励磁变压器的选型及保护方式配置.pdf

第 2 6 卷 2 0 0 6年 第 2期 湖南电力 安全与综合 励磁变压器的选型及保护方式配置 陈责平 ，张晓岚 ，李英华 ( 1 山东核电有限公司，山t -, 烟台2 6 5 1 0 0 ；2 青海电力培训中心，青海 西宁8 1 0 0 0 8 ) 摘 要 ：随着电力 系统控制技 术的发展 ，保护装置功能的完善 以及新工艺、新材料的出 现，使得大、中型水、火电机组在励磁方式选择上处于由传统的旋转交流励磁机方式向 静止 自励励磁方式过渡的新阶段。作为 自励励磁 系统重要组成部件之一的励磁 变压 器也 越来越多地得到应用和关注。就励磁变压器的选型、技术参数确定及几个重要的保护配 置 问题 作 了一 些 阐述 。 关键词 ：励磁 变压器；环氧浇注干式变压器；励磁 变压器保护；差动保护；过电压保护 中图分类号：T M3 1 2 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 8 0 1 9 8 ( 2 0 0 6 ) 0 2 0 0 3 7 0 3 1 励磁变压器结构选型 目前，世界各 国对应用在励磁系统 中的励磁变 压器 ，就绝缘方式而言主要有以下 4 种型式 ： a 以环氧树脂为绝缘材料的环氧浇注干式变压 器 。 b 无碱玻璃纤维缠绕浸渍的干式变压器。 C MORA型干式变压器。 d 油浸 变压 器 。 其中， 以浇注及缠绕干式 2种应用得较为普遍。 这 2种型式变压器铁芯均可采用优质冷轧晶粒配向 硅钢片，芯柱用绝缘带全扎 ，表面用特殊树脂密封 以防潮防锈。对环氧浇注式干式变压器 ，高压绕组 用树脂在模具内浇注， 低压绕组端部用树脂封装 。 对 无碱玻璃纤维缠绕浸渍的干式变压器的层间绝缘与 绕组的浸渍可与线圈绕组绕制同时完成。绕组的材 质均可采用铜线 、铜箔或铝线 、铝箔，但是出于对 热膨胀系数的考虑 ，因为铝的膨胀系数 ( 线膨胀系 数为 2 4 1 0 C) 大于铜的膨胀系数 ( 线膨胀系数 为 1 7 1 0 C) ，更接近于绝缘树脂的膨胀系数 ( 线膨胀系数为 2 8 3 0 1 0 ) ，铝绕组所承受 内应力更小，为此选铝质材料可能更为适宜，且铝 箔绕组间的电容分布也可使电位分布比较均匀 。 目前 ， 我国生产的环氧干式变压器也有 2 0多年 生产历史， 最大容量可达 8 0 0 0k V A， 能满足 6 0 0 Mw 机组的需要， 并且其在结构性能方面有明显优 势，因此励磁变压器在结构方面选型，目前通常优 收稿 日期 z 2 0 0 5 1 2 1 9 选环氧浇注干式变压器。 2 励磁变压器技术参数的确定 2 1 额定容量 变压器额定容景取决于励磁系统应提供的直流 额定功率值 ，自励磁系统一次电压与发电机端电压 相同，二次电压 由励磁系统的顶值电压所决定 ，二 次电流由发电机励磁绕组 的最大持续电流所决定。 简单的估算三相励磁变压器的额定功率值 ，其表达 式为 ： S = 1 3 5 【 ， fc f m 。 式 中 【 ， 为励磁系统顶值电压 ， V； I f 。 为发 电机 最大持续电流值 ， A。 2 2 额 定 电压 值 一 次及二次额定电压值应考虑到在一次机端电 压为 0 8倍额定电压值时仍保证所需顶值励磁电压 值 。 但是， 对于大型汽轮发电机 自励静止励磁系统 ， 亦可由发电机一次电压为额定值 的条件确定强励电 压倍数 。 2 3 接线组别 对于三相双绕组电力变压器的接线组别 ，我国 有关标准规定为 ： Y， y n l 2 ； Y， d l I ； Yn ， d l 1 ； Yn ， y 1 2和 Y， y 1 2共 5种接线方式 。 对于励磁变压器接 线组别的选择 ， 我国也多沿用 电力变压器的标准 ， 一 般都选用 Y， d l 1 接线方式， 其原 因为当励磁变压器 的原边接成星形接线时，一次绕组的相电压仅为线 电压的 1 ，降低了一次绕组 的耐压水平。二次 3 7 维普资讯 安全与综合 湖南电 力 第 2 6卷 2 0 0 6 年第 2期 绕组三角形连接， 可为三次谐波短路电流提供支路， 用以抵消三次谐波磁通，改善了相电压波形。 当励磁变压器采用 Y， d l 1 接线方式时， 二次相 电压在相位上滞后一次相 电压 3 O 。 ， 为此 ， 在选择晶 闸管触发回路的同步接线时应考虑这一因素。 2 4 绝缘等级及温升 目前，国外供货的励磁变压器绝缘等级多为 F 级或 F H级 ， 国内产品多为 F级或 F B级。 在确定 励磁变压器的温升极 限时，一些用户常提出按绝缘 等级降低一级温升的要求 如某厂励磁变压器 的绝 缘等级为 F级， 允许温升为 1 0 0 K， 但用户要求温升 按 B级考核，即温升最高值为 8 O K， 环境温度规定 为 4 0 C。 2 5 阻抗 电压 变压器 的短路阻抗电压是一个重要 的参数，此 值影响到整流器换相的工作状态和变压器的短路电 流值。当发电机磁场短路或集电环闪络 以及整流桥 臂短路时，回路短路 电流将由变压器的阻抗电压决 定 。应当指出的是，对励磁变压器阻抗的电压 的选 择应综合考虑短路电流限制、整流器换相工作状态 以及灭磁方式等多方面因素。例如，当采用交流灭 磁方式时，整流器直流侧发生直接短路 ，可借助于 过流脱扣保护功能予 以限制短路电流，不必单独依 托于励磁变压器的短路阻抗。另一方面 ，励磁变压 器所选用 的短路阻抗值过大，在强励条件下 ，励磁 变压器二次电压的下降以及励磁 电流的增加 ，有可 能使整流器外特性 的工作点过渡到第 种换相状 态 ，导致励磁输出电压显著下降。 2 6 短路电流过载能力 变压器的短路 电流过载能力受结构、材质 、运 行和初始负载等多方面因素的影响。 对励磁变压器亦有过电压过载能力的要求 ，因 为电压过载将导致铁芯损耗及励磁电流的增加 。在 发电机大修后或启动时，如用 自励系统中的励磁变 压器进行发 电机耐压试验 时，励磁变压器将承受 1 1 5 1 3 0 倍额定电压 ， 在确定励磁变压器规格时 应予注意。 考核励磁变压器短路时电流过载能力的限制条 件是绕组的最高温升限值。 3 励磁变压器保护 3 1 差动 保护 3 8 在静止 自励励磁系统中，各电厂对发电机及励 磁变压器的差动保护采用了多种方案 ，如图 1 。 8 7 注 z 8 7 GT为发电机变压器组差动保护 ；5 1为交流限时 过 流保护继电器 l 8 7 E T为励磁变 压器差 动保护；5 0为 速 断过流保护 #T A 为电流互感器 图 1 励磁 变压 器的保 护 方案 图 1( a )为发电机和励磁变压器分别装设差动 保护的方案 。 2组差动保护各有其保护范围， 对励磁 变压器采用了与厂用变压器相同的保护方式。在实 现这一方案中，最大的困难是在励磁变压器高压侧 装 1组 与发电机出 口回路相 同变 比的电流互感器 ， 此电流互感器变比大 ，造价较高 ，须放置在变压器 高压侧的母线 内，布置较为困难。 图 1( b )所示方案是将励磁变压器置于发 电机 变压器组差动保护范围内，另装设 1 组速断过流保 护。但在多数情况下，保护灵敏度是不够的 在某 些短路情况下 ，励磁变压器没有速动保护 ，显然是 不合理的，因此这种保护方案是不够完善的。 比较图 1( c )与图 1( a )所示方案，省去了励 磁变压器高压侧 1 组大电流互感器，解决了电流互 感器安装困难问题 。另外 ，励磁变压器本身装了差 动保护 ，保证了励磁变压器故障时， 足够的灵敏 度。此方案通过在一些 电厂 6 0 0 MW 机组上的运行 检验表明是成功的，并具有经济、合理 、高可靠性 等优点。 3 2 过电压保护 励 磁变压器在运行 中除有 可能受 到外来 过电 压、操作过电压和故障过电压的冲击外 ，还可能受 整流器的换相过电压，灭磁过 电压以及变压器漏感 和分布电容构成的振荡过电压的冲击， 在起始阶段 ， 这些过电压将在励磁变压器的端部产生很高的尖峰 电压振荡 ，为此必须予以抑制 。 3 2 1 合闸浪涌过电压 由于励磁变压器的绕组间存在着寄生电容 ，为 维普资讯 2 0 0 6 No 2 HUNAN EI E CTRI C P0W ER Vo 1 2 6 此，励磁变压器的电源投入或切除以及大气过电压 均会在变压器中产生交流过电压，特别是当励磁变 压器不由发电机端电压供 电，而由厂用电或机组主 变压器供电时，更应给予充分的注意。 对于合闸引起的过电压 ，假定 C z 为一次绕组 和二次绕组间的寄生电容， C 。 为二次绕组对铁芯间 的 电容 ， 在励磁 变压器一次合 闸瞬间， 由 C 和 C z o 电容构成的充电电路引起位移电荷 ， 由此， 可求得一 次传到二次侧的过 电压为 ： “z= “ 变压器容量越大 ， 一次电压越高， 合闸引起的过 电压越严重， 因此 ， 必须采用有效的保护措施 。 为 限制操作过电压 ， 措施之一是在一次和二次 绕组之间加装金属静 电屏蔽层 ， 屏蔽层与接地铁芯 相连接， 这样 ， 使一次和二次绕组间的电容 C 接近 于零值。 当有外 部过电压侵入时， 为屏蔽电容所短 接 ， 不再对低压绕组构成侵害。 抑制过电压另一措施是在二次绕组端接入 1个 对地电容 C 。 ， 当确定 限制过电压倍数为 时， C o z 之值可由下式求得 ； C 1 2 U 1一 k u 2 ( f l 2+ C 2 O ) 2 一 一 3 2 2 分闸过 电压 变压器分闸所产生的过电压比合闸过电压大得 多，这是由于变压器断路时在其回路中所储存的磁 能均要释放 出来 ，如果无吸收装置，磁能将转化成 弧光能量并产生过电压 ，抑制这种过电压的措施是 加装过 电压阻容吸收装置。 3 2 3 大气过电压 和操 作过电压相比， 大气过电压的倍数更高 ， 但 是作用时间是短暂的，一般仅为几十微秒。对此类 过电压多采用避雷器等设备予以保护。 3 3 过流 保护 直流侧短路时 ( 如集电环短路) ， 等效于励磁变 压器二次绕组短路 ，此时，除提高阻抗电压以限制 短路电流外 ，还可采用其它类型保护 ，例如在励磁 变压器高压侧采用快速熔断器，提高整流器可承受 的短路容量，在直流侧串入扼流电抗以限制短路 电 流对时间积分的增长速率 ，或在直流侧采用快速检 测继电器，当短路电流限制值时闭锁导通的可控整 流器等。 除上述保护方式外， 在现代自励系统中， 多 在励磁变压器二次绕组中接入交流互感器和按定时 或反时限的方式启动的保护继电器 ，用以发出发电 机主断路器或磁场断跌器的跳闸信号。 3 4 散热及冷却 一 般环氧干式变压器多采用空气自然冷却，不 配外壳， 户内使用， 保护等级为I P系列可供选择。 加 装外壳使变压器容量降低， 较小容量降低 5 ， 较大 容量降低 l O 左右。 对任何保护等级的变压器都可配置风冷系统， 采 用强迫空 气冷却 ( AF )可使 变压 器容 量提高 5 O 。变压器正常运行时需要一定的通风 ，一般变 压器 1 k W 损耗需要 4 m。 mi n的通风量 ，置于通风 条件较差地方应考虑通风问题 对于环氧干式变压器 ，运行的安全性及使用寿 命在很大程度上取决于变压器绕组的绝缘水平，如 果绕组温度超过绝缘耐受温度 ，将会加速绝缘老化 及损坏。为确保变压器使用温升不超过规定值，必 须设置温控及温显系统。温控系统可通过预埋在低 压绕组 中的 P T C测温元件 ， 并根据绕组温度， 控制 启动冷却风机以及发出温度报警及跳闸信号。 4 结束语 励磁变压器的选型及保护配置关系到励磁系统 运行的可靠性与经济性，文中对励磁变压器的选型 从结构、技术参数确定、保护方式的配置等方面作 了阐述 ，以期能为一些静止 自励磁系统工程中的励 磁变压器的选型及保护配置时引以为借鉴和参考