陳宗器

1 引言

眾所周知，在直流輸電系統(tǒng)中，換流變壓器是最重要的設備之一，它不僅參與了換流器的交流電與直流電的相互變換，而且還承擔著改變交流電壓數(shù)值、抑制直流短路電流等作用，此外特高壓換流變壓器容量大，由其組成的換流站額定功率為5200～6400MW，額定電流為 3250～4000A。額定電壓為±800kV、±600kV、±400kV、±200kV四檔換流變壓器，型式為單相、雙繞組、油浸式，設備復雜，投資昂貴，單臺平均突破4000萬元。西門子公司提供向上線的±800kV換流變壓器單臺售價高達1億元。因此，換流變壓器的可靠性、可用率以及投資對整個直流輸電系統(tǒng)起著關鍵性的影響。

我國掌握換流變壓器設計制造技術應該歸功于三峽工程的建設。

2 三峽工程簡介

三峽電網(wǎng)是三峽工程的三大組成部分之一，承擔著三峽電力外送的重要任務，要使機組發(fā)電“送得出、落得下、用得上”。原設計送電能力為華中12000 MW，華東7200 MW、川渝2000MW。三峽電網(wǎng)共建 500kV線路 9100km，其中交流輸電線路總長度6900km，直流輸電線路總長2200km，交流變電容量24750MVA，直流換流站容量12000MW。2002年起調(diào)整為：交流線路 55個單項，線路總長6519km，交流變電33個單項，變電容量22750MVA，直流工程總計3個單項，線路3條，總長2965km，換流站 6座總容量 18000MW。建設安排分三個階段：第一階段 1997-2003年關鍵是建三峽至常州直流輸電工程，并保證500kV交流工程配套送出，并加強鄂豫、鄂湘、鄂贛聯(lián)網(wǎng)。第二階段 2004-2006年關鍵是建三峽至廣東直流輸電工程，保證左岸電站發(fā)電送出，建設相應交流工程，第三階段2007-2010年確保右岸電站發(fā)電送出，關鍵是建三峽至上海直流工程，并保證500kV交流工程配套送出。實際執(zhí)行結果第三階段已于2007年提前結束，整個三峽輸變電工程 2008年 12月 20日通過國務院驗收，動態(tài)投資343.87億元。

三峽電站3條直流線路的建成，使中國成為世界上第一個直流輸電大國，并基本上學會自行設計、制造、建設、調(diào)試及運行。在資源配備上也以充沛的綠色水電供應缺電嚴重的蘇粵滬。表1列出了三峽電量外送情況。

單從輸電的業(yè)績來看，一條三峽到廣東的超高壓直流輸電線可年送電量140億 kW·h左右，而晉東南到荊門的特高壓輸電線運行一年來輸送電量僅91億 kW·h。由此看來直流輸電效率要比交流輸電高，其中換流變壓器功勛卓著。

3 換流變壓器的功能與特點

換流變壓器的主要功能體現(xiàn)在以下幾點：

表1 三峽電量外送情況

（1）參與實現(xiàn)交流電與直流電之間的相互交換。

（2）實現(xiàn)電壓變換。將交流系統(tǒng)的高電壓（一般為500kV或220kV）降低到適合換流器需要的交流電壓（一般為220kV左右）。

（3）抑制直流故障電流。換流變壓器的漏抗限制了閥臂短路的直流母線短路時的故障，能有效保護換流閥。

（4）削弱交流系統(tǒng)入侵直流系統(tǒng)的過電壓。

（5）減少換流器注入直流系統(tǒng)的諧波。換流變壓器的漏抗對換流器產(chǎn)生的諧波電流具有一定的抑制作用。

（6）實現(xiàn)交、直流系統(tǒng)的電氣隔離。

換流變壓器的特點體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）絕緣要求高。換流變壓器閥側繞組同時承受交流電壓和直流電壓，因此換流變壓器的閥側繞組除承受正常交流電壓產(chǎn)生的應力外，還要承受直流電壓產(chǎn)生的應力。另外，直流電壓全壓起動以及極性反轉(zhuǎn)都會造成換流變壓器的絕緣結構遠比普通電力變壓器復雜。

（2）有載調(diào)壓范圍寬。為了將觸發(fā)延遲角控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)以保證直流輸電運行的安全性和經(jīng)濟性，同時滿足換流母線電壓變化的要求，換流變壓器采用有載調(diào)壓式，且其調(diào)壓范圍很寬，一般高達20%～30%，操作也頻繁。

（3）噪聲大。換流器產(chǎn)生的諧波全部流過換流變壓器，這些諧波頻率低，容量大，導致?lián)Q流變壓器鐵心磁滯伸縮而產(chǎn)生噪聲。這些噪聲一般處于聽覺較靈敏的頻帶，因此換流變壓器產(chǎn)生的可聽噪聲較諧波污染不嚴重的普通電力變壓器更嚴重，大約能增加20Db。

（4）損耗高。大量諧波流過換流變壓器導致渦流和雜散損耗加大，有時可能使換流變壓器的某些金屬部件和油箱產(chǎn)生局部過熱。

（5）短路阻抗較大。為了限制閥臂或直流母線短路導致的故障電流，以免損壞換流閥的晶閘管器件，換流變壓器應有足夠大的短路阻抗。但短路阻抗不能太大，否則會使換流器正常運行時吸收的無功增加，增加無功補償設備容量，并導致?lián)Q相壓降過大。換流變壓器的短路阻抗百分數(shù)通常為12%～18%。

（6）直流偏磁嚴重。運行中由于交直流線路的耦合、換流閥觸發(fā)延遲角的不平衡、接地極電位的升高以及換流變壓器閥側存在2次諧波等原因，將導致?lián)Q流變壓器閥側及網(wǎng)側繞組的電流中產(chǎn)生直流分量，使換流變壓器產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象，導致?lián)Q流變壓器鐵心損耗、溫升及噪聲都有所增加。

（7）試驗繁復。除了普通電力變壓器的例行試驗和型式試驗之外，還要添加直流方面的試驗、直流電壓局部放電試驗、直流電壓極性反轉(zhuǎn)試驗等。

4 我國掌握換流變壓器技術的過程

從20世紀80年代我國先后引進法國阿爾斯通公司和日本日立公司交流 500kV大型電力變壓器的設計制造技術，并通過技術合作和項目合作等方式學習借鑒了瑞典 ABB、德國西門子、日本三菱、東芝、烏克蘭扎布羅日變壓器廠、奧地利伊林等國外主要變壓器制造企業(yè)的設計制造技術，已經(jīng)形成了自己的大型變壓器設計、制造和開發(fā)能力，80年代初我國制造出第一臺 500kV變壓器。三峽工程開建前，我國并不具備三峽直流工程換流變壓器的設計制造能力。為使國家重大裝備制造的核心技術不再受制于別人，三峽建委決定三峽直流工程設備實行國際采購，并制定了“技貿(mào)結合、技術引進、聯(lián)合設計、合作制造”的技術路線，運用國際招標的方式引進關鍵技術后消化吸收再創(chuàng)新，逐步實現(xiàn)我國換流變壓器的國產(chǎn)化，同時選擇我國最具優(yōu)勢的沈陽變壓器廠和西安變壓器廠作為引進技術的受讓方。

在招標文件的編制階段，國務院專門設立了技術轉(zhuǎn)讓組，國內(nèi)制造廠參加，并根據(jù)其自身的技術和產(chǎn)品需求，列出量身定衣的采購清單，以此作為國際招標的主要內(nèi)容，同時組織國內(nèi)相關專家評估外商技術轉(zhuǎn)讓的深度，并把評估結果作為評標的重要指標。在招標設計中，將國外供貨商向國內(nèi)企業(yè)轉(zhuǎn)讓關鍵技術作為必要條件，不僅要求轉(zhuǎn)讓圖紙，還要將相關設計軟件和管理理念等全部轉(zhuǎn)讓，使國內(nèi)企業(yè)能夠獨立進行換流變壓器的制造。招標文件中明確了三個必須：①投標者對供貨設備的經(jīng)濟和技術負全部責任，必須與中國有資格的企業(yè)聯(lián)合設計、合作制造；②投標者必須向中國制造企業(yè)轉(zhuǎn)讓技術，并培訓中方；③中國制造企業(yè)分包份額不低于總價合同的30%（三常線）、50%（三廣線）、70%（三滬線），必須由中國制造企業(yè)為主制造4臺（三常線）、8臺（三廣線）、14臺（三滬線）換流變壓器。

在三峽第一條線三常線的招標過程中，經(jīng)過嚴謹、科學、公正的態(tài)度，歷時 40天的評標，確定ABB公司和西門子公司中標，合同總金額為4.2億美元，其中包括制造技術轉(zhuǎn)讓費1527萬美元。同時簽署的還有直流技術轉(zhuǎn)讓費和合作生產(chǎn)合同，融資協(xié)議總金額5.06億美元。具體來說三峽送端龍泉站設備全系統(tǒng)研究與設計、受端政平換流站設備（除換流變壓器）由瑞典ABB總承包，政平站換流變壓器由西門子公司承包。西變和沈變分別為ABB和西門子公司的分包單位，兩單位在原已掌握500kV大型電力變壓器技術的基礎上，通過消化吸收引進技術，掌握了電氣原理，結構設計與計算方法，完成計算程序及圖樣的轉(zhuǎn)化，采購了先進的工藝設備，實現(xiàn)了工藝方法的更新和調(diào)整，并結合本企業(yè)成熟經(jīng)驗，加以創(chuàng)新，分別制造出合格換流變壓器樣品。產(chǎn)品技術經(jīng)濟指標先進，性能優(yōu)良，運行情況良好，填補了國內(nèi)空白，達到了國際先進水平，然而售價卻有一定幅度的下降。

西變合作生產(chǎn)三常線送端龍泉換流站±500kV單相雙繞組、容量297.5MVA、電壓比（）/（）kV的換流變壓器（其中 Y/Y聯(lián)結和Y/D聯(lián)結各一臺）；沈變合作生產(chǎn)三常線政平換流站±500kV單相雙繞組、容量 283.7MVA、電壓比（×1.25%）/（）kV的換流變壓器（其中Y/Y聯(lián)結和Y/D聯(lián)結各一臺）。就這樣我國僅用五年時間趕上了與發(fā)達國家±500kV換流變壓器相差23年的差距。

2006年國家電網(wǎng)公司根據(jù)國情提出要建設±800kV特高壓直流輸電線路，因為一回特高壓直流線路可輸送電力64000MW，是±500kV級直流線路輸送能力的2倍，線路損耗可降低約60%，輸電距離可達2500km。但高端換流變壓器（指±800kV級及±600kV級）制造難度較大，尚需得到國外廠商的協(xié)助。國家發(fā)改委曾電告有關廠商，西門子、ABB公司聞風而動，先期做出概念設計，并通過有關試驗，驗證了技術上的可行性。其中云廣線最難制作的換流變壓器單臺容量為800kV252MVA單相雙繞組，向上線則為800kV321MVA。與三峽項目不同，這次由我方總承包，但仍采用“技貿(mào)結合、技術引進、聯(lián)合設計、合作制造”的技術路線。

2009年，12月6日特變電工沈變向上線奉賢站使用的±800kV換流變壓器順利通過關鍵絕緣試驗，各項性能指標優(yōu)異，部分試驗項目試驗結果優(yōu)于國外企業(yè)同類產(chǎn)品。12月 8日云廣線楚雄站（海拔1850m）使用的±800kV換流變壓器成功升壓至額定電壓 800kV。12月 2日西電西變?yōu)橄蛏暇€制造的ZZDFPZ-321100/500-400換流變壓器一次性通過全部出廠試驗，空載和負載損耗、空載電流、溫升等主要性能指標均優(yōu)于國標和技術協(xié)議要求，其中局部放電量小于 50PC，達到了國際先進水平。12月19日西電常變通過400t運河碼頭，將一臺向上線換流變壓器發(fā)往西川向家壩。10月±800kV換流變壓器在保變秦皇島基地試制成功。與此同時我方駐西門子紐倫堡變壓器廠的監(jiān)造組曾提出過向上線高端變壓器產(chǎn)氣過多、局部放電量偏大問題，經(jīng)德方改進后，已于11月27日通過試驗。目前云廣線單極已于12月28日單極投運，2010年6月18號雙極投運，項目綜合國產(chǎn)化率達到62.9%。向上線2010年 7月 8號雙極投運綜合國產(chǎn)化率又稍有提高至67%，充分說明我國已掌握±800kV換流變壓器的制造技術。表2為已建和在建換流變壓器各廠中標情況。

表2 國內(nèi)已在建換流變中標情況

5 換流變壓器的市場預測

眾所周知，直流工程一般依賴于大型水、火電基地。目前我國十三大水電基地中，黃河上游、烏江、紅水河已開發(fā)過半；正在積極開發(fā)全沙江、雅礱江、大渡河、瀾滄江；怒江因環(huán)保人士有爭議暫時擱置；黑龍江中俄界河，因俄方電力過剩，經(jīng)濟實力缺乏，不能積極配合中方，前期工作進度緩慢。火電基地中皖北、黑東、云貴已開發(fā)過半，今后則將依賴山西、陜北、寧東、蒙西、錫盟、呼盟、哈密等火電基地。電力傳輸基地離受端發(fā)達地區(qū)的距離已由原1000km左右擴展到2000km左右，非依賴超高壓和特高壓直流遠距離輸電工程不可。根據(jù)有關部門預測未來線路如表3所示。

根據(jù)表3統(tǒng)計，其中±220kV級1項±400kV級1項，±500kV級5項，±660kV級9項，±800kV級14項，±1000kV級5項，初步估算約需換流變壓器1526臺，價值為610億元以上。

表3 2020年中國直流輸電工程規(guī)劃