目前，整流變壓器在工廠負(fù)載和溫升試驗(yàn)使用時(shí)正弦電壓和電流，但這并不能完全反應(yīng)整流變壓器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)的損耗和溫升熱點(diǎn)。實(shí)際上，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，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(gè)區(qū)域的損耗將有很大不同，直接導(dǎo)致局部溫度升高，對(duì)變壓器運(yùn)行壽命產(chǎn)生極大影響，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致變壓器故障。本文對(duì)兩種典型整流變壓器結(jié)構(gòu)的諧波電流分布進(jìn)行分析，并提出解決熱點(diǎn)問題的方法。

諧波電流產(chǎn)生的損耗在低壓線圈的分布

IEC61378-1及GB/T18494-1均介紹了考慮諧波電流的繞組總損耗的計(jì)算方法，這種計(jì)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(gè)部分的軸向和幅向漏磁分布不同，特別是端部磁場(chǎng)的彎曲，導(dǎo)致端部損耗較高，這是導(dǎo)致問題發(fā)生的根本原因。因此，需要通過電磁場(chǎng)有限元分析法進(jìn)行準(zhǔn)確分析。

1 六脈波整流變壓器

圖1 繞組排列圖

圖2 諧波電流的損耗分布

圖一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(jí)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?jī)H存在6n±1次（n=1、2、3…）。

圖二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(jìn)行漏磁分析。

模型建立，由于高壓線圈是一個(gè)電流串聯(lián)的關(guān)系，將高壓繞組整體作為一個(gè)繞組，而低壓線圈是通過很多個(gè)線餅并聯(lián)起來提供大電流，所以低壓繞組每個(gè)回路單獨(dú)作為一個(gè)繞組，并且變壓器的漏磁場(chǎng)近似按二維似穩(wěn)場(chǎng)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(gè)線圈回路并聯(lián)組成，所以漏磁分布不均勻會(huì)導(dǎo)致低壓線圈每個(gè)回路電流分布不均勻。

圖3 諧波電流分布

2 軸向分裂十二脈波整流變壓器

圖4 整流電路原理圖

圖5 繞組排列圖

上圖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(dāng)6n±1次（n=2、4、6…） 時(shí)，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6-1安匝分布示意。

但當(dāng)6n±1次（n=1、3、5…） 時(shí)，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(dǎo)致間隙處的磁場(chǎng)相對(duì)集中，中部?jī)衫@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(shí)兩低壓線圈間隙處的漏磁量為最大。如圖6-2安匝分布示意。

圖6 諧波電流的安匝分布

這種情況的諧波電流分布對(duì)變壓器局部損耗及熱點(diǎn)影響很大，決不能忽視。公司一臺(tái)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(dá)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(huì)使線圈內(nèi)部產(chǎn)生意料之外的熱點(diǎn)，所以很有必要對(duì)這些諧波電流產(chǎn)生的損耗分布進(jìn)行分析。

表1 典型整流變諧波含量

具體漏磁分析如圖7，可以明顯看出，在低壓兩個(gè)線圈的中間間隔處漏磁非常集中，這樣就導(dǎo)致間隔兩端的低壓線餅的損耗是線餅平均損耗的2倍左右。通常來自電力變的認(rèn)識(shí)是線圈熱點(diǎn)存在于線圈上端部，因?yàn)槟抢锏捻斢蜏厣?。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(diǎn)存在于兩個(gè)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(duì)間隔處附近的線餅進(jìn)行特殊處理，會(huì)影響變壓器的正常壽命，甚至引起變壓器故障。

解決辦法

通過對(duì)漏磁場(chǎng)的具體分析，了解諧波電流的損耗分布，進(jìn)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(diǎn)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的解決熱點(diǎn)問題。

終上所述,整流變壓器運(yùn)行時(shí)，由于諧波的影響以及變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，諧波電流在繞組中并不會(huì)均勻分布，必然會(huì)導(dǎo)致局部損耗過高，從而產(chǎn)生局部熱點(diǎn)。但通過二維場(chǎng)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(duì)普通電力變熱點(diǎn)分布的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，避免由此帶來的變壓器壽命甚至故障等問題。

（本文選編自《電氣技術(shù)》，作者為鄢克勤。）