小型机组励磁整流变压器的选型与计算(一)

1、小型机组励磁整流变压器的选型与计算 一 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

2、，与小水电的实 际运行环境有所差异，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： 目前低压机组根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。 全波整流的变压器效率比拟高 95，波形比拟好。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，效率比拟低 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

3、式：采用环氧干式变压器。 容量一般在 10100kVA 内，标称一次电压网端400V,二次电压阀端100V以内，电流 100-300A内。由于容量比拟小，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， 散热条件比拟好。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130C,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

4、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，可以按以下原那么来考虑。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

5、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

6、成末端的网电压过高，尤其是在 丰水期发电顶峰时段，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本钱的考虑，选取铁心的磁通密度Bm值偏高，而 一次绕组的电压

7、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=0.95U1MAX，式中，U1 MAX是网电折合到机端的最高电压值。计算结果假设小于400V那么按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

8、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 流损耗铜损略有增加，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。4、二次电压 U2 的计算 二次电压的选取值关系到励磁系统的顶值强励电压，最大励磁电 流、晶闸管导通角和谐波失真、整流电路的功率因数等等。按有关标准，励磁电路要提供 1.6 1.8倍的强励电压，即变压器的二 次电压需是额定值的1.61.8倍。但是实际上，我国的小水电机组很 少有自成孤立电网运行的，绝大局部都是并入大电网售电运行，没有 向电网提供强励功率的需要和能力 须知大电网容量极大， 单个小水 电机组的对它的影响是微缺乏道的。如果按提高 1.61.8 倍的数值来选取二次电压，整流电压就比拟高，晶闸管整流系统励磁时长期处于被深控的状态，晶闸管的导通角小， 波形畸变增大，功率因数变差，故障的短路电流变大，这些因素都对 变压器和机组设备运行不利。