张洪 张明
摘要：概述了220kV大型电解铝整流变压器的开发特点，介绍了两类典型产品的工作原理及研制要点，分析了其中一种新型整流变压器的市场价值。
关键词：整流变压器；电解铝；开发；可靠性
1 概述
1.1 改造与发展
中国的有色金属工业，特别是铝电解行业，20世纪70年代以来有了很大的发展，特别是近十年发展的步伐更快。
进入21世纪，铝行业一方面存在着持续发展的机遇，另一方面又面临着大规模的自焙槽改造为预焙槽的问题。
随着我国加入WTO日子的来临，每个铝电解企业，面临的将不仅仅是国内的竞争，而且是高水平的全球性竞争。市场对企业，不但要求采用ISO 9000体系严格控制产品质量，而且要求采用ISO 14000环境保护质量认证体系来对企业进行改造，而且这种改造留给我们的时间并不是太多。
从1999年二季度开始，由于欧美百万吨级的氧化铝厂在恶性事故中被迫停产，促使国内一些污染超标的中小型铝厂停产整顿。为此，氧化铝和电解铝的价格从每吨12 600元一直上涨到16 200元，最近，还有上涨的趋势。
面对上述情况，对一些积极要求改造和扩建的铝厂来说，既面临一次难得的机遇，也面临一次严峻的挑战
1.2 改造的艰巨性与紧迫性
随着环境保护对企业下达的最后通谍时间的日益迫近，加上企业技术水平的低下以及工艺手段的落后带来的企业经济效益的下滑，给改造工作带来了紧迫性和艰巨性。
企业的改造，就是为了追求使有限的资产发挥最大的潜能，挖掘出高附加值的产业结构。这就要求企业通过改造，达到规模经济的最低要求，并且投入低、产出高、技术新，达到可持续发展的目的。一年以来，根据这个原则，一个个10万吨铝厂的改造项目方案在这世纪之交就要陆续拉开序幕。
2 大型220kV主调合一整流变压器应运而生
2.1 10万吨铝产量给整流变压器带来的新课题
年产10万吨铝通常采取320kA、280kA、200kA和160kA四种电解槽。电解槽的电流越大，效率就越高，但一次性投资成本和维修费用都比较高。
由于国内大多数铝厂资金都十分紧张，为此，本文推荐200kA这种电解槽。
10万吨铝产量给整流变压器带来了新课题。图1～图4是本文向广大读者介绍的四种类型整流变压器。下面先介绍这四种整流变压器的共同问题，即直流额定参数的选取方法。
图1 220kV自耦式端部调压整流变压器
图2 220kV感应自耦式端部调压整流变压器(调压部分)
图3 220kV降压自耦式中性点调压整流变压器
2.2.2 10图4 220kV自耦式中性点调压整流变压器(调压部分)
2.2 直流额定参数的选定
2.2.1 10万吨铝产量与电解槽数量的关系
一个200kA电解槽的产量：0.335 4×200×24×365×0.92×10-3=540t
生产10万吨铝产量所需200kA电解槽数量：(100 000/540)×1.05=195个
万吨铝产量与变压器额定空载电压的关系
(1)直流电压Ud
取每个电解槽的槽电压为4.2V，并考虑两个阳极效应，即
35×2=70V
Ud=4.2×195+70=889V
(2)额定直流空载电压Udi0
(1)
式中 Ux——变压器阻抗百分数(取12%)
PK——变压器负载损耗百分数(取1%)
S——串联换相组数(三相桥为2，双反星形带平衡电抗器为1)
NS——每臂串联元件数(暂取1)
UT——整流管通态压降(硅管为0.7)
∑Us——0.2%～2.5%Ud，当Ud≥800V时取较小值，当电压在≤100V,且电流≥3kA时可取2.5%(本例取0.5%)；如有饱和电抗器，还包括其调压范围的7%～10%(取10%，即70V×10%)
ε——电网电压允许波动幅值，一般取5%，个别地区取10%(取5%)
α——晶闸管最小控制角(一般取α=5°～20°，本例α=0°)
Udi0=［889×(1+0.5×12%+1%)+2×
1×0.7+0.5%×889+7］/(1-5%)
=889×1.14=1 015V
2.2.3 额定直流电流Id
(1)整流方式
当Ud＞800V时，一般从可靠性角度出发，不会考虑双反星形带平衡电抗器整流电路。
当Id≤8%～12%×Ud=10%×889=88.9kA时，则三相桥式整流电路综合指标较好。
当Id≥12%×Ud=12%×889=106.7kA时，若选用三相桥整流电路，则变压器内部局部过热和附加损耗将超比例增长。
为此，对10万吨铝产量项目，若其电解槽为200kA，则整流电路只能是三相桥同相逆并联电路，且每台整流变压器的额定直流电流不宜大于80kA。
(2)整流变压器组数
200/88.9+1=3.25组，取4组
(3)额定直流电流
，取75kA
2.2.4 额定容量PH
PH=1.047Udi0×Id
=1.047×1 015×75=79 700kVA
取PH=80 000kVA
2.2.5 小结
(1)变压器组数：4组
(2)单台变压器额定参数
额定容量PH=80 000kVA
额定直流空载电压Udi0=1 015V
额定直流电流Id=75kA
额定网侧电压U1=220kV
2.3 两种类型整流变压器综合性能比较(见表1)
表1 两种类型整流变压器综合性能比较
对比项目
| 方案一：降压自耦式中性点调压整流变压器
| 方案二：感应自耦式端部调压整流变压器
|
材
料
费
对
比
| (1)基本材料费/万元
| 400
| 400
|
(2)MR开关/万元
| 60
| 150
|
(3)开关滤油机/万元
| 10
| 30
|
(4)冷却器/万元
| 30
| 30
|
(5)材料费合计/万元
| 500
| 610
|
(6)材料费评价
| 较低
| 高
|
工
作
连
续
性
对
比
| (1)调压连续式
| 70级调压中间有一个中断点
| 79级连续调压
|
(2)修正措施
| 5级重复电压
| —
|
(3)连续性评价
| 能满足电解工艺需要，在中间位置(35～36)时停电需轮流倒闸
| 能满足电解工艺需要，且操作简便
|
绝
缘
等
级
| (1)调变/kV
| 220
| 220
|
(2)整流变/kV
| ≤110
(暂定为110kV)
| ≤110
(暂定为110kV)
|
(3)有载开关最大电位差/kV
| 40
| 110
|
(4)110kV高压引线根数
| 6
| 66
|
(5)调压回路在相等条件下发生高压击穿可能性
| 较小
| 是方案一的11倍
|
(6)绝缘状态评价
| 好
| 较差
|
调
压
回
路
可
靠
性
| (1)考虑恢复电压处数
| 1
| 5
|
(2)恢复电压值/kV
| 较低
| 较高(50左右)
|
(3)是否要加连位电阻
| 一般不要
| 要
|
(4)调压回路可靠性
| 好
| 较差
|
调变节能与
材料消耗
| (1)调变损耗
| 低
| 高
|
(2)相同损耗材料
| 较低
| 高
|
主调合一可能性
| 可以
| 不可以
|
占地面积
| 小
| 较大
|
小 结
| 降压自耦式中性点调压整流变压器将大量使用在220kV主
调合一整流变压器项目中
|
| | | | |
图1和图4是110kV直降式整流变压器采用最多的两种形式，但在220kV整流变压器中继续使用，存在以下两个问题：
(1)开关绝缘等级高
两种线路中的粗细调开关和无励磁开关都是220kV等级，不仅开关价格昂贵，而且众多的引线绝缘等级一下子都升为220kV等级，增加了制造难度。
(2)调变与整流变均为220kV
两种线路中，无论是调变还是整流变，即三个变压器器身都是220kV等级，使得变压器的可靠性与制造成本比图2和图3高出很多。
为此，下面的综合分析与比较仅局限在图2和图3两种类型。
3 220kV整流变压器研制要点
下面将介绍220kV整流变压器中降压自耦式中性点调压整流变压器在研制过程中容易忽略而又不能忽略的问题。
3.1 绝缘问题
图3中，调变是一台220kV自耦式整流变压器，绕组排列如图5所示。
图5 调变绕组布置
整流变跟传统的110kV直降式整流变相似，如图6所示。
图6 整流变绕组布置
正确处理好变压器的绝缘问题，首先要了解运行中变压器在承受长期工作电压、遭受内部过电压和外部过电压下，变压器应具备的绝缘水平，详细地计算反映在变压器中的每个绕组中的每个线饼的电位梯度后,才能结合绝缘介质的电极形状及其形成的电场，判断其形成的电气强度，得出该类变压器所采用的具体的绝缘结构。
变压器所承受的三种电压，即长期工作电压(包括局部放电电压)、内部过电压和外部过电压对变压器绝缘的作用均应以试验电压进行考核，为此，整流变压器的试验电压值就是其绝缘水平。
该变压器的绝缘水平为LI950 AC395/LI400 AC200/AC45/AC5。
3.1.1 开关恢复电压是长期工作电压作用下值得注意的技术问题
220kV整流变压器在长期工作电压作用下，最大的问题是有载调压频繁。
在有载开关的范围开关动作过程中，调变与整流变的连接桥梁有载调压回路，会出现数毫秒的断电时间，此时悬空的调压绕组与邻近绕组及油箱分别存在一个电容耦合C1和C2(如图5所示)，产生对应的电容耦合电位差，该电位差称为恢复电压。
(1)恢复电压计算公式
(2)
(3)
式中 Uj——基本绕组的相电压，kV
UT——调压绕组的相电压，kV
C1——调压绕组对相邻绕组的电容量，pF
C2——调压绕组对地或对接地的相邻绕组的电容量，pF
U+——调压绕组接往范围开关“+”极的端子电压，kV
U-——调压绕组接往范围开关“-”极的端子电压，kV
(2)耦合电容计算公式
式中 εw——绕组间介质的等值介电系数，按式(6)计算
H——绕组的电抗高度，cm
RT——调压绕组内半径，cm
Rj——基本绕组外半径，cm
εwe——绕组与油箱之间组合介质的等值介电系数，按式(6)计算
Rcm——绕组圆心到油箱内壁的最小距离，cm
RTW——调压绕组的外半径，cm
(3)介电系数的计算公式
(6)
式中 ε——等值介电系数
az、ay、azt——匝绝缘、油隙和绝缘纸筒的平均半径，cm
aW=az+ay+azt——绕组绝缘厚度，mm
DWP——绕组间绝缘的平均直径，mm
εz、εy、εzt——匝绝缘、油隙和绝缘纸筒的介电系数
εz=3.5，εy=2.3，εzt=5
【例】如图7所示，Rj=76.65cm，RT=72.85cm，RTM=76.65cm，RCM=95.65cm，Uj=45.765kV，UT=21.585kV，H调=2×49cm，Wj的匝绝缘为1.95，WT的匝绝缘为2.95，求其恢复电压U+和U-。
图7 调压回路主绝缘
(M型开关恢复电压≤35kV，V型开关恢复电压≤15kV)
由上述计算可知，中性点调压回路的恢复电压是比较低的。可以计算，端部调压的值比33kV大得多。国外某公司在为我国北方某铝厂制造的端部调压的整流变压器，由于没有进行恢复电压的计算，造成调压回路击穿，给自身和用户都造成了巨大损失。
3.1.2 外部过电压的设计要点
外部过电压就是雷电过电压，雷电冲击试验电压不是直接由雷电过电压决定的，而是由保护水平决定的。
避雷器放电后雷电流的残压是变压器承受的雷电过电压，因此避雷器的残压决定了雷电冲击试验电压。
(1)外部过电压的设计误区之一：“绝缘逆配合”
变压器是用避雷器保护的，因此避雷器的伏秒特性必须低于变压器的伏秒特性(这叫“绝缘配合”或者叫“绝缘顺配合”)，才能使避雷器先行放电，以保护变压器。一般两者电压的平均值应相差20%～25%。但不少的用户和设计院在选用中性点避雷器时，为了避免避雷器爆炸，喜欢提高避雷器的绝缘等级。为了使变压器适应避雷器，任意提高变压器中性点绝缘水平(称之为所谓“绝缘逆配合”)，从而抬高绕组内部电位，造成变压器内部绝缘不配合而将变压器损坏。
从避雷器的电气特性资料中可以看出，110kV变压器中性点专用的避雷器，无论其残压(LI134kV)还是工频放电电压(AC70～85kV)均低于变压器的绝缘水平LI250 AC95。如果选用60kV避雷器，其绝缘水平为LI227 AC(140～173)，工频放电电压140～173kV，远远高于变压器工频试验电压95kV。由于中性点电位是绕组内部各点电位的基准，从而使绕组内部严重过电压而造成变压器的损坏。
(2)外部过电压的设计误区之二：忽略在高频状态下冲击电压是按电容支路分配的。
在图6中可以看出，低压绕组是紧靠高压绕组的。当220kV端子遭到雷电过电压时，低压绕组的中部按电容容抗分配的冲击电压约为110kV，远高于1 000V绕组的绝缘水平。这种过电压现象在整流变压器设计中称为静电移行电压。
在结构设计时，应在高压绕组与低压绕组之间增设静电屏蔽，这样就可以防止低压绕组遭受雷电的侵害。
3.1.3 工频过电压时的绝缘设计
由于整流变存在移相绕组，所以在设计主绝缘时，必须首先研究正确的感应试验方案。这样，既可以防止错误的感应试验方案产生不必要的高电压将变压器损坏，又可以防止由于没有认真分析内部过电压绕组的电位分布，而采用错误的绝缘结构造成变压器损坏。详细分析方法可《特种变压器理论与设计》中第635～645页。
3.2 短路强度计算中的新方法
这次提出的短路强度计算中的新方法就是电力部门和铝厂整流所的运行专家们多次推荐的日本短路强度计算方法中的内绕组的机械失稳计算。
3.2.1 内绕组的机械失稳计算
(1)每个线饼的临界失稳力FB
(7)
式中 m——内绕组的有效支撑数，为实际内撑条数的一半
R——内绕组的平均半径，cm
I——导线的惯性矩，cm4
式中 nb——线饼中辐向导线根数
nt——线饼中轴向的导线根数
b——每根导线的辐向厚度，cm
t——每根导线的轴向高度，cm
y——经验系数，取决于线饼和导线的结构，一般取3≥y≥1
(2)作用于每一线饼圆周上的辐向力FC
(8)
式中 IN——额定电流，A
W——绕组匝数
M1——线饼数
h——绕组高度，cm
ez——短路阻抗，%
(3)如果FB＞FC，内绕组不会发生机械失稳的问题
(4)对于制造厂而言，安全系数K=1.8～2.0，
即：FB≥(1.8～2.0)FC
3.2.2 计算公式的使用与注意事项
式(7)和式(8)对校核内绕组的机械强度有一定的意义，它的计算实质就是“一多两大”。“一多”是撑条多，“两大”是阻抗和导线截面大。
(1)公式的使用
在计算公式中有一个待定值，即nyb的指数y，y的取值范围是3≥y≥1。
当线饼不浸漆处理时，y=1。当线饼按照规范的浸漆工艺进行浸漆时，y可取值为1.3～1.5。
当低压绕组采用换位导线时，线股间用热固性胶粘结(即采取自粘式导线加上热固化工艺)，则取y=2.3～2.5。
(2)注意事项
式(7)与式(8)是机械强度计算的必要条件，但不是充分条件，因为它没有反映机械强度计算的全部关键内容。
显而易见，如果式(7)和式(8)是合格的，但内外绕组安匝不平衡度超过10%行不行?每根撑条上垫块不等压、不等高行不行?内外绕组等压不等高行不行?或者等高不等压行不行?这些在式(7)和式(8)都没有反映。
因此，在使用内绕组失稳计算公式之前，必须通过安匝平衡计算、导线轴向力计算和导线应力计算。
220kV整流变压器每个铁心柱上套的绕组比较多，而直流短网部分发生短路的机率又比较高，所以绕组的机械强度计算与加工工艺是十分重要的。
下面介绍这方面的几个重要数据：
(1)绕组不平衡安匝为≤6%，设计裕度应不小于3。
(2)绕组预压应力为2.92～3.9MPa，至少不应小于2.43MPa。
(3)铜线许可应力为156.8MPa；铝线的许可应力为44.1MPa；设计裕度为1.3～1.6，较小值为外绕组，较大值为内绕组。
(4)许可轴向力为器身的1.2～1.5倍，设计时轴向力控制在不大于器身重量范围内。
(5)短路试验后电抗变化按照标准为≤2%，设计绕组的变形量应控制在0.5%以内。
3.3 局部放电量的有效控制
3.3.1 设计控制
(1)电极形状的圆弧化；
(2)消灭电场集中的接地体和绝缘件；
(3)避免引线在套管均压球附近产生单边电容放电；
(4)绝缘结构中介电系数的合理搭配。
3.3.2 工艺控制
(1)非电容式套管接地面的半导体镀层处理或镀铝层处理；
(2)冷压接代替氧气焊接；
(3)加大引线的转弯半径；
(4)合理的引线装配工艺。
3.3.3 环境控制
(1)操作者双手的净化操作规范；
(2)现场的微尘处理；
(3)绕组与装配车间的封闭管理。
.4 保护装置的集成化与数字化
变压器保护装置的集成化与数据化在欧美已开始应用，这是一项十分创新的变压器设计技术。
我国加入WTO以后，全球化的市场竞争将升华为高新技术的竞争。我们从现在开始，要加快这方面的研究与研制，跻身于世界新技术的前沿之中。
4 220kV主调合一整流变压器的市场价值
4.1 主调合一的技术优势
(1)绝缘结构简化
除了三根220kV进线以外，其它的引线与传统的110kV直降式整流变压器完全一样。这种结构，说到底就是1台传统的220kV双绕组自耦变压器加1台传统的110kV直降式整流变压器。
(2)短路强度大为提高
主调分开，叫制造厂感到最担心的是调变出口短路问题。而主调合一的整流变压器，主调变之间引线仅通过很短的油隙进行连接。从十几年的运行经验来看，没有出现一例短路的故障。
我厂十分重视对短路强度的试验研究工作。1999年12月，我厂的SZ9-M-40 000/110电力变通过由KEMA监试的短路试验，现在220kV整流变的短路试验也列入议事日程，这对整流变短路强度研究将是十分有益的。
(3)结构紧凑，并设有维护走廊
主调合一的220kV整流变压器结构紧凑，内部组件简单，有载开关只需一套，而端部调压要三套。
由于内部结构紧凑，组件少而简单，所以内部就有足够大的地方用作维护走廊，便于日常维护。
(4)经济价值明显
由于主调合一220kV整流变压器结构紧凑、简单，运行性能的可靠性就有其独特的优势，从而节省了大量的运行成本。
该类变压器外购的进口有载开关由三套减至一套，直接降低了一次性投资和外汇投入，有关备品备件也减少了三倍。
主调合一220kV整流变压器(从图9也可以看出)，由于其结构上比较紧凑，占地面积也比较小，这样对老厂改造就特别有利。
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本帖最后由 青华 于 2007-6-14 07:53 PM 编辑 ]
