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自動(dòng)調壓自耦變壓器的設計
發(fā)布時(shí)間:2023-06-26 10:36
    有載調壓自耦變壓器在電網(wǎng)應用中可以串接在電力變壓器后面,以較大的調壓范圍來(lái)調整變壓器輸出電壓,它可以在30%的范圍內對電網(wǎng)電壓進(jìn)行自動(dòng)調節,以滿(mǎn)足穩定變壓器輸出電壓的要求;也可以?huà)煸?-35kV電網(wǎng)上,配合無(wú)功補償裝置,對電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功精細補償。
    通常的無(wú)功補償裝置是采用多組投切無(wú)功補償的方式進(jìn)行補償,有時(shí)會(huì )出現過(guò)補或欠補的現象,補償不精細,設備利用率不高。投切時(shí)有較大的涌流和操作過(guò)電壓,致使設備使用壽命縮短。
    電容器退出運行時(shí)有一定的殘余電荷,必須放電到一定程度才能重新投入,否則會(huì )使電容器老化或損壞。而采用有載調壓自耦變壓器則可通過(guò)改變輸出電壓來(lái)調節電容器兩端電壓從而改變電容補償裝置的輸出無(wú)功容量,從而實(shí)現無(wú)功的精細補償,改滯后調節為實(shí)時(shí)調節,可以很好的滿(mǎn)足系統無(wú)功變化的需要。
    1、自耦變壓器的工作原理
    圖1為自耦變壓器的原理接線(xiàn)圖。這種變壓器看起來(lái)只有一個(gè)繞組,低壓繞組是高壓繞組的一部分,所以它也叫單繞組變壓器。自耦變壓器高壓繞組AX由低壓繞組ax和另一繞組Aa串聯(lián)而成。Aa繞組通常叫串聯(lián)繞組,ax繞組為高壓側與低壓側所共有,通常叫公共繞組。
    圖1自耦變壓器原理接線(xiàn)圖
    公共繞組和串聯(lián)繞組是通過(guò)“電磁感應”和“電”的直接連接兩種關(guān)系耦合起來(lái)的,用來(lái)改變一、二次電壓和在一、二次之間傳輸電能,所以這種變壓器叫自耦變壓器。
    設P1N、P2N、PN分別代表自耦變壓器的額定輸入容量、額定輸出容量和額定容量,在忽略勵磁電流和損耗的情況下,則有:
    P1N=I1NU1N=(I2N/KW)(KWU2N)=I2NU2N=P2N=PN
    式中:KW-自耦變壓器的電壓比,KW=W1/W2>1
    設PC為上部串聯(lián)繞組容量,PG為下段公共繞組容量,則:
    PC=I1NUC=I1N(WC/W1)U1N=I1N((W1-W2)/W1)U1N=(1-1/KW)P1N==(1-1/KW)PN=KSPN
    PG=IGU2N=(I2N-I1N)U2N=(I2N-I2N/KW)U2N=(1-1/KW)P2N=KSPN
    KS=PG/PN=1-1/KW=WC/W1
    亦即:PC=PG,自耦變壓器上段串聯(lián)繞組的容量等于下段公共繞組的容量,也叫結構容量或型式容量。自耦變壓器的鐵心選擇是以結構容量來(lái)計算的。
    式中:WC-串聯(lián)部分繞組匝數;W1-高壓部分繞組匝數;W2-低壓部分繞組匝數;KS-效益系數,亦即自耦變壓器的結構容量與額定通過(guò)容量之比。
    由于KW>1,可以看出自耦變壓器的串聯(lián)繞組容量或公共繞組容量都小于自耦變壓器的額定容量,這就是自耦變壓器的突出優(yōu)點(diǎn)。電壓比愈接近于1,PC或PG愈小,亦即效益系數就愈小,自耦變壓器經(jīng)濟型就愈好。
    設P2T為二次側實(shí)際輸出容量,也就是實(shí)際通過(guò)的容量,也叫“通過(guò)容量”,因為:P2T=U2I2=U2I1+U2IG
    由于自耦變壓器有“電”連接的特點(diǎn),我們將電源直接傳到二次側的容量,稱(chēng)作“電傳導容量”,以Pcd表示,即上式中的U2I1;由于電磁感應關(guān)系由電源傳給二次側的容量,叫“電磁容量”,也叫結構容量或計算容量,以Pdc表示,即上式中的U2IG,則
    P2T=Pcd+Pdc
    從上兩式可以看出,自耦變壓器與普通變壓器不同,一方面靠電磁感應關(guān)系傳送容量,另一方面,還可以從電源直接傳送容量。因而自耦變壓器二次側從電源吸收的容量為電磁容量與電傳導容量之和。
    在忽略勵磁電流和損耗的情況下,當自耦變壓器一次側為額定電壓、額定電流時(shí),二次側所通過(guò)的容量即為銘牌所標出的額定容量PN;因為在進(jìn)行自耦變壓器電磁設計計算時(shí),它的尺寸、重量和鐵心截面是由電磁傳送容量所決定,故自耦變壓器公共繞組的電磁容量叫“結構容量”或“型式容量”,它是自耦變壓器設計的一個(gè)重要參數。
    3.0自動(dòng)調壓自耦變壓器的結構特點(diǎn)
    3.1自動(dòng)調壓自耦變壓器的原理接線(xiàn)圖
    自動(dòng)調壓自耦變壓器的原理接線(xiàn)圖見(jiàn)圖2:
    圖2自動(dòng)調壓自耦變壓器原理接線(xiàn)圖
    從自動(dòng)調壓自耦變壓器原理圖可以看出,變壓器為恒磁通等差調壓,有載分接開(kāi)關(guān)選用角接開(kāi)關(guān),以便于低壓出線(xiàn)的引出。
    3.2最大額定容量及調壓范圍的選擇
    有載調壓自耦變壓器的最大額定容量及調壓范圍取決于有載分接開(kāi)關(guān)的選擇,現有的有載分接開(kāi)關(guān),在BF系列中,最大額定通過(guò)電流為400A,最大額定級電壓為600V,最大分接位置數為9;CV型開(kāi)關(guān)最大額定通過(guò)電流為350A,最大分接位置數為14;SV型最大額定通過(guò)電流為500A,最大額定級電壓最高均為1500V,最大分接位置數為12。
    3.2.1用于穩定電網(wǎng)電壓用有載調壓自耦變壓器的最大額定容量的選擇
    用于穩定電網(wǎng)電壓的有載調壓自耦變壓器其在運行當中容量是保持不變的,其最大額定容量取決于有載開(kāi)關(guān)的最大額定通過(guò)電流及調壓范圍,如35kV有載調壓自耦變壓器,選用BF型開(kāi)關(guān),調壓范圍為±10%,則最大額定容量為:Se=1.732x400x35x0.9=21823kVA;如調壓范圍為0-20%,則最大額定容量為:Se=1.732x400x35=24248kVA。
    3.2.2用于無(wú)功補償用有載調壓自耦變壓器的最大額定容量及調壓范圍的選擇
    用于無(wú)功補償用油載調壓自耦變壓器的工作原理是基于S=2πfCU2,故其輸出電壓越低,有載調壓自耦變壓器的輸出容量越小,其輸出容量是與輸出電壓與額定電壓之比的平方成正比,即:
    Si=(Ui/UN)2SN
    式中:Si-自耦變壓器第i級的輸出容量;Ui-自耦變壓器第i級輸出電壓;UN-自耦變壓器額定電壓;SN-自耦變壓器額定容量。
    故其最大容量是在額定工作電壓時(shí)的容量,即額定容量。如10V有載調壓自耦變壓器,其調壓范圍為-40~0%,調壓級數為9級,如選用BF型有載分接開(kāi)關(guān),則其最大額定容量為:Se=1.732x10x400=6928kVA,其最大調壓范圍為-8x600/5774x100=-83(%),即其對額定電壓的調壓范圍從17%調整到100%,其最大調容范圍可從2.9%調整到100%。如BF型有載分接開(kāi)關(guān)用在35V電網(wǎng)上,則其最大調壓范圍為-8x600/20210x100=-23.7(%),即其對額定電壓的調壓范圍從76.3%調整到100%,其最大調容范圍為可從58%調整到100%。
    3.3技術(shù)參數
    以用于無(wú)功補償的有載調壓自耦變壓器為例,電壓等級為10kV:
    1)產(chǎn)品型號:OSZ-6000/10.5;
    2)電壓調節范圍:40%~100%Un,9級調壓;
    3)聯(lián)結組別:YNa0,三相三線(xiàn)星形接法;
    4)絕緣水平:LI75/AC35;5)產(chǎn)品總損耗:小于額定容量的0.2%;
    6)最大阻抗電壓應小于1.5%。
    7)調壓方式:有載調壓,9級連續可調。
    8)冷卻方式:ONAN;
    4具體實(shí)施方案
    4.1設計產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)數據
    本產(chǎn)品的結構特點(diǎn)是其輸出容量隨輸出電壓的變化而變化,其具體技術(shù)參數見(jiàn)表1。
    鐵心截面積:465.6cm2每匝電壓:17.83V/匝公共匝數:204匝串聯(lián)匝數:136匝分接匝數:17匝
    每級電壓:303.1V/匝
    在表1中,各級的型式容量計算公式如下:
    SXi=3IGiUCix10-3kVA
    式中:SXi-第i分接的型式容量,kVA;IGi-第i分接的公共電流,A;UCi-第i分接的輸出電壓,V。
    4.2鐵心直徑的選取
    鐵心直徑的選取與電力變壓器相同,但其容量則按最大型式容量來(lái)選擇計算。
    在用于電容補償的有載調壓自耦變壓器中,由于其形式容量都較小,在設計中可用長(cháng)圓形結構的鐵心形式。
    4.3各分接段繞組的設計
    為方便分析以上技術(shù)數據,可將以上數據匯集成如下電流圖進(jìn)行分析:
    圖3自動(dòng)調壓自耦變壓器各級電流分配示意圖
    將調壓部分作為串聯(lián)繞組,布置在公共繞組的外部。從上圖可以看出,公共繞組的最大通過(guò)電流為79.2A。串聯(lián)繞組的各個(gè)分接段的輸入電流和公共電流均不相同,如在9分接。
    其輸入電流為329.9A,輸出電流為329.9A,電流從輸入端通過(guò)有載分接開(kāi)關(guān)的電流端子直接流過(guò)到輸出端,在自耦變壓器中的公共電流為0A;在8分接,輸入電流為297.8A,而公共電流為15.7A,輸出電流為313.4A;而在1分接時(shí),其輸入電流為118.8A,公共電流為79.2A,輸出電流為198.0A。
    在同一分接段,有正向或反向電流流過(guò),故在選取分接段導線(xiàn)電流時(shí),按最大通過(guò)電流選取,如在第7分接段,正向輸入電流為267.2A,反向公共電流則為15.7A,故選取267.2A為最大通過(guò)電流來(lái)選取導線(xiàn)截面。
    由于各分接段的最大通過(guò)電流均不同,故在設計時(shí)可根據各分階段電流來(lái)確定相應的導線(xiàn)截面,以節省原材料,降低產(chǎn)品制造成本。但導線(xiàn)規格不易選擇過(guò)多,最好是選擇一種導線(xiàn),當電流大時(shí)就采用多根并聯(lián)的方式,有利于串聯(lián)繞組的繞制。
    如在上述實(shí)例中,第8分接段最大通過(guò)電流為297.8A,其一半電流為148.9A,而第4段分接最大通過(guò)電流為185.6A,這樣,就可以選擇1-4段分接為一根導線(xiàn),而5-8段分接段采用2根導線(xiàn)并聯(lián)的方式,電流密度在設計時(shí)互相兼顧一下,可以得到很好的經(jīng)濟效果。
    4.4絕緣結構設計
    主結緣結構設計按10V級設計即可。本文主要討論的是公共繞組與串聯(lián)(即調壓)繞組之間的絕緣。
    圖4所示為公共繞組與串聯(lián)繞組排列示意圖。
    圖4公共繞組與串聯(lián)繞組排列示意圖
    4.4.1確定繞組間的試驗電壓
    由于本文敘述的自耦變壓器為恒磁通調壓,既每匝電勢保持不變,故無(wú)論在那個(gè)分接,串聯(lián)繞組與公共繞組的電壓差始終為6062-3637=2425(V),在感應試驗時(shí)則為2425x2=4850(V)。在確定公共繞組與串聯(lián)繞組之間的絕緣時(shí),以感應電壓US=4850V來(lái)確定期間的絕緣距離即可。
    4.4.2絕緣結構確定
    公共繞組與串聯(lián)繞組之間的絕緣是用0.12電纜紙粘絕緣紙板條形成,可將它看成由純絕緣油隙組成。
    首先計算出油隙的平均場(chǎng)強,并與表2中的油隙最小擊穿場(chǎng)強進(jìn)行比較,以確定絕緣結構的合理性。
    油隙的平均場(chǎng)強計算如下:
    EP=US/d
    式中:EP-油隙平均電場(chǎng)強度,kVUS-繞組間的感應耐壓試驗值,kVd-繞組間油隙,mm
    然后用均勻電場(chǎng)下的油隙最小擊穿場(chǎng)強Edmin與油隙平均場(chǎng)強EP進(jìn)行比較,確定絕緣裕度K:
    K=Edmin/EP≥2.5
    在本產(chǎn)品中:
    EP=US/d=4.85/5=0.97kV
    K=Edmin/EP=11.7/0.97=12.1>2.5
    在本產(chǎn)品中,公共繞組與串聯(lián)繞組間的絕緣距離的確定,除考慮其絕緣強度外,還要考慮繞組的散熱問(wèn)題。
    5阻抗電壓的計算
    在計算阻抗電壓時(shí),因在第一檔時(shí),所有的調壓部分都作為串聯(lián)繞組,故在第一檔工作時(shí)的阻抗電壓最大。在第九檔時(shí),電流直接從高壓輸入端通過(guò)有載分接開(kāi)關(guān)的電流端子流出到低壓輸出端,在自耦變壓器中無(wú)電流流過(guò),此時(shí)的阻抗電壓為0,損耗亦為0。故在計算阻抗電壓時(shí),只要計算第一檔的阻抗電壓即可。
    自耦變壓器的阻抗電壓計算與普通的電力變壓器計算基本相同,只不過(guò)在阻抗電壓前乘效益系數的平方即可。設UP為按正常電力變算出的阻抗電壓,UZ為自耦變壓器的阻抗電壓,則有:
    UZ%=KS2UP%
    6結束語(yǔ)
    本文對自動(dòng)調壓自耦變壓器的結構及其應用進(jìn)行了詳細的介紹,并主要對應用于無(wú)功補償的自動(dòng)調壓自耦變壓器的原理、設計參數的計算及絕緣結構等進(jìn)行了分析與實(shí)例計算,為其設計提供了一個(gè)參考方法。
    自動(dòng)調壓自耦變壓器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),也是隨著(zhù)電網(wǎng)質(zhì)量的不斷提高而推出的新產(chǎn)品,它即能滿(mǎn)足穩定電網(wǎng)電壓的要求,以利于長(cháng)距離輸送電網(wǎng)能量,又可作為對無(wú)功補償裝置提供電源的設備,對電網(wǎng)無(wú)功進(jìn)行精細補償。
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