CN102290215B - 一种用于高压大功率变流器输出的变压器 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于高压大功率变流器输出的变压器，该变压器包含铁心，分别绕设在铁心的铁心柱上的高压线圈和低压线圈，以及分别设置在铁心、高压线圈与低压线圈之间的绝缘结构；高压线圈采用两柱并联的结构，并采用多层层式结构；低压线圈分为若干部分，交叉串联，每部分都采用单层层式结构，均匀分布在若干铁心柱上；铁心主级中间设有15至25mm气道；高压线圈和低压线圈的导线采用组合换位导线；高、低压线圈的匝绝缘采用无纺布与聚酰亚胺漆膜双重绝缘结构，该无纺布上浇注有树脂。本发明各部件保证变压器在接入变压器原边的脉宽调制波形、冲击电压变化du/dt不低于6000V/μs、电压的变化（0~20kV）、频率的变化（0~300Hz）的运行模式等运行条件下的电气寿命、绝缘寿命和结构寿命。

Description

一种用于高压大功率变流器输出的变压器

技术领域

本发明涉及一种输出变压器技术，具体涉及一种用于高压大功率变流器输出的变压器及其耐冲击强度检测方法。

背景技术

目前，现有技术的变压器通常是在额定电压等级、额定频率（50Hz）、正弦波条件下运行，现有技术变压器不适用于连接于变流器输出端的变压器。特别是不能满足高速磁浮交通数MVA至数十几MVA大功率牵引变流器对输出变压器的要求。

作为连接于变流器输出端的变压器，现有技术的变压器设计和制造无法满足接入变压器原边的脉宽调制波形、冲击电压变化du/dt不低于6000 V/μs、高压侧电压的变化（0~20kV）、频率的变化（0~300Hz）的运行模式等要求。

发明内容

本发明提供了一种用于高压大功率变流器输出的变压器，低压绕组结构满足变压器的阻抗特性、低压绕组对称性和输出线性度；满足0~300Hz范围输出要求的绝缘结构和寿命；铁芯和绕组的材料满足间歇工作状态下输出变压器温升标准要求；降低输出变压器在0~300Hz范围内的噪声；满足冲击电压变化du/dt不低于6000 V/μs时的冲击。

为实现上述目的，本发明公开一种用于高压大功率变流器输出的变压器，该变压器包含铁心，分别绕设在铁心的铁心柱上的高压线圈和低压线圈，以及分别设置在铁心、高压线圈与低压线圈之间的绝缘结构；其特点是，

上述的高压线圈采用两柱并联的结构，并采用多层层式结构；

上述的低压线圈分为若干部分，该若干部分交叉串联，每部分都采用单层层式结构，均匀分布在若干铁心柱上。

上述的铁心的主级中间设有气道；该气道宽度设为15mm至25mm。

上述的高压线圈和低压线圈的导线采用组合换位导线。

上述的高压线圈和低压线圈分别还设有匝绝缘，该匝绝缘采用无纺布与聚酰亚胺漆膜双重绝缘结构，该无纺布上浇注有树脂。

上述的高压线圈与低压线圈分为若干部分的若干个独立分接出口，该若干个独立分接出口可实现该变压器在不同的外部连接下进行电抗器模式、变压器模式和检修模式三种工作方式。

本发明用于高压大功率变流器输出的变压器和现有技术的输出变压器相比，其优点在于，本发明铁心主级中设置气道降低铁心温升，该气道宽度为15mm至25mm；

本发明采用聚酰亚胺漆膜和无纺布双重绝缘作为线圈绝缘材料，增强在脉宽调制波下输出变压器匝绝缘的可靠性；

本发明换位导线的选用降低了线圈绕组的涡流损耗和杂散损耗，达到降低输出变压器负载损耗的目的；

本发明高压线圈和低压线圈的布置形式满足了输出变压器的电抗器运行模式和变压器运行模式的自由切换，同时满足电抗器运行模式下的输出线性度要求；

本发明的结构设计解决在变压器绕组内电压分布不均匀及高频振荡的问题；

本发明的绝缘结构保证输出变压器在0~300Hz范围工作频率；满足冲击电压变化du/dt不低于6000 V/μs时冲击的运行工况环境下的电气寿命和结构寿命要求；

本发明涉及的技术可适应并满足高速磁浮交通系统变流器对输出变压器输出端压范围0~20kV要求。

附图说明

图1为本发明一种用于高压大功率变流器输出的变压器的铁心主级的截面图；

图2为本发明一种用于高压大功率变流器输出的变压器的换位导线的截面图；

图3为本发明一种用于高压大功率变流器输出的变压器的换位导线的各股线之间的换位示意图；

图4为本发明一种用于高压大功率变流器输出的变压器的高压线圈和低压线圈的接线示意图；

图5为本发明一种用于高压大功率变流器输出的变压器的高压线圈和低压线圈的接线原理图；

图6为本发明一种用于高压大功率变流器输出的变压器的主绝缘结构示意图；

图7为本发明一种用于高压大功率变流器输出的变压器的一种用于高压大功率变流器输出端的适用电抗器模式、变压器模式和检修模式切换的接线的实施例的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图，说明本发明的具体实施方式。

本发明公开了一种用于高压大功率变流器输出的变压器，基于输出变压器的阻抗特性、低压绕组对称性和输出线性度，确定低压绕组结构。满足0~300Hz范围输出要求的绝缘结构和寿命。满足接入变压器原边高du/dt工况要求、同时考虑了变流器脉宽调制输出对变压器的影响。为满足特定工作状态下输出变压器温升标准要求，选择铁心和绕组的主要材料。降低输出变压器在0~300Hz范围内的噪声。

通常，变压器包含有铁心以及绕设在铁心上的线圈，该线圈包含有高压线圈和低压线圈，而上述的高压线圈和低压线圈在铁心上，绕设有多层。在铁心和线圈之间，以及各层线圈之间还设有绝缘结构。

铁心是变压器中主要的磁路部分。铁心在变压器中构成一个闭合的磁路，又是安装变压器线圈的骨架。如图1所示，为本发明用于高压大功率变流器输出的变压器的铁心的主级的截面图，铁心为圆柱形结构，在铁心的侧边设有若干层平行设置的阶梯结构，铁心的主级是指铁心的中间一级，其单片片宽最大，截面积最大，是铁心磁路面积的主要部分。为了利于铁心散热，降低铁心的温升，在铁心的主级中间设置了气道1，该气道1平行于上述的阶梯结构设置，该气道1为用低磁方钢管支撑成的长方形截面的结构。气道1宽度可经模拟计算取得，建立气道1的三维模型对油道尺寸和散热效果进行模拟计算，使其获得冷却散热效果最好的数值范围内。例如：应用在磁浮电气系统中，一种接于15MVA变流器输出端的变压器铁心的气道1宽度设置为15mm至25mm。

影响变压器寿命的主要因素之一是变压器的温度变化，变压器的温度升高则取决于变压器运行中产生的损耗，因此，最大限度的降低变压器的损耗，使变压器的温度处在一个较低的水平上是保证变压器使用寿命的根本。

变压器的损耗主要包括空载损耗和负载损耗，空载损耗产生在铁心中，负载损耗产生在变压器的线圈中。一般情况下，负载损耗主要是电流流过导线所产生的电阻损耗，但是由于输出变压器工作的频率范围很广，如可达0~300Hz。随着频率的升高，线圈导线中的涡流损耗逐渐增大，在较高的频率下，其涡流损耗占了总负载损耗的大部分，因此减少涡流损耗的产生成为线圈设计选取导线形式的关键。

如图2所示，本发明中的线圈（高压线圈和低压线圈）采用组合换位导线。导线包含有9根聚酰亚胺漆包铜扁线2，该漆包铜扁线2的横截面为长方形，如图，8根漆包铜扁线2组合成上下宽面相互紧密贴合接触的两列，单独的一根漆包铜扁线2设置在最上部的中部，在该9根漆包铜扁线2外用绝缘纸带作多层连续紧密绕包。

如图3所示，在两列漆包铜扁线2上面和下面沿窄面做同一转向的换位。图中第一个导线图的9根漆包铜扁线2编号1至9，该1至9号漆包铜扁线2以逆时针设置。第二个导线图中，各漆包铜扁线2进行了换位，9根漆包铜扁线2以顺时针换位一格。然后导线即依次按该换位方式以同一方向换位。

当线圈采用换位导线时，通过增加换位导线中漆包铜扁线2的根数来减少每根漆包铜扁线2的截面积，从而有效的降低导线中的涡流损耗。由于换位导线本身每根漆包铜扁线2都进行了完全换位，在漏磁场中所处的位置相当，消除了漆包铜扁线2之间的环流，降低了由于环流带来的杂散损耗。经计算，采用换位导线后，由于涡流和环流引起的附加损耗较使用普通扁铜线降低40%以上，在频率升高后，效果更加显著。

高压线圈绕包在铁心的铁心柱上，每个铁心柱上的线圈都绕包有多层导线，各线圈导线都设有匝绝缘。该匝绝缘采用无纺布与聚酰亚胺漆膜双重绝缘，以提高输出变压器的绝缘强度。在包裹无纺布后在无纺布上浇注树脂，无纺布良好的渗透性和与树脂的亲和性保证了在浇注后树脂可以完全浸渍，不在线圈之间留有缝隙和气泡，减少局部放电，提高变压器的绝缘强度。聚酰亚胺漆膜具有很强的电气强度，检测报告显示其电气强度可达360kV/mm。

在变压器的高压线圈的第1、2层之间，选取的聚酰亚胺漆膜厚度要保证总的绝缘裕度在4倍以上，这是由于变压器原边接变流器输出的变压器线圈中最大冲击梯度出现在高压线圈的1、2层之间。作为一个例子，15MVA大功率变流器输出变压器高压线圈的1、2层的聚酰亚胺漆膜厚度为0.17mm，其电气强度为：360×0.17=61.2kV。最大冲击梯度为19kV，这样留有61.2/19=3.22倍的绝缘裕度。再加上无纺布上浇注的树脂绝缘，总的绝缘裕度在4倍以上，确保满足输出变压器绝缘试验的需要。

另外，通过对输出变压器进行波过程分析计算，可以得出在全波冲击下线圈端部的匝间电压梯度较大，因此在线圈端部需进行加包绝缘的处理。线圈的端部实施加包绝缘处理，采用聚酰亚胺薄膜对首尾多加数层包扎。以15MVA大功率变流器输出变压器作为例说明：采用聚酰亚胺薄膜对线圈首尾各7匝后再各加包0.2mm，绝缘层厚度达到0.37mm，电气强度达到360×0.37=133.2 kV，保证足够的绝缘强度，可抵抗不小于du/dt为6000V/ms的冲击。

如图4所示，高压线圈为两柱并联，采用多层层式结构，两柱并联指线圈分为两部分，分别设置于铁心的两个铁心柱上，两部分为并联关系，其主要作用是可以在结果对称的前提下减少线圈每部分导线的并联根数，方便线圈绕制。为了减小各层间的电压，减少层间绝缘和线圈的幅向尺寸，对高压线圈进行了分段，层间绝缘是指相邻两层之间的绝缘，层间绝缘包含匝绝缘，该层间绝缘以树脂作为主要绝缘材料。高压线圈设计分为4段，分别为 I、II、III和IV。通过合理分布每段的匝数，保证分接抽头4.1、4.3、4.4、4.5、4.6和4.2位于线圈的最外层，便于引线。

如图4所示，低压线圈分为四部分，每部分均为单层层式结构，均布于两个铁心柱上。低压线圈有两种运行方式，当变压器工作在变压器模式时，低压线圈为两柱交叉串联，图中内外的标示，代表绕在铁心柱内圈或外圈的线圈，每个铁心柱上的两个线圈电流方向相同，感应电势与高压线圈的感应电势平衡，此时输出变压器相当于一台升压变压器。当变压器工作在电抗器模式时，低压线圈两柱上的线圈分别串联后再并联，由中间抽头输出电流，高压线圈断开，不构成电气回路，此时每柱上两个低压线圈中流过的电流方向相反，感应电势互相抵消，在线圈中仅存在漏磁通，此时输出变压器相当于一台平衡电抗器。

输出变压器由三台独立的单相变压器通过外部母排或电缆连接构成三相变压器，高压线圈和低压线圈的接线原理如图5所示， 1U、1V、1W为高压三相，2U、2V、2W为低压三相。

如图6所示，在低压线圈与高压线圈之间，以及在低压线圈与铁心之间，设有主绝缘，该主绝缘留有较大的绝缘裕度。其采用厚度为3mm的聚酯亚胺绝缘筒，增加了绝缘强度，减小了绝缘距离，使变压器结构更加紧凑，同时也使电场分布趋于均匀，减少局部放电的发生。

同时如图6中所示，在低压线圈的每柱上两个线圈之间设置弓形气道6，该气道6的横截面形状设为弓形，该气道6的宽度设为22mm，增加低压线圈的散热面积，保证温升处在较低的水平。

本发明一种用于高压大功率变流器输出的变压器的耐冲击强度，采用以下方法检测，该方法包含以下步骤：

步骤1 在变压器上施加为脉宽调制波的电压。

步骤2 调制变压器上所施加的电压的波形。

步骤2.1 调制电压的起始部分，使该起始部分与雷电冲击波的波形接近。

步骤2.2 调制电压的幅值持续时间，加长电压的幅值持续时间，该脉宽调制波电压幅值持续时的平直部分对变压器线圈内电压分布影响不大。

步骤2.3 调制电压的下降部分，使该下降部分接近截波的截断部分。

步骤3 提高变压器上施加电压的冲击水平，考核输出变压器的耐冲击强度。

步骤4 检测变压器的工况，判断变压器是否正常工作，若是，则继续提高变压器上施加电压的冲击水平，同时持续检测变压器的工况，并跳转到步骤3，若否，则跳转到步骤5。

步骤5 获取并记录下变压器由于施加了脉宽调制波电压后，非正常工作时变压器上施加的脉宽调制波电压数据，通过该模拟实验判断该变压器的电压强度是否满足IGCT逆变器高du/dt工况，且保证变压器的使用寿命达到设计寿命，若是，则说明该变压器符合30年的设计寿命且满足工况要求，若否，则说明该变压器不符合设计要求。

如图7所示，本发明变压器一种用于高压大功率变流器输出端的适用电抗器模式、变压器模式和检修模式切换的接线的实施例的电路原理图。

变压器的高压线圈和低压线圈对应设置。低压线圈的输入端电路连接PWM调制波电源，该低压线圈的中点上设有中点抽头0，该中点抽头0电路连接开关K2 ，该开关K2的另一端电路连接负载磁浮列车，该开关K2还配有开关K4，K4的另一端接地。高压线圈的输出端电路连接开关K1，开关K1的输出端电路连接负载磁悬浮列车，该开关K1还配有开关K3，该K3接地。

在变电所中将交流电通过整流变为直流电，通过变频器采用PWM变压变频技术，将直流电调整为脉宽调制波电源。该脉宽调制波电源施加于输出变压器的低压线圈，通过低压线圈与高压线圈之间的调压，通入进而磁悬浮列车直线电机绕组上，牵引机车前进并对磁悬浮列车速度进行控制。

以下结合图7说明本发明变压器的运作流程。

输出变压器可以有两种运行模式。第一种是电抗器运行模式，变频器输出电压和频率较低，f =0～(30～70)Hz，K1断开，K2闭合，两变频器输出电压相位相同，通过输出变压器低压绕组的中点抽头，供给负载磁悬浮列车直线电机电源。

第二种是变压器运行模式，即变频器输出电压和频率较高，f= (30～70)～300Hz，K1闭合，K2断开。为提高等效开关频率、减少开关损耗和谐波含量，采用变压器式多重化技术，两变频器输出电压相位相差180°,输出电压升高，可减少线路损耗。

 当需要检修变压器时，为检修模式，该工况3下，打开K1和K2，闭合开关K3和K4，使系统接地，变压器中放电，保证施工安全。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (1)

1.一种用于高压大功率变流器输出的变压器，其特征在于，

所述用于高压大功率变流器输出的变压器为由三台独立的单相变压器连接组成的三相变压器；

每个单相变压器中包含铁心，分别绕设在铁心的铁心柱上的高压线圈和低压线圈，以及分别设置在铁心、高压线圈与低压线圈之间的绝缘结构；

每个单相变压器中，所述高压线圈为单相的，高压线圈分为两个部分，该两个部分分别设置在铁心的两个铁心柱上，且采用两柱线圈并联的结构，并采用多层层式结构；

每个单相变压器中，所述低压线圈为单相的，且分为依次串联连接的第一部分、第二部分、第三部分和第四部分，每部分都采用单层层式结构，第二部分与第三部分之间设有中点抽头，四个部分绕设在两根铁心柱上，其中第一部分与第三部分绕设在一根铁心柱上，第二部分与第四部分绕设在另一根铁心柱上；当所述变压器工作在变压器模式，低压线圈位于两个铁心柱上的线圈交叉串联，即第一部分、第二部分、第三部分和第四部分依次串联连接；当所述变压器工作在电抗器模式时，第一部分与第三部分串联连接，第二部分与第四部分串联连接，两串联电路再并联连接，由第二部分与第三部分之间设置的中点抽头作为输出端子，输出电流；

所述高压线圈与低压线圈为通过磁路耦合的独立绕组；

所述的铁心的主级中间设有气道（1）；所述的气道（1）宽度设为15mm至25mm；

所述的高压线圈和低压线圈的导线采用组合换位导线；

所述的高压线圈和低压线圈分别还设有匝绝缘，所述的匝绝缘采用无纺布与聚酰亚胺漆膜双重绝缘结构，该无纺布上浇注有树脂；

所述的高压线圈分别电路连接第一开关（K1）和第三开关（K3）；高压线圈通过第一开关（K1）电路连接至负载；通过第三开关（K3）接地；

所述低压线圈的中点抽头分别电路连接第二开关（K2）和第四开关（K4）；低压线圈的中点抽头通过第四开关（K4）接地；通过第二开关（K2）电路连接至负载；

当变压器处于电抗器模式，第一开关（K1）、第三开关（K3）、第四开关（K4）断开，第二开关（K2）闭合，通过输出变压器低压绕组的中点抽头，提供负载电源；

当变压器处于变压器模式，第二开关（K2）、第三开关（K3）、第四开关（K4）断开，第一开关（K1）闭合；

当变压器处于检修模式，第一开关（K1）、第二开关（K2）断开，第三开关（K3）、第四开关（K4）闭合，变压器接地放电。