高壓諧振干式變壓器的研究

摘要：論述了諧振干式變壓器的原理、設(shè)計(jì)方法及開發(fā)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題，并通過計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較，證明了計(jì)算公式的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。信息來自：輸配電設(shè)備網(wǎng)1。前言：隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，利用高壓諧振技術(shù)對(duì)大容量電氣設(shè)備進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)成為可能，已廣泛應(yīng)用于電纜、電容器、發(fā)電機(jī)等大電容電力設(shè)備的交流試驗(yàn)。其原理是通過調(diào)整鐵芯磁路的氣隙長(zhǎng)度，可以得到不斷變化的電感L，可以與被測(cè)物體的接地電容C產(chǎn)生諧振。以一臺(tái)150千伏安試驗(yàn)裝置為模型，闡述了高壓諧振干式變壓器的原理及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。

2.諧振干式變壓器原理

2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：諧振干式變壓器的鐵芯可以做成兩種不同的結(jié)構(gòu)：殼型和芯型。鐵心干式變壓器在一系列主要指標(biāo)上不如殼鐵心干式變壓器，其重量和尺寸更大，調(diào)節(jié)氣隙的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)更復(fù)雜。因此，我們研制的測(cè)試裝置采用殼體結(jié)構(gòu)，諧振干式變壓器的繞組套在活動(dòng)中心柱外。

2.2特性曲線：諧振干式變壓器的特性曲線如圖2所示。從圖2可以看出，諧振干式變壓器的伏安特性在不同氣隙長(zhǎng)度下具有良好的線性關(guān)系，其電感l(wèi)與干式變壓器上的電壓值無關(guān)。因此，這種諧振干式變壓器用于交流諧振測(cè)試時(shí)，可以在低電壓閾值下進(jìn)行調(diào)諧(通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改變動(dòng)鐵芯與下軛鐵芯之間的氣隙長(zhǎng)度)，調(diào)諧到諧振時(shí)，測(cè)試電壓再次升高，系統(tǒng)調(diào)諧非常方便。

2.3回路電感l(wèi)與鐵芯氣隙長(zhǎng)度的關(guān)系：氣隙可調(diào)的諧振干式變壓器，無論是串聯(lián)還是并聯(lián)，都是通過調(diào)節(jié)鐵芯氣隙長(zhǎng)度，改變回路電感l(wèi)來諧振，這就是諧振干式變壓器對(duì)于對(duì)地有一定電容的主體，通過改變鐵芯氣隙長(zhǎng)度來諧振的機(jī)理。但是需要注意的是，氣隙長(zhǎng)度不能太大，這樣會(huì)破壞既定的共振閾值。

2.4調(diào)諧原理：(1)串聯(lián)調(diào)諧：串聯(lián)諧振干式變壓器的等效電路如圖3所示。當(dāng)工頻電壓US=220V，f=50Hz IS施加到諧振干式變壓器時(shí)，當(dāng)手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)L=1/C或XL=XC時(shí)，回路串聯(lián)諧振，其中回路電流較大=Us/(RL RC)，因?yàn)楫?dāng)調(diào)諧到諧振時(shí)，RC RL，Then IsUS/Rc (1)測(cè)試對(duì)象上的電壓UC和調(diào)諧電抗器上的電壓UL為Uc=(1/c)Is=XcIs UL=LIs=XLIs因此，電源容量Ps=UsIs=(Uc/Q)Is=Pc/Q (4)。從公式(4)可以看出，當(dāng)諧振干式變壓器被調(diào)諧到諧振時(shí)，電源電壓和容量是被測(cè)產(chǎn)品的相應(yīng)電壓和容量的1/Q。因此，與一般測(cè)試干式變壓器相比，諧振干式變壓器具有重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)。(2)并聯(lián)調(diào)諧并聯(lián)諧振干式變壓器的等效電路如圖4所示。當(dāng)RLL，Rc1/c時(shí)，并聯(lián)諧振的諧振頻率fo為：并聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)Q為：Q=(0L)/(RL Rc)=1(RL Rc)0C (6)，其中RL、RC——電感和電容()L ——調(diào)諧電抗器電感(h)的等效串聯(lián)電阻當(dāng)回路的振蕩頻率等于外加電源的頻率時(shí)，回路的阻抗較大(且為純阻性)， 但是L1和C1上的電流i1和I2C都是回路電流i1的Q倍，即IL=IC=QI。 #p#分頁標(biāo)題#e#

3諧振干式變壓器主要參數(shù)的計(jì)算

3.1電感l(wèi)的計(jì)算：(1)漏電感LS=[(4n2ss10-9)/LS](h)(7)ss ——等效漏磁截面積(cm2) lS——等效漏磁長(zhǎng)度(cm)N——繞組匝數(shù)(2)主電感LO l0的計(jì)算=[其中——?dú)庀堕L(zhǎng)度(cm)S——?dú)庀洞怕返刃Ы孛娣e(cm2)(3)總電感l(wèi) l l的計(jì)算

3.2鐵心尺寸計(jì)算：(1)階梯鐵心外圓直徑D=K(根數(shù)4次方)(cm) (10 kVA)公式(10)中S——鐵心比例系數(shù)K——，4.5 ~ 5.5(選用冷軋硅鋼片時(shí)取較小者)(2)鐵心有效截面積SGSG=(D2/4)KyKd(11)Ky=0.9——鐵心系列利用系數(shù)Kd=0.9——220V或380V，f——電源頻率，50Hz B——鐵芯磁通密度，(1.5 ~ 1.8) 104 gs，二次線圈匝數(shù)N2計(jì)算方法同上，只是用二次線圈電壓代替U1。

3.4較小氣隙min和較大氣隙max的計(jì)算：(1)min的計(jì)算：公式中的KL——電感調(diào)整系數(shù)，6.5 ~ 7.0(2)maxKKLKmin(14)K=2.2 ~ 2.5公式中的計(jì)算，諧振干式變壓器的其他參數(shù)與普通電抗器相似。信息源：

4.4上述計(jì)算公式用于150千伏安諧振試驗(yàn)干式變壓器的設(shè)計(jì)

對(duì)一臺(tái)電源電壓U1=0.22kV，輸出電壓U2=15kV，輸出功率P2=150kVA，且能對(duì)較大計(jì)算電容為2μF的試品進(jìn)行工頻高壓試驗(yàn)的諧振干式變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)。干式變壓器動(dòng)鐵心柱及套裝在外面的一、二次繞組如圖5所示，其中主要參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如下： D=12cm，動(dòng)鐵心外接園直徑 ， D1=13.5cm，一次繞組內(nèi)徑，D2=18cm，二次繞組內(nèi)徑 ，D3=25.5cm，二次繞組外徑， H=37cm，繞組高度 ，N1=66匝，一次繞組匝數(shù) ，N2=4464匝，二次繞組匝數(shù)，諧振干式變壓器調(diào)諧電感參數(shù)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值如表1所示。

表1 調(diào)諧電感參數(shù)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值 δ(cm) 1 2 3 4 5 6 7 8 L計(jì)算值(H) 31.61 18.96 14.47 12.64 11.37 10.53 9.92 9.47 L測(cè)量值(H) 29.93 18.12 15.3 13.2 11.8 10.7 10.3 8.95 誤差(%) 5.6 4.6 -5.4 -4.3 -3.6 -1.6 -3.7 5.8

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(1)由表1可知，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較大誤差不超過6%，說明上述計(jì)算公式具有較高精度，足以滿足工程計(jì)算的要求。(2)當(dāng)試驗(yàn)接近于試品的較大電容計(jì)算值時(shí)，試品上的電壓可能超過按變壓比決定的數(shù)值，為了降低電壓諧振的效應(yīng)，應(yīng)使干式變壓器二次線圈的漏抗盡可能小，同時(shí)應(yīng)在輸出回路加裝防過壓裝置。(3)因電壓與氣隙δ無關(guān)，因而應(yīng)先在較低電壓下進(jìn)行調(diào)諧，當(dāng)諧振發(fā)生后，再將輸出電壓升高到試品的試驗(yàn)值。(4)在氣隙調(diào)節(jié)過程中，干式變壓器的鐵心和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受到很大的電磁力作用，造成較強(qiáng)的振動(dòng)、噪聲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞諧振干式變壓器的部件。因此這種裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)特殊設(shè)計(jì)。