多晶硅還原爐用干式變壓器結構設計

創(chuàng)新者：雷 涌

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多晶硅還原爐用干式變壓器結構設計

創(chuàng)新者：雷 涌

能源危機下，光伏發(fā)電成為一種新型的清潔可再生能源，而為光伏發(fā)電提供原材料的多晶硅生產(chǎn)設備一直依賴進口，本司作為專業(yè)干式變壓器生產(chǎn)企業(yè)，成功開發(fā)出新型多晶硅還原爐用干式變壓器，打破該設備的進口局面。

能源危機下，光伏發(fā)電作為新一代清潔能源，在整個世界上越來越多的得到廣泛應用，而作為光伏發(fā)電的主要材料之一的太陽能光伏板，在生產(chǎn)過程中需要大量的多晶硅作為原材料，因此，越來越多的企業(yè)掌握市場先機，開始生產(chǎn)多晶硅。

而為多晶硅生產(chǎn)設備提供電源的整流變壓器一直以來都依賴進口，為打破這種局面，并提高民族品牌在國際市場的競爭力，我公司研究、開發(fā)、生產(chǎn)了多晶硅太陽能電池生產(chǎn)用專用干式變壓器，為促進清潔能源開發(fā)和利用做出了貢獻。

多晶硅還原爐用干式變壓器工作特征

還原爐變壓器低壓側通過控制晶閘管的觸發(fā)角來改變負載電流大小（如上圖）。

圖中波形為負載上的得到的電壓的波形，實線波形表示該檔位開通，虛線波形均表示對應的變壓器檔位被關斷。

變壓器運行時，在任意一個周波內，電壓相鄰的兩個檔位均有可能同時運行。在任意的半個周波內，同時運行的兩檔電壓的開通角度之和始終等于180°。另外，U1抽頭有可能獨立移相運行。

還原變壓器的運行過程中，由于各相的硅棒生長速度有可能不一致，就會導致三相長時間的不平衡運行，甚至有可能缺相運行。因此，變壓器的設計過程中，需要考慮到變壓器的上述運行特點。

針對上述特點，還原爐用變壓器具體要求如下

變壓器原邊繞組為三相三角形聯(lián)結。

副邊繞組為多個相互絕緣的獨立繞組，且每個繞組出多個電壓抽頭，每個抽頭電壓、電流均不同。

使用過程中要求變壓器具有良好的抗短路能力和抗系統(tǒng)電源諧波能力。

多容量段輸出，在還原爐工作中，隨著硅棒的長大，電阻由大變小，需要的電壓也由高到底，電流由小變大。在整個工作過程中，變壓器需要輸出的電流從200多安增到幾千安；電壓從2000多伏降低到兩百多伏。副邊繞組參數(shù)如下表所示。

從上表中可以看出，各個獨立的線圈必須滿足檔位由高到低時，電壓由高到低，電流由小到大。各檔位輸出容量也有不同。

下面以為某多晶硅生產(chǎn)企業(yè)設計生產(chǎn)的容量為9500 kVA多晶硅還原爐用干式變壓器為例，說明其設計結構和參數(shù)。

變壓器運行方式和結構：

此臺9500kVA多晶硅還原爐用干式變壓器一次為三角形聯(lián)結，一次電壓10kV。二次繞組為三個相互絕緣的線圈，每個二次繞組有5個抽頭輸出。其工作方式：三個二次線圈工作情況相同，首先是a5抽頭單獨工作，然后a4和a5同時工作，再是a4單獨工作，以此類推，最后是a1單獨工作。

根據(jù)以上運行方式，線圈設計結構如下：

多晶硅還原爐用干式變壓器工藝特點

變壓器多容量段輸出，低壓電流大，匝數(shù)少、電壓抽頭多、變比誤差大，要滿足相關標準和用戶對電壓的要求，需要合理的計算匝數(shù)。

低壓各個抽頭容量不一樣 ，電流不一樣，在磁場中的位置也不一樣，需合理布置繞組在磁場中的位置。

渦流損耗小、散熱性能好、阻抗平衡好：低壓最大電流（最小電壓）繞組（0和1抽頭）分布在外側（靠近高壓繞組側），由外向內依次排布。不運行的繞組通過精確計算及樣品實驗，雙重保證基準檔位的阻抗，其他檔位阻抗基于實際運行容量，充分滿足用戶的各種要求。由于負載不穩(wěn)定，變壓器必需具備承受長期的過載、過壓及較大的諧波電流的能力，而且由于硅棒倒棒的原因，所以同時還具有良好的抗突發(fā)短路能力。

機械強度高、耐受電壓的能力強：高壓線圈導線表面可采用H級或C級絕緣材料作為導體絕緣，匝間、層間采用同樣的絕緣材料做絕緣加強。

繞組安匝不平衡小，抗短路能力強：由于低壓電流大，低壓繞組采用德國MKM公司高純度圓邊銅箔與絕緣材料緊密繞制 ，箔式繞組無螺旋角，橫向漏磁小。同時，高壓繞組多處出分接，橫向漏磁小，橫向渦流損耗小。（軸向電動力跟橫向漏磁成正比）

經(jīng)過各種結構比對，采用目前方案，使產(chǎn)品成本與同容量的普通干式變壓器幾乎沒什么增加，并且各項性能最優(yōu)，如下圖所示。

由于多晶硅還原爐用干式變壓器后面的負載為調功柜，低壓側會有大量的諧波，因此，在設計時需要考慮其諧波的影響；而且在運行過程中可能會出現(xiàn)過載情況。綜合以上要點，制造時把優(yōu)質高牌號原材料作為了首選材料。

鐵芯采用進口高導磁晶粒取向硅鋼片，該硅片具有單位鐵芯損耗低的特點，50HZ/1.7T時，單位鐵損<1.2W/ kg，與國產(chǎn)硅鋼片相比低10%左右，硅鋼片材質均勻，每卷的任一段損耗基本無變化。 對于通常的配電變壓器，根據(jù)容量大小的不同，一般磁密選取在1.5～1.6T左右，遠遠低于該牌號硅鋼片的磁飽和點2.04T，損耗低，在制造鐵心時，我們采用先進的加工工藝： 1）采用45度全斜剪切；2）芯柱和軛鐵接縫處采用五步制進疊結構；3）芯柱不沖孔、PET帶（聚酯纖維帶）綁扎。該工藝與普通的三步制進疊相比，由于有效地改善了接縫處的磁場分布，從而有效地降低了空載電流和空載損耗。

變壓器高壓線圈在德國進口STOLLBERG公司全自動繞線機上繞制，其具有自動排線，自動計算，恒張力控制等功能。該設備與同類型半自動繞線機相比，可以根據(jù)導線的線徑大小、線圈的直徑大小等等基本參數(shù)來自動選取導線的繞制張力及每分鐘的繞制轉數(shù)，保證整個線圈的張力均勻，不會出現(xiàn)局部過松或過緊情況，也不會出現(xiàn)因為繞制張力過大而導致變壓器導線的截面被拉小（長度被拉長）的情況發(fā)生（變壓器的損耗與導線截面成反比，如果截面變小，變壓器的總損耗就會增加）。

低壓線圈采用德國MKM公司進口圓邊銅箔繞制，層間采用H級材料作為絕緣，繞制完成后，在固化爐中高溫固化成型。該種絕緣材料表面的預浸樹脂為半固化樹脂，在常溫下呈現(xiàn)固態(tài)形式，待繞制完成，送入固化爐后，吸附在絕緣材料表面的半固化樹脂在140℃重新液化，將銅箔與絕緣材料粘接在一起，并在150℃的溫度下再次固化，將樹脂、絕緣材料與銅箔牢固地固化成為一個剛性整體，并且此過程不可逆轉，線圈固化成型后，即使加再高溫度，樹脂仍然不再能轉化成液態(tài)。

結束語

通過各項工藝措施和試驗驗證，我公司生產(chǎn)的多晶硅還原爐用干式變壓器各項參數(shù)指標滿足用戶要求，已發(fā)貨的產(chǎn)品運行情況良好，進一步證明我司的設計結構合理，產(chǎn)品工藝符合該系列變壓器的生產(chǎn)。

雷 涌

海南金盤電氣有限公司

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.027