Descripción
Introducción:
Normalmente conectado al extremo de salida del generador, se requiere un transformador reductor debido al alto voltaje de salida del generador y al bajo voltaje nominal del sistema de excitación.
El funcionamiento seguro y estable de los transformadores de excitación para generadores es un requisito previo para el funcionamiento seguro y estable de las unidades auto-excitadas, un requisito para la generación de energía estable y a plena carga de los generadores, y un factor clave para la operación confiable de los sistemas de excitación.
La energía eléctrica requerida para el sistema de excitación se obtiene de la salida del generador. La función del transformador de excitación es reducir el voltaje de salida del generador (22 kV) al voltaje de entrada del tiristor de potencia (850 V), proporcionar aislamiento eléctrico entre el terminal del generador y el devanado de excitación, y también servir como la impedancia de rectificación del tiristor de potencia.
La forma y características del transformador de excitación:
Los transformadores de excitación se dividen principalmente en cuatro tipos según los métodos de aislamiento:
(1) Transformador seco de resina epoxi fundida.
(2) Transformador seco con bobinados de fibra de vidrio libre de álcali.
(3) Transformador seco tipo MORA.
(4) Transformador sumergido en aceite.
Los transformadores sumergidos en aceite son transformadores tradicionales que están siendo gradualmente reemplazados por transformadores secos.
Los transformadores secos tienen características superiores como prevención de incendios, prevención de explosiones y protección ambiental, y se han convertido en la aplicación principal de los transformadores de excitación.
El primer transformador seco de resina epoxi fue fabricado por la empresa alemana AEG en 1964.
Características del transformador seco de resina epoxi fundida:
(1) Alta resistencia al aislamiento, la resina epoxi para el moldeado tiene una resistencia al desgarro del campo de aislamiento de 18-22 kV/mm, y tiene aproximadamente la misma resistencia al impulso de rayos que los transformadores sumergidos en aceite del mismo nivel de voltaje.
(2) Gran resistencia a los cortocircuitos.
(3) Excepcional rendimiento en la prevención de desastres, la resina epoxi es retardante de llama y puede autoextinguirse, sin causar explosiones.
(4) Excelente rendimiento ambiental, la resina epoxi es a prueba de humedad y polvo, y puede operar en condiciones ambientales severas.
(5) La carga de mantenimiento es pequeña.
(6) Pérdidas operativas bajas, alta eficiencia operativa y bajo ruido.
(7) Tamaño pequeño, peso ligero, fácil instalación y depuración.
Características del transformador seco tipo MORA:
(1) El transformador seco tipo MORA es un tipo de transformador nuevo desarrollado por la fábrica de transformadores MORA en Alemania en la última década para adaptarse a nuevos conceptos ambientales y la aplicación de nuevos procesos y materiales.
(2) El devanado de alto voltaje del transformador seco MORA está estratificado y aplanado sobre un soporte de cerámica con buen rendimiento aislante. Los devanados de alto y bajo voltaje, así como los conductos de aire de refrigeración longitudinales y transversales entre los devanados, hacen que el transformador tenga una buena capacidad de resistencia a sobrecargas y cortocircuitos a corto plazo.
(3) Los transformadores secos tipo MORA sumergen los devanados en pintura aislante compuesta y luego los secan bajo condiciones de vacío, con un proceso simple.
(4) El aislamiento de los devanados del transformador está hecho de fibra de vidrio o papel NOMEX, logrando aislamiento de nivel F o H.
(5) El tipo MORA tiene buenas propiedades retardantes de llama.
(6) El tipo MORA puede ser desmontado después de un fallo. El material del devanado puede ser reciclado y reutilizado.
(7) El tipo MORA no requiere equipos de vertido ni moldes, lo que puede ahorrar considerablemente la inversión inicial y proporcionar mayor flexibilidad en el diseño del producto.
(8) El tipo MORA tiene una carga de trabajo ligeramente mayor para la operación y el mantenimiento, y las reparaciones son relativamente fáciles.
En la actualidad, los transformadores de resina epoxi fundida son más utilizados en Europa y Asia, mientras que los transformadores tipo MORA son más comunes en Estados Unidos.
El nivel de impacto en seco del vertido de resina epoxi puede alcanzar los 250 kV, mientras que el tipo MORA es de 150 kV.
La capacidad máxima de los transformadores secos de resina epoxi puede alcanzar los 20 MVA, mientras que los transformadores tipo MORA solo pueden alcanzar entre 8-10 MVA.
Requisitos generales para transformadores de excitación:
El rectificador de potencia de excitación de un generador que utiliza el método de excitación auto-paralela es alimentado por un transformador de excitación. El lado de alto voltaje del transformador de excitación generalmente está conectado al bus del terminal del generador, y el lado de bajo voltaje está conectado a un rectificador puente controlado trifásico de tiristor.
La carga del rectificador de potencia de excitación es un generador con alta inductancia y aislamiento a tierra. Las características de la carga y el cableado del transformador de excitación, así como los requisitos específicos de la red eléctrica y la planta de energía para el sistema de excitación del generador, hacen que las condiciones de trabajo y los requisitos técnicos del transformador de excitación del generador hidroeléctrico auto-paralelamente excitado no sean completamente los mismos que los de los transformadores de potencia aplicados en general, principalmente en los siguientes aspectos.
(1) La corriente del devanado del transformador de excitación es una corriente no sinusoidal, y el diseño del transformador debe tener en cuenta la influencia de las corrientes armónicas en el devanado. Debido a que la constante de tiempo del rotor del generador generalmente está en el orden de varios segundos, la corriente del tiristor del dispositivo rectificador de potencia de excitación y la corriente de línea en el lado de CA (es decir, el lado de bajo voltaje del transformador de excitación) se consideran como ondas rectangulares, con componentes fundamentales y armónicos. Las corrientes armónicas aumentarán las pérdidas de cobre y hierro del transformador y distorsionarán la forma de onda de voltaje en el terminal del generador. Por lo tanto, cuando se diseñan y fabrican transformadores de excitación, es necesario considerar el impacto de las corrientes armónicas en los devanados del transformador, incluidos la densidad magnética, la capacidad, la capacidad de sobrecarga, etc. del núcleo del transformador, que deben ser tenidos en cuenta. Las corrientes armónicas pueden causar ruido armónico durante la operación del transformador, por lo que se deben considerar medidas para reducir el ruido armónico en la estructura y la resistencia mecánica del núcleo de hierro y el devanado.
(2) Como transformador de excitación conectado al extremo del generador, debe ser diseñado según los requisitos técnicos del equipo eléctrico en el terminal del generador. Según los requisitos de la norma GB 1094.1 "Transformadores de Potencia Parte 1 Principios Generales", cuando el generador está cargado, los terminales conectados al transformador y al generador deben ser capaces de soportar 1.4 veces el voltaje nominal durante 5 segundos. Por lo general, se requiere que opere durante 60 segundos bajo un sobrevoltaje de 1.3 veces el voltaje nominal en el terminal del generador. El transformador de excitación debe poder operar continuamente durante mucho tiempo con un 110% del voltaje nominal.
(3) El voltaje nominal del devanado de bajo voltaje del transformador de excitación debe ser diseñado y seleccionado de acuerdo con los requisitos del voltaje pico de excitación cuando el generador está fuertemente excitado. Cuando el generador está fuertemente excitado, hay un requisito máximo para el voltaje de salida del rectificador de potencia de excitación, que es el voltaje pico de excitación del generador. El voltaje pico de excitación se selecciona de acuerdo con los requisitos del sistema eléctrico donde se encuentra el generador.
(4) La capacidad del transformador debe poder satisfacer la capacidad de excitación requerida para el funcionamiento continuo a largo plazo del generador. Cuando la corriente y el voltaje de excitación del generador son 1.1 veces la corriente y el voltaje nominales de carga de excitación, puede operar continuamente durante mucho tiempo.
(5) La capacidad de sobrecarga del transformador de excitación debe poder cumplir con los requisitos de la capacidad de excitación y la duración de la excitación fuerte del generador. Cuando el transformador de excitación es fuertemente excitado por el generador, el generador opera con el voltaje pico de excitación, y el valor estable de la corriente de excitación también es la corriente pico de excitación. En este momento, la potencia de excitación tiene el mayor requisito para la capacidad de carga del transformador de excitación.
(6) Se debe instalar un blindaje de aislamiento estático y una conexión a tierra entre los devanados de alto y bajo voltaje del transformador de excitación. Cuando el transformador se pone en operación y ocurre un sobrevoltaje transitorio en el lado de alto voltaje, se generará un sobrevoltaje en el devanado de bajo voltaje del transformador de excitación a través de la capacitancia distribuida entre los devanados de alto y bajo voltaje del transformador de excitación. Para reducir el sobrevoltaje en el lado de bajo voltaje del transformador de excitación en este momento, se debe instalar un blindaje electrostático entre los devanados de alto y bajo voltaje del transformador de excitación y conectarlo a tierra junto con el núcleo del transformador para evitar amenazas de sobrevoltaje a la seguridad del rectificador de potencia de excitación. El blindaje estático también puede reducir el impacto de las armónicas de alto orden y el sobrevoltaje en el devanado de alto voltaje y la red eléctrica del devanado de bajo voltaje del transformador, y mejorar la compatibilidad electromagnética del transformador de excitación.
Además, como categoría de aplicación de los transformadores de potencia, los transformadores de excitación deben cumplir con los requisitos técnicos de los transformadores de potencia en general. Esto incluye los siguientes aspectos:
(1) El aumento de temperatura operativa y el nivel de resistencia al calor del aislamiento.
(2) Capacidad para soportar cortocircuitos.
(3) Nivel de aislamiento.
(4) Requisitos para los equipos auxiliares, incluidos los transformadores de corriente, dispositivos de monitoreo de temperatura, etc.
(5) Otros factores incluyen el nivel de ruido, el nivel de descarga parcial y la simetría trifásica.
Aún existen algunos requisitos técnicos relacionados con la ingeniería para los transformadores de excitación en aplicaciones prácticas de ingeniería, tales como:
(1) Tipo y estructura del transformador de excitación.
(2) Método de ensamblaje y nivel de protección.
(3) El método de instalación y los requisitos en el sitio de la planta de energía, incluyendo la conexión con el bus del generador.
Para facilitar el transporte o una conexión adecuada con el bus aislado de fase del generador, los grandes transformadores de excitación de generador generalmente adoptan una estructura de transformadores monofásicos formando un grupo de transformadores trifásicos, y se requiere que los transformadores monofásicos tengan la misma estructura y buena intercambiabilidad.
Estructura y diseño del transformador de excitación:
A continuación se presenta un ejemplo de transformador seco de resina epoxi fundida.
núcleo de hierro:
El núcleo de hierro es el circuito magnético de un transformador, compuesto por chapas de acero al silicio y dispositivos de sujeción. El material del núcleo de calcio está hecho de chapas de acero al silicio orientado al grano de alta calidad, con una estructura de junta completamente inclinada de 45°. El núcleo está envuelto con cinta aislante y sellado con resina especial en la superficie. El núcleo de hierro debe estar conectado a tierra en un punto; de lo contrario, formará una corriente circulante y aumentará las pérdidas. La pérdida en vacío de los transformadores se debe principalmente a la pérdida del núcleo de hierro.
Las principales medidas para reducir las pérdidas en vacío de los transformadores son: ① reducir la densidad magnética de los núcleos del transformador; ② Seleccionar materiales de chapas de acero al silicio de alta calidad para el núcleo; ③ Reducir el grosor de las chapas del núcleo y adoptar una estructura de junta completamente inclinada.
Devanado:
El devanado es el componente más importante de un transformador seco, compuesto principalmente por cables (cables de zinc) y estructuras aislantes (resina).
La estructura del devanado determina la capacidad nominal, el voltaje nominal y las condiciones operativas.
La pérdida de carga de un transformador está compuesta por pérdidas de resistencia y pérdidas adicionales en los cables de devanado. El cálculo del devanado debe cumplir con los siguientes requisitos:
(1) Resistencia eléctrica. El aislamiento del devanado debe cumplir con los requisitos de voltaje de prueba de frecuencia de potencia y el impulso de rayo establecidos por las normas nacionales o los requisitos del usuario, y debe dejar un cierto margen.
(2) Resistencia al calor. Durante la operación a carga, el aumento de temperatura del devanado no debe exceder el límite de aumento de temperatura especificado por el nivel de resistencia al calor del material aislante.
(3) Resistencia mecánica. La fuerza eléctrica generada por los devanados de transformadores secos bajo la acción de la corriente de cortocircuito causará el desplazamiento de los devanados y cambios en la impedancia de cortocircuito, ambos deben cumplir con los requisitos de las normas nacionales.
Para los transformadores secos de fundición, el devanado de alto voltaje se vierte con resina en el molde, y el extremo del devanado de bajo voltaje se encapsula con resina.
Los materiales de devanado son principalmente cobre y aluminio. Según las propiedades físicas del sistema de resina y el material conductor en sí, el coeficiente de expansión térmica del sistema de resina relleno con hilo de fibra de vidrio es similar al del cobre. Por lo tanto, los transformadores secos rellenos con hilo de fibra de vidrio suelen usar conductores de cobre. El coeficiente de expansión térmica del sistema de resina relleno con polvo de silicio es similar al del aluminio, por lo que los conductores de aluminio se usan comúnmente en transformadores secos rellenos con polvo de silicio. Los transformadores secos con devanados de aluminio tienen desventajas como baja resistencia mecánica y altos requisitos para la calidad de soldadura.
Existen dos tipos principales de conductores usados para devanados de transformadores: lineales y tipo hoja.
Los tipos de devanado incluyen devanado estratificado y devanado en hoja.
La tecnología del devanado de alto voltaje está madura, la calidad del aislamiento es confiable, el grado de automatización es alto y la tasa de utilización es superior al 70%.
El devanado de hoja de bajo voltaje tiene alta eficiencia, ahorra materiales, tiene menos fuga magnética, fuerte resistencia a cortocircuitos y una tasa de utilización superior al 90%.
Selección del transformador de excitación:
En cuanto al diseño y la estructura, el transformador de excitación, como los transformadores de distribución comunes, tiene un voltaje de cortocircuito del 4% al 8%. Teniendo en cuenta que el transformador de excitación debe ser confiable, debe tener una cierta capacidad de sobrecarga durante la excitación fuerte. Y el suministro de potencia de excitación generalmente no se diseña como una fuente de energía de respaldo, por lo que es recomendable elegir un transformador seco con mantenimiento sencillo y fuerte capacidad de sobrecarga. Si consideramos reducir el costo del sistema de excitación, también es factible utilizar transformadores sumergidos en aceite.
Cuando el transformador de excitación se instala al aire libre, el cable entre el lado del transformador y el puente rectificador no debe ser demasiado largo debido a la caída de voltaje reactivo, especialmente en el caso de corriente de excitación alta, lo cual debe ser considerado. No es recomendable usar cables blindados de núcleo único. En su lugar, deben seleccionarse cables de goma. Cuando un cable blindado de núcleo único se suministra con corriente alterna, inducirá un alto voltaje y una corriente significativa en el blindaje de acero, causando interferencia con los cables de comunicación.
① Rendimiento y cableado del transformador de excitación. El rendimiento y los requisitos de cableado del transformador de excitación deben ser claramente definidos, como el tipo, la capacidad nominal (que cumpla con los requisitos del sistema de excitación), el aumento de temperatura, los requisitos de voltaje de aislamiento, el grupo trifásico de cableado del transformador, el nivel de aislamiento, el nivel de ruido y el nivel de descarga parcial.
② Requisitos técnicos. Aclara los requisitos técnicos detallados para los transformadores de excitación, y en el proceso de selección, algunas plantas hidroeléctricas requieren el uso de transformadores de excitación de fabricantes nacionales bien conocidos.
③ Para las unidades que utilizan apagado por frenado eléctrico, es necesario aclarar si el transformador de excitación también sirve como el transformador de frenado.
