期安全地运行,局放试验是一项良好而有效的检验方法。
其试验设备主要有试验电源和局放仪,试验内容包括:
1)、检验产品在规定电压,一般预加1.5倍的系统电压30秒,然后降到1.1倍的系统电压,一分钟内有没有高于规定值的局部放电,以确定产品在规定电压下的放电强度。
国家标准规定10kV以下的变压器30pC合格,10pC为一等品,5pC为优等品。
2)、确定局部放电起始电压和终止电压
第四篇整流原理及整流变压器设计
一、整流原理
1.引言
随着城市规模的不断扩大,为解决公交及汽车污染问题,城市轨道(地铁)交通在我国及国际上都得到更大的发展。
作为地铁牵引机车电源的整流系统,其单台供电容量大,谐波含量高,且靠近城市负荷中心,因此,迫切希望减少牵引整流系统造成的谐波干扰,进一步提高电网质量。
本文系统介绍了与天津电化院、上海铁道设计院、上海地铁三号线、上海整流器厂等单位研制的二十四脉波整流变压器机组的谐波测试研究。
2.基本原理
2.1三相桥式整流
a.整流原理
采用三相双线圈变压器(如Dy11Yy0),与三相桥式整流器一起,实现将三相交流电源整流输出六脉波直流电源,其电路原理图如图1。
图一
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这种整流方式,其变压器与整流器结构较简单,但对电网产生谐波分量较大
b.直流输出Ud波形
此时Ud为六脉波的直流电压,如图2示。
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c.低压a相电流波形
根据二极管导通的时序和区间,电流ia如图3示。
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d.高压A端输入电流波形
以高压D接为例,将低压电流折合到高压电流,可得A端输入电流(线电流)波形如图4示
2.2十二相(十二脉波)整流
a.整流原理
iAI
选择两组三相变压器一整流器系统,使两组变压器二次电压之间相差30。
电角度,其直流电压脉冲分量也相差30。
电角度,将两组桥式整流器输出并联运行,即可实现将三相交流电源整流输出十二脉波直流的等效十二相整流。
其电路原理图如图5示。
Dyn11
即oHZ
图5中的两台变压器(Dy11和Yy0,在工程上已广泛采用带双低压输出的轴向分裂四线圈整流变压器,即一台双输出变压器(Dd0y11作两台(Dy11和Yy0变压器用,从而减少工程的占地面积和费
用。
该整流方式,由于整流相数的增加,其产生的谐波分量较六脉波整流有较大降低
b.直流输出Ud波形
c.高压网侧输入电流波形:
0°<3t<30°
30° 60° 90° 120° 150° 根据电压波形,各低压二极管开通顺序,低压相电流波形,最终可合成获得高压侧输入电流波形如图7示。 其解析表达式如下: aImCos(3t—15°) (a+1)ImCos(3t—45°) (2a+1)ImCos(wt—75°)iA=(2a+1)ImCos(wt—105°) (a+1)ImCos(wt—135)aImCos(wt—165°) 式中: a=0.57735 2.3二十四相(二十四脉波)整流 a.整流原理 先给出电路原理图如图& 图8中Ti,T2为两台低压双输出电压的十二相整流变压器且T1和T2低压输出电压相差15相位角。 Di和D为2台十二相整流器。 Ti和D单独工作时,输出十二脉波的直流电源;T2和D单独工作时,也输出十二脉波的直流电源。 Tl+Dl和丁2+D2并联(直流输出端子并联)工作时,由于Tl和T具有15°相角差,合成输出二十四脉波的直流电源,实现将三相交流电源整流输出二十四脉波直流的等效二十四相整流。 b.高压网侧输入电流波形 定义十二脉波整流高压网侧输入电流为1A''12(3t)o 由于二十四脉波整流系统两台整流变压器结构相同,仅输出电压相差15相位角,故可以将二十脉波整流的高压网侧输入电流由下式给出: ia'24(wt)=ia'12(①t)+ia'12(wt+15°) 根据2.2和2.3得到的高压网侧输入电流解析表达式,利用计算机对其进行谐波分析,由此得出十二相整流与二十四相整流时各阶次的谐波比例及谐波总量,结果列表如表I。 由计算结果可知: 二十四相整流电流谐波总量6.11%比十二相整流谐波总量13.31%减少了50%以上;此外,二十四相整流的电流谐波频率高(23,25次谐波),可以降低工程滤波费用。 二、二十四相整流变压器设计 1基本结构 由2.3可知,等郊二十四相整流系统包含2台变压器,即T1和T2.T1和T2均为双低压输出变压器每台变压器(T1或T2)均可与十二相整流器组成独立的十二相整流系统为了减少变压器低压绕组之间的相互影响,沿轴向也设置双线圈的高压输入线圈,即所谓的每相铁心四线圈轴向双分裂结构,通常要求其分裂系数Kf>3.6,基本联接组别为DdOyll. 2移相 在保证T1和T2具有相同的基本结构基础上,要实现等效二十四相整流就必须使T1和T2低压输出之间移相15角,经过分析,我们在高压侧采用延边三角形移相方法为了并联十二相整流系统(T1和T2)的平衡运行,就必须保证T1和T2具有相同的电气参数,为此T1和T2在基本联接组别DdOyll基础上,分别移相+7.5°和-7.5。 角,实现T1和T2输出低压移相15角的目的,又保证了几何尺寸和参数的对称 图10给出延边三角形移相B=+7.5。 的联结图和相量图 3一次(网侧)联接 为了保证产品的通用性T1和T2的高压线圈和低压线圈均相同T1和T2分别采用如图11所示不同 的高压(一次)联接。 此时,T1变压器二次(阀侧)电压将滞后T2变压器15°电角度. 4变压器互换性 两台变压器(T1、T2)的铁心、线圈是相同的,仅在一次侧接法的不同而产生二次低压移相15°。 因此两台变压器的互换性特别好,仅需改变一次的联接方法。 第五篇应用与选型 一、应用领域 近年来,干式变得以愈来愈广泛的应用,主要应用领域有: 1、配电变压器: 1)电压: 高压侧电压以10kV为多,最高为35kV低压侧电压常为0.4kV,既可为低压电气设备提供交流380V电源,又可为城乡照明及家用电器设备提供220V电源。 2)容量: 一般从30kVA到2500kVA 3)应用最广: 供城市配电网、工矿企业等场所动力设备和照明、用电,占干变用量的80%以上。 2、电力变压器: 对102035KV勺电力变压器可生产容量630-20000kVA我国1996年已制造出容量达16000kVA35/10kV电压,亚洲第一台容量最大、电压最高的干式变压器,这些变压器多用于电力系统区域变电站。 3、整流变压器: 1)整流励磁变: 发电机的励磁系统向静态设备发展,干式变有取代励磁发电机的趋势。 其高压电压13.8kV〜20kV低压在1kV左右。 水力发电厂励磁变压器通常采用单相结构,高压封闭母线为多。 为长江三峡发电机而研制的励磁变,预计单相容量为 3000kVA。 2)冶金电炉变: 特点是低电压大电流(我国生产过电流超过2万安培干式电炉变压器),用于电炉冶炼。 3)牵引整流变变: 适用于城市地铁及轨道交通的干式牵引变,随城市轨道交通的发展而得以大量应用,电压有102035kV几个等级,容量有从800至4400kVA等。 根据整流方式不同有12脉波整流变和24脉波整流变,可有效地降低对电网的谐波污染。 4、各种特殊用途干变: 干变适用于各种领域、各种特殊用途,如核电站、船用及海上平台用、轧钢用等特种变压器,我国都 已经设计制造过,对这类干变,只要提出有关技术要求就可交由制造厂开发设计、生产。 二、在工程中如何选用干变呢? 1、首先,由负荷计算来确定变压器容量和台数; 2、根据工程具体情况,确定变压器的性能参数: (1)一、二次额定电压: "变压器变压"由1次侧电压转变为二次侧的电压! (2)联结组别: 配电变常有Dyn11YynO等联结组别,推荐选用Dyn11 (3)其它: 如短路阻抗等,这些性能参数都可以从制造厂的样本、手册中查到,根据工程情况予以确定。 3、是否配置外壳、风机等附件: (1)是否配外壳 (2)是否带风机(强迫风冷) (3)是否配温度控制箱 (4)是否带温度显示器上述这些附件的功能,各制造厂样本上均有说明,可酌情选择配置。 4、采用何种调压方式、调压范围: a、通常采用无励磁调压(即一、二次侧均切断电源时,在高压侧人工进行调压,)分接范围常用±2X2.5% b、若要求电源电压稳定,可选用有载自动调压(即通过有载调压开关、自动调整高压分接头,以保持输出电压的稳定)。 分接范围常用±4X2.5%。 三、选型中的几个技术问题: 对干变的使用选型,提请注意下列一些技术问题。 1、强迫风冷: 变压器
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