直流变压器功率阀组设计_顾志斌.pdf

直流变压器功率阀组设计顾志斌1,李 林1,姚 宁1,戴 伟1,张中锋2,孟 佳1(1.常州博瑞电力自动化设备有限公司,江苏 常州2 1 3 0 2 5;2.南京南瑞继保电气有限公司,江苏 南京2 1 1 1 0 0)摘 要:直流变压器功率阀组是直流变压器在直流配电网中实现电压等级变换的关键设备。基于直流配电网示范工程要求,首先介绍了直流变压器拓扑结构及技术路线。然后在输入1 0k V、输出3 7 5V的实际工作电压等级下分析了直流变压器功率阀组的绝缘要求,在此绝缘要求下进行功率阀组结构设计及静力仿真,同时完成了功率柜阀组的散热设计及仿真。最后,通过直流耐压试验和功率试验验证了直流变压器功率阀组的绝缘水平和散热性能满足示范工程要求。关键词:直流变压器;功率阀组;结构设计;散热;试验仿真中图分类号:TM 4 1 D O I:1 0.1 9 7 6 8/j.c n k i.d g j s.2 0 2 3.0 2.0 3 8D e s i g no fD CT r a n s f o r m e rP o w e rV a l v eG r o u pGUZ h i b i n1,L IL i n1,YAON i n g1,D A IW e i1,Z HAN GZ h o n g f e n g2,ME N GJ i a1(1.N RE l e c t r i cP o w e rE l e c t r o n i c sC o.,L t d.,C h a n g z h o u2 1 3 0 2 5,C h i n a;2.N RE l e c t r i cC o.,L t d.,N a n j i n g2 1 1 1 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:D Ct r a n s f o r m e rp o w e r v a l v eg r o u p i s t h ek e ye q u i p m e n t f o rD Ct r a n s f o r m e r t o r e a l i z ev o l t a g e l e v e l t r a n s f o r m a-t i o n i nD Cd i s t r i b u t i o nn e t w o r k.F i r s t l y,b a s e do n t h e r e q u i r e m e n t so fD Cd i s t r i b u t i o nn e t w o r kd e m o n s t r a t i o np r o j e c t,t h et o p o l o g ya n d t e c h n i c a l r o u t eo fD Ct r a n s f o r m e r a r e i n t r o d u c e d.T h e n,t h e i n s u l a t i o nr e q u i r e m e n t so fD Ct r a n s f o r m e rp o w-e rm a n i f o l d sa r ea n a l y z e da t a c t u a l o p e r a t i n gv o l t a g e l e v e l so f1 0k Vi n p u t3 7 5Vf o r o u t p u t.U n d e r t h i s i n s u l a t i o nr e-q u i r e m e n t,t h es t r u c t u r ed e s i g na n d s t a t i c s i m u l a t i o no f t h ep o w e r v a l v eg r o u pa r e c a r r i e do u t,a n d t h eh e a t d i s s i p a t i o nd e-s i g na n ds i m u l a t i o no f t h ep o w e r c a b i n e tv a l v eg r o u pa r ec o m p l e t e d.F i n a l l y,t h e i n s u l a t i o n l e v e l a n dh e a td i s s i p a t i o np e r-f o r m a n c eo f t h eD Ct r a n s f o r m e rp o w e rv a l v eg r o u pa r ev e r i f i e db yD Cw i t h s t a n dv o l t a g e t e s t a n dp o w e r t e s t,w h i c hm e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c t.K e yw o r d s:D Ct r a n s f o r m e r;p o w e rv a l v eg r o u p;s t r u c t u r a l d e s i g n;h e a td i s s i p a t i o n;t e s t a n ds i m u l a t i o n收稿日期:2 0 2 2-0 6-1 4作者简介:顾志斌(1 9 9 1-),硕士,研究方向为柔性交直流输电技术、配电网技术。0引言近年来,随着海上风电、光伏发电等分布式可再生能源规模快速增长1,以及智能家居、电动汽车、数据中心等终端用户负荷直流化趋势明显,直流输配电技术发展迅速。与传统交流配用电相比,直流输配电具有损耗更低、电能质量更高、可靠环保等优势,能够充分适应直流新能源与直流负荷快速增长的趋势2-4。直流变压器作为直流输配中实现电压等级变换的关键设备,得到广泛关注5-8。国内实施的某直流配电网示范工程采用的直流变压器,可以实现供区内不同电压等级互联互济,光伏、风电发电、储能等新能源扩建接入,并为区内直流负荷直接供电,对保障供区内高端制造类企业电能质量和供电可靠性有着重要意义。直流变压器多为户内屏柜式产品,功率阀组是直流变压器能够 实 现 电 压 变 换 和 能 量 传 输 的 核 心。本 文 基 于I S O P型直流变压器,对直流变压器功率阀组进行了结构及散热设计,并通过直流耐压试验及功率试验验证其绝缘水平及散热性能。1直流变压器拓扑原理及技术路线1.1拓扑原理目前,国内外高校学者及企业对直流变压器提出了很多拓扑结构方案9-1 3,主要包括基于模块化多电平换流器(MMC)的方案1 4和基于模块化串入并出(I S O P)的方案1 5。其中,基于模块化I S O P拓扑方案因既能够适应直流配电网直流高压侧耐高电压要求,又能够满足低压侧耐大电流的需求,在工程上应用较为广泛1 6-1 7,其拓扑结构如图1所示。图1串入并出(I S O P)拓扑图921电力设备 电工技术 1.2技术路线本文在模块化I S O P拓扑方案的基础上,根据已有功率阀组模块结构以及产品绝缘配合要求对直流变压器进行整体结构及散热设计,并对直流变压器功率阀组进行直流耐压试验及功率试验,验证了其绝缘水平和散热性能。2结构与散热设计直流变压器输入为直流1 0k V,输出为直流7 5 0V,功率阀组布置在柜内。在紧凑的空间内,功率阀组布置需要满足电气间隙和爬电距离的绝缘配合要求。2.1绝缘配合要求2.1.1电气间隙电气间隙是带电导体之间或带电导体与金属设备之间的最小安全距离,即在保证设备电气性能的前提下,通过空气实现绝缘的最小距离。本文设计的直流变压器功率阀组,其高压侧带电导体与金属设备之间电压为1 0k V,根据G B/T3 1 1.1-2 0 1 2 绝缘配合 第1部分 定义、原则和规则1 8中相关规定,额定雷电冲击耐受电压为7 5k V,相应最小电气间隙为1 2 0mm。因为本文设计的直流变压器相关工程位于东部平原地区,环境最高温度低于4 0,海拔超过1 0 0 0m,所以不进行修正。I S O P拓扑结构的直流变压器,高压侧为串联,因此单个功率模块的分得电压为:UM=UG/N(1)式中,UM为单个功率模块电压;UG为高压侧电压;N为工作功率模块数量。通过式(1)可计算出UM=7 4 0V,直流变压器功率阀组低压侧电压为7 5 0V,根据G B/T1 6 9 3 5.1-2 0 0 8 低压系统内设备的绝缘配合 第1部分:原理、要求和试验1 9中相关规定,按照1 0 0 0V电压等级确定电气间隙,额定冲击电压为1 2k V,相应最小电气间隙为1 4mm。2.1.2爬电距离爬电距离是带电导体之间或带电导体与金属设备之间沿绝缘表面测量的最短距离,避免出现导体周围的绝缘材料被电极化,导致绝缘材料导电现象的最小距离。本文设计的直流变压器功率阀组,其高压侧带电导体与金属设备之间电压为1 0k V,根据G B/T1 6 4 3 4-1 9 9 6 高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及外绝缘选择标准2 0中相关规定,确定污秽等级为I I级,相应爬电比距为2 5mm/k V,由此计算出高压侧爬电距离最小为2 5 0mm。直流变压器功率阀组低压侧电压为7 5 0V,根据G B/T1 6 9 3 5.1-2 0 0 8 低压系统内设备的绝缘配合 第1部分:原理、要求和试验1 9中相关规定,相应爬电距离最小值为8mm。2.2结构设计直流变压器为户内设备,其功率阀组采用整体屏柜式结构。其中,直流变压器阀组模块均布在屏柜内部,由三段式导轨组件支撑,导轨中间段为绝缘材质,实现高压侧与低压侧之间的电气绝缘。导轨组件由竖直均布于阀组屏柜内的绝缘梁支撑,绝缘梁与屏柜之间通过整体金属支架和独立金属支架固定,用以保证绝缘梁的位置精度,从而保证阀组模块的位置精度。整体布局如图2所示。图2直流变压器功率阀组整体结构布局按照上述结构布局设计,高压侧带电导体与金属设备之间最小距离为2 0 0mm,低压侧正负极带电导体之间最小距离为5 0mm;高压侧带电导体与金属设备之间支撑绝缘子爬电距离为2 8 0mm,低压侧正负极带电导体之间支撑绝缘子爬电距离为7 5mm,故该结构直流变压器功率阀组绝缘配合满足要求。本文采用有限元仿真软件对直流变压器功率阀组进行静力仿真分析,将直流变压器功率阀组模型导入有限元仿真软件,设置各部分结构件材料参数并划分网格,得到如图3所示的有限元模型。图3功率阀组仿真模型整个功率阀组的静力载荷为阀组本身自重,在有限元仿真软件中施加载荷和约束,经计算并读取功率阀组的静力仿真结果,可知最大应力为8 4.8MP a,功率阀组最大变形约为0.7 2mm,阀组结构稳固,如图4、图5所示。2.3散热设计直流变压器功率阀组屏柜采用抽风方式进行强迫风冷散热,屏柜顶部布置两台离心风机。屏柜前后两侧柜门下半部分开有进风口,进风口处设有滤网,能有效防止灰尘进入屏柜。屏柜内部功率模块横向和纵向排列并保持一定间距,在同一列上下两个相邻阀组模块及同一排左右两个031电工技术 电力设备 图4功率阀组静载荷应力分布图5功率阀组静载荷形变量分布相邻绝缘梁形成散热通风通道,使空气流经散热器,达到散热效果。屏柜整体散热布置如图6所示。1-离心风机;2-进风口图6屏柜散热布置图直流变压器功率阀组发热量主要来自阀组模块中的S i C器件损耗及高压侧与低压侧之间的高频变压器和高频电感损耗。根据选用的S i C器件、高频变压器和高频电感的参数,计算得到各器件的发热量。本文采用散热仿真软件对直流变压器功率阀组屏柜进行散热仿真,在环境温度为3 5的条件下,计算得到直流变压器功率阀组内的散热器温度分布云图和流场分布图分别如图7、图8所示,散热器最高温升为3 1K,满足要求。3试验验证对设计的直流变压器功率阀组屏柜进行直流耐压试验和功率试验,验证其绝缘水平和散热性能。图7散热器温度云图图8流场分布图3.1直流耐压试验直流耐压试验参考G B/T3 3 3 4 8-2 0 1 6 高压直流输电用电压源换流器阀电气试验2 1开展。试验时各阀组模块通过铜箔将高压侧所有子模块短接、低压侧所有子模块分别短接,然后高压侧对低压侧打直流3 5k V/1m i n。试验接线示意图如图9所示,试验实物图如图1 0所示,试验过程应无放电声、无闪络,不应发生击穿。图9试验接线示意图图1 0试验实物图试验结果显示见表1,电压升至3 5.1k V时,无闪络现象、无放电声、未击穿,功率阀组绝缘水平满足工程要求。131电力设备 电工技术 表1绝缘试验结果试验项目应施电压Uc/k V实测电压Ut/k V持续时间/m i n试验结果直流耐压试验3 53 5.11无闪络、无放电声、未击穿3.2功率试验将直流变压器接入1 0k V直流母线,满功率运行2 4h,通过试验平台监测功率阀组各模块散热器温度。从检测结果可知,散热器最高温度为6 7,最高温升为3 2K。通过功率试验温升数据来看,直流变压器功率阀组设计合理,与前期仿真结果匹配。4结语基于示范工程要求,对1 0k V/3 7 5V直流变压器功率阀组进行结构及散热设计。经校核,设计的功率阀组的电气间隙和爬电距离满足绝缘配合要求,通过静力仿真和散热仿真对功率阀组的结构强度及散热性能进行校核。通过直流耐压试验验证了设计的直流变压器功率阀组的绝缘水平满足工程要求;通过功率试验验证了设计的直流变压器功率阀组的散热性能。参考文献1 迟永宁,梁伟,张占奎,等.大规模海上风电输电与并网关键技术研究综述J.中国电机工程学报,2 0 1 6,3 6(1 4):3 7 5 8-3 7 7 0.2 吴卫民,何远彬,耿攀,等.直流微网研究中的关键技术J.电工技术学报,2 0 1 2,2 7(1):9 8-1 0 6.3 周金辉,葛晓慧.直流微电网供电模式研究初探J.浙江电力,2 0 1 3,3 2(4):6-9.4 胡竞竞,徐习东,裘鹏,等.直流配电系统保护技术研究综述J.电网技术,2 0 1 4,3 8(4):8 4 4-8 5 1.5 赵争鸣,冯高辉,袁立强,等.电能路由器的发展及其关键技术J.中国电机工程学报,2 0 1 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