一种150Hz三相一体±400kV强抗短路换流变压器的制作方法

本发明属于变压器生产制造，尤其涉及一种150hz三相一体±400kv强抗短路换流变压器。

背景技术：

1、近年来，能源问题的严峻性日益得到全人类的重视，聚变能高度清洁且资源近乎无限的优点，使其被视为有望彻底解决人类能源危机的最佳能源。然而，聚变能的和平利用和商业化开发比较艰难、尚未完全实现。世界范围内多位高级专家经过数十年的钻研，科研技术专家人员达成了普遍共识：基于托卡马克装置的磁约束核聚变是实现聚变能商业化利用最可能的解决方案，而氘氚反应(d+t→4he+n+17.6mev)是目前最容易实现的聚变反应。为了实现氘氚聚变反应、进而实现等离子体的自持燃烧，必须将等离子加热到10kev以上，这是实现聚变点火的必要条件之一。但是，等离子体自身的欧姆加热只能将等离子体加热到1kev左右。因此，必须采用辅助手段对等离子体进行加热。目前已成功应用且受到广泛重视的辅助加热手段是大功率负离子源中性束系统(negative-ion-based neutral beaminjectors，n-nbi)，是未来聚变装置必须的辅助加热系统，而其电源系统中的升压换流变压器有容量高、变比高、频率高、电压等级高、频繁短路和方波运行等特殊要求，国内外均无此类变压器的研发设计、生产和运行经验，因此，对此升压换流变压器的设计研发至关重要，是需要优先解决攻克的关键和难点任务。

2、换流变压器是高压直流输电工程换流站内最重要的设备之一，它处在交流电与直流电相互变换的核心位置，与换流阀一起实现交流电与直流电之间的相互转换。换流变压器可以根据直流系统的要求设计所需要的结构型式，可以是三相一体或者单相，高电压换流变压器受容量大小、绝缘水平、运输限制、换流阀和阀厅的布置、试验条件等的限制，一般以单相为主，这就需要三台单相换流变压器连接组合形成一个三相换流变压器，成本较高、接线布置麻烦。

3、聚变堆主机关键系统综合研究设施建成后将为我国开展聚变堆核芯部件研发和建设提供重要技术支撑，而craft-nnbi高压电源系统中的±400kv/150hz强抗短路升压换流变压器是其中的重要一环，可实现低压侧与高压侧之间的可靠电气隔离，决定着整个逆变型直流高压电源的安全可靠；同时，此升压换流变压器为后级高压整流器提供高电压输入，为后级的核聚变反应创造条件。

4、该项目成果是世界首台±400kv/150hz强抗短路升压换流变压器，专门为“人造太阳”项目组—中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所研制的特殊换流变压器。该型换流变压器运行频率为150hz，不同于50hz工况，极其复杂，不仅长期承受交、直流电压共同作用，还面临负载侧频繁短路的考验，且根据现场场地要求，必须为三相一体换流变压器，其技术难度远大于常规的单相换流变压器。

5、综上所述，如何研制出运行频率是150hz，具有强抗短路能力，可以抵抗频繁短路冲击，高绝缘水平达到了±400kv的三相一体换流变压器，解决以上重大技术问题，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明提出一种150hz三相一体±400kv强抗短路换流变压器，实现运行频率为150hz，长期承受交、直流电压共同作用，还面临负载侧频繁短路的考验。本发明所采用的技术方案如下：

2、一种150hz三相一体±400kv强抗短路换流变压器，包括长方体结构的油箱，在油箱一长度侧面固定设置阀侧套管a、阀侧套管b和阀侧套管c，在油箱上部靠近另一长度侧面固定设置三根网侧套管并固定设置油枕，油箱内放置变压器器身，所述的变压器器身为三相三柱式，由铁芯结构和绕组结构组成，绕组结构包括阀侧绕组和网侧绕组，阀侧绕组采用内屏连续式结构，跨两段屏，网侧绕组采用螺旋式结构，铁芯结构的外周设置芯柱地屏结构，芯柱地屏结构为铜带纸筒地屏结构，铜带直接粘贴在纸筒上，铜带外侧粘两层高密度纸固定，一次侧绕组和二次侧绕组之间设置屏蔽装置和屏蔽装置静电环，静电环为d型结构，在屏蔽装置上下端部通过绝缘端圈各固定安装一个静电环。

3、优选的，绕组结构选用自粘性换位导线，自粘性换位导线采用耐高温自粘漆，绕组结构选用去网纹、加密型绕组垫块，铁芯结构的主柱采用聚酯带绑扎，配合以圆木棒以及拉板外新增撑条将铁芯结构的主柱加固。

4、优选的，阀侧绕组为星形接法的三相换流变压器，a、b、c三相主柱上的阀侧绕组首端的引出线分别引出，通过出线装置屏蔽防护从所述箱体的长轴侧面引出油箱箱体外，进入阀侧升高座接阀侧套管a、阀侧套管b和阀侧套管c三相套管；a、b、c三相主柱上的阀侧绕组末端的引出线直接进行星形连接，不引出油箱箱体外；b相主柱上的阀侧绕组末端采用倍线结构，a、b、c三相主柱上的阀侧绕组末端分别通过a、b相间和b、c相间的引出线连接完成星形连接。

5、优选的，网侧绕组为三角形接法的三相换流变压器，a、b、c三相主柱的网侧绕组首端和末端引出线分别引出，三相网侧绕组首端和末端引出线在油箱内部完成三角形连接，并通过引出线从油箱顶部引出所述箱体外，所述引出线的外周套设有网侧套管。

6、优选的，绕组结构的自粘性换位导线的屈服强度为160n/mm2。

7、优选的，阀侧套管a与阀侧套管b之间，以及阀侧套管b与阀侧套管c之间，固定设置有夹角并且倾斜向上固定安装。

8、优选的，三根网侧套管垂直或倾斜固定安装在油箱的上侧面，油枕通过支撑架固定安装在油箱的上侧面，油枕的下部通过管路与油箱内部连通，在油箱远离阀侧套管a、阀侧套管b和阀侧套管c的侧面固定设置冷却系统，冷却系统通过管路分别与油箱的上部和下部连通，在油箱下部设有注放油阀门及事故放油阀门，油枕与呼吸器通过管路连接，油枕与固定安装在油箱中下部的油枕注放油阀门通过管路连接。

9、优选的，端子箱固定安装在油箱宽度侧面的中下部，压力释放阀固定安装在油箱的上部，并连通引下管路，油箱的一侧固定设置爬梯，油箱一侧下部开设人孔门。

10、优选的，设置注放油阀门为dn80球阀，事故放油阀门为dn150球阀并配备泄油管路，压力释放阀的引下管路避开地基，爬梯带有护笼，人孔门带有门轴。

11、优选的，二次信号接线统一汇到端子箱中。

12、本发明的有益效果是：

13、第一、提出了基于150hz频率的抗短路升压换流变压器优化电磁方案及整体布置方案。

14、综合考虑150hz工作频率对换流变压器主纵绝缘结构、漏磁控制、温升控制、损耗控制、噪声控制带来的影响，制定了±400kv/150hz抗短路升压换流变压器电磁方案以及三相、高电压、小容量的总体结构布置技术方案。该方案保证变压器可满足特殊的运行工况，以及现场对空间布局的苛刻要求。

15、第二、研究制定了三相±400kv/150hz抗短路升压换流变压器主绝缘结构。

16、在研究频率对变压器油和绝缘纸板介电常数的影响下，根据前期特高压换流变研发经验，设计出符合三相±400kv/150hz变压器的主绝缘结构，确定了绕组导线、轴向油道、匝间电容补偿、端部静电环、器身屏蔽结构。

17、第三、解决150hz抗短路升压换流变压器漏磁、损耗以及噪声控制难题。

18、合理设计磁通密度以及铁芯结构，保证将空载损耗以及噪声控制在要求范围以内。变压器结构件损耗与频率正相关，与结构件本身的材料特性也密切相关，通过测试所用钢材磁特性曲线，利用仿真软件精确计算关键结构件的最大漏磁密度及损耗密度，采取合理的屏蔽措施，解决了变压器漏磁损耗计算及热点控制难题。

19、第四、提出三相一体±400kv/150hz换流变压器强抗短路设计方案。

20、三相一体±400kv/150hz升压换流变压器需要承受5秒内短路50次及1000秒内短路200次的频繁短路等特殊运行工况，必须考虑短路累积问题。通过对短路累积效应的研究，将极端短路工况等效至已有变压器短路理论模型下，研究分析极端工况下绕组和器身结构的受力特点，确定合理的设计裕度。计算最优的安匝排布、导线电密、油道大小；设计出加强型绕组绑扎结构、器身固定结构；制定可靠的绕组绕制、器身压服工艺，保证变压器可经受最严苛的短路考验。