发电机励磁变压器

一.简介

通常接于发电机出口端，因发电机出口电压较高，而励磁系统额定电压较低，故需一个降压变压器。

发电机用励磁变压器的安全、稳定运行，是自并励机组安全、稳定运行的前提，是发电机组稳定发电、满负荷发电的先决条件，是励磁系统可靠运行的关键。

励磁系统所需电功率由发电机出口取得，励磁变压器的作用是将发电机出口电压（22kV）降为电力可控硅的输入电压（850 V）、在发电机机端和励磁绕组之间提供电气隔离，同时也用作电力可控硅的整流阻抗。

二.励磁变压器的形式及特点

励磁变压器，按绝缘方式划分主要有四种型式

（1）环氧树脂浇注干式变压器。

（2）无碱玻璃纤维缠绕浸干式变压器。

（3）MORA型干式变压器。

（4）油浸变压器。

油浸变压器是传统变压器，目前逐步被干式变压器所代替。

干式变压器具有防火、防爆及环保性能*等特点，成为励磁变压器主流应用。

世界上台环氧干式变压器由西德AEG公司于1964年制造。

环氧树脂浇注干式变压器的特点：

（1）绝缘强度高，浇注用环氧树脂具有18～22kV/mm的绝缘击穿场强，且与电压等级相同的油浸变压器具有大致相同的雷电冲击强度。

（2）抗短路能力强。

（3）防灾性能突出，环氧树脂阻燃并能自行熄灭，不致引发爆炸。

（4）环境性能*，环氧树脂防潮、防尘，可以在恶劣环境条件下运行。

（5）维护工作量小。

（6）运行损耗低，运行效率高，噪声低。

（7）体积小，重量轻，安装调试方便

MORA型干式变压器的特点如下：

（1）MORA型干式变压器是近十年来德国MORA变压器厂为适应环保新概念和应用新工艺、新材料而开发的新型变压器。

（2）MORA型干式变压器高压绕组分层扁绕在绝缘性能良好的陶瓷绝缘支架上。高低压绕组以及绕组之间纵向及横向均有冷却风道，变压器具有良好的短时过载及抗短路能力。

（3）MORA型干式变压器在真空状态下对绕组进行浸复合绝缘漆再进行烘干，工艺简单。

（4）变压器绕组绝缘由玻璃纤维或NOMEX纸构成，达到F或H级绝缘水平。

（5）MORA型具有良好的阻燃特性。

（6）MORA型在失效后可拆卸。绕组材料可循环再利用。

（7）MORA型无须浇注设备与模具，初期投资可以大为节省，产品设计灵活性较大。

（8）MORA型运行维护工作量稍大，修理相对容易。

目前，欧洲及亚洲使用环氧树脂浇注式变压器居多，美国使用MORA型较多。

环氧树脂浇注干式基准冲击水平可达250kV，MORA型为150kV。

环氧树脂浇注干式变压器大容量可达20MVA，MORA型仅能达到8～10MVA。 [1] 

三.励磁变压器的一般要求

采用自并励励磁方式的发电机，其励磁电源的励磁功率整流器由励磁变压器供电。励磁变压器的高压侧通常接于发电机机端母线，低压侧接晶闸管三相全控桥式整流器，励磁功率栏流器的负载为有很人电感、对地绝缘的发电机转予。励磁变压器负载及接线的特点，以及电网和电厂对发电机励磁系统的特定要求，使自并励的水轮发电机励磁变压器工作条件及技术要求与一般应用的电力变压器并不*相同，主要包括如下方面。

（1）励磁变压器绕组电流为非正弦电流，变压器的设计需要考虑绕组中谐波电流的影响。由于发电机转子时问常数通常为若干秒级，敝励磁功率整流装置晶闸管电流及交流侧（即励磁变低压侧）线电流均呵看作为矩形波，存在着基波分量和谐波分量，谐波电流将增加变压器的铜损和铁损，并使发电机端电压波形畸变。故励磁变压器设计与制造时需要考虑变压器绕组谐波电流的影响，包括变压器的铁芯磁密、容量、过负荷能力等均需要对谐波电流的影响进行考虑。谐波电流将可能引起变压器运行的谐波噪声，故在铁芯与绕组的结构及机械强度上，需要考虑降低谐波噪声的措施。

（2）作为氲接接到发电机机端的励磁变压器，需按发电机端电气设备的技术要求进行设计。按照GB 1094.1《电力变压器第1部分总则》的要求，在发电机负载时，变压器与发电机相连的端子上，应能承受1.4倍额定电压，历时5s。通常尚要求在发电机机端电压为1.3倍额定电压的过电压下运行60s。励磁变压器应能在110%额定电压下*连续运行。

（3）励磁变压器低压绕组额定电压应按满足发电机强励时的励磁顶值电压要求进行设计选择。发电机强励时，对励磁功率整流器的输出电压有要求，为发电机励磁顶值电压。励磁顶值电压按发电机所在的电力系统要求选取。

（4）变压器容鼍应能满足发电机*连续运行所要求的励磁能力，在发电机励磁电流和电压为发电机额定负载下励磁电流和电压的1.1倍时，能*连续运行。

（5）励磁变压器的过载能力应能满足发电机强励的励磁容量及持续时间的要求。励磁变压器在发电机强励磁时，发电机在励磁顶值电压下运行，励磁电流的稳态值也为励磁顶值电流。此时励磁功率对励磁变压器的负载能力有要求。

（6）励磁变压器高压、低压绕组间需设置静电隔离屏蔽并接地。在变压器投入和高压侧暂态过电压时，通过励磁变压器高压、低压绕组间的分布电容，在励磁变压器低压绕组上将产生过电压。为减少此时励磁变压器低压侧的过电压，在励磁变压器高压、低压绕组之间需设置静电屏蔽并与变压器铁芯一起接地，以避免过电压威胁励磁功率整流器的安全。静电屏蔽尚可减少变压器低压绕组的高次谐波及过电压对高压绕组及电网的影响，提高励

四.磁变压器的电磁兼容性。

除此以外，励磁变压器作为电力变压器的一种应用类别，尚需满足一般电力变压器的技术要求。主要包括下列方面：

（1）运行温升及绝缘耐热等级。

（2）承受短路能力。

（3）绝缘水平。

（4）对辅助设备的没置要求，包括电流互感器、温度监视设备等。

（5）其他，如噪声水平、局部放电水平、三相对称性。

五.实际工程应用对励磁变压器尚有一些与工程相关的技术要求，如：

（1）励磁变压器类型及结构。

（2）组装方式及防护等级。

（3）在电厂现场的安装方式及要求，包括与发电机母线的连接等。

为方便运输，或适宜与发电机离相封闭母线相连接，大型发电机励磁变压器通常采用单相变压器组成三相变压器组的结构方式，并要求单相变压器有相同的结构和良好的互换性。

六.励磁变压器的结构与设计

以下以环氧树脂浇注干式变压器为例介绍。

铁心

铁心是变压器的磁路，由硅钢片及夹紧装置等组成。钙心材质采用优质冷轧晶粒配向硅钢片，45°全斜接缝结构心棒用绝缘带伞扎，表面用特殊树脂密封。铁心必须是点接地，否则会形成环流增大损耗。变压器的空载损耗主要是铁心的损耗。

降低变压器的空载损耗主要措施：

①降低变压器铁心创磁密；

②选取优质铁心硅钢片材料；

③减少铁心片厚度

④采用全斜接缝结构。

绕组

绕组是干式变压器的重要组成部分，主要由导线（锌线）和绝缘结构（树脂）组成。

绕组的结构决定额定容量、额定电压和使用条件等。

变压器的负载损耗由电阻损耗及绕组导线中的附加损耗等构成。绕组计算应满足以下要求：

（1）电气强度。绕组绝缘必须满足国家标准规定或用户要求的工频、雷电冲击试验电压要求，并留有一定裕度。

（2）耐热强度。在负载运行情况下，绕组温升不允许超过绝缘材料耐热等级所规定的温升限值。

（3）机械强度。干式变压器绕组在短路电流作用下所产生的电动力将使绕组位移以及短路阻抗变化，二者应满足国家标准要求。

对于浇注干式变压器。高压绕组用树脂在模具内浇注，低压绕组端部用树脂封装。

绕组材质主要是铜材和铝材。根据树脂体系和导电材料本身的物理性质，玻璃纤维丝填充的树脂体系的热膨胀系数与铜的热膨胀系数相近，故玻璃纤维丝填充的干式变压器多用铜导体。硅微粉填充的树脂体系的热膨胀系数与铝的热膨胀系数相近，故硅微粉填充的干式变压器多用铝导体。铝绕组干式变压器存在机械强度差、对焊接质量要求高等不足。

用于变压器绕组的导体主要有两大类：线形和箔形。

绕组型式主要有层式绕组和箔式绕组。

高压绕组线绕技术成熟，绝缘质量可靠，自动化程度高，使用率达70%以上。

低压箔式绕组工效高，节省材料，漏磁少，抗短路能力强，使用率在90%以上。 

七.励磁变压器的选择

励磁变压器就设计和结构来说，与普通配电变压器一样，短路电压为4%～8%。考虑到励磁变压器必须可靠，强励时要有一定的过载能力。且励磁电源一般不设计备用电源，因此宜选用维护简单、过载能力强的干式变压器。若从降低励磁系统造价来说，采用油浸变压器也是可行的。

当励磁变压器安装在户外时，由变压器副方到整流桥之间的馈线．由于有电抗压降，不宜太长，特别是在励磁电流很大的情况下，这一点必须考虑。还有不宜用单芯铠装电缆．而应选用橡皮电缆。因为单芯铠装电缆通以交流电时，将在钢甲中感应到较高的电压以及不能忽略的电流，并对通信电缆造成干扰。

①励磁变压器性能和接线。应明确要求励磁变压器具备的性能和接线，如型式、额定容量（满足励磁系统要求）、温升、绝缘耐压要求、变压器三相组接线组别、绝缘等级、噪声水平、局部放电水平。

②技术要求。明确对励磁变压器的详细技术要求，选型中，有的水电厂要求励磁变压器选用国内厂家的产品。

③对采用电气制动停机的机组，需明确励磁变压器是否兼作制动变压器。