孫優(yōu)良，李文平

(保定天威保變電氣股份有限公司，河北省保定市 071056)

0 引言

隨著我國電力行業(yè)的迅速發(fā)展，特高壓交直流輸變電技術得到了大力建設、推廣。根據(jù)國家電網(wǎng)公司發(fā)展規(guī)劃，到2020年前后，我國電網(wǎng)將規(guī)劃建設近40個包含跨省區(qū)、跨國的不同電壓等級直流系統(tǒng)，屆時我國將是世界上直流輸電技術應用最廣泛的國家［1］。

準東—重慶及準東—成都的直流輸電工程擬采用±1100kV及以上特高壓直流輸電技術?！?100kV及以上特高壓直流輸電工程高端換流變壓器是工程建設的關鍵設備之一，研制難度大，缺乏相關技術儲備［2-3］。

對于網(wǎng)側系統(tǒng)接1000kV交流、直流側額定直流電壓為±1100kV的特高壓換流變壓器，如果不增加中間聯(lián)絡變壓器，將給變壓器的研制帶來較大的困難，因為此時在1個鐵心柱上要同時套有特高壓的網(wǎng)側交流繞組和閥側直流繞組，而網(wǎng)側電壓的不同決定其出線結構方案的不同，這在很大程度上影響著換流變壓器整體方案的優(yōu)化布置。因此有必要對此類變壓器進行整體方案的優(yōu)化布置研究。

1 繞組排列布置方案分析

(1)第1種方案的排列順序:鐵心—調(diào)壓繞組—網(wǎng)側繞組—閥側繞組，網(wǎng)側端部垂直出線。

網(wǎng)側交流電壓等級較低時，根據(jù)調(diào)壓引線的走向和網(wǎng)側高壓端的出線是否便利，±1100kV特高壓閥側繞組與網(wǎng)側繞組之間的油隔板絕緣系統(tǒng)分割和繞組端部絕緣件配置的難易程度，以及直流出線裝置的安全可靠性和裝配的難易程度，通常采用如圖1(a)所示的變壓器布置結構，鐵心柱向外依次為鐵心—調(diào)壓繞組—網(wǎng)側繞組—閥側繞組。

對于這種繞組排列布置方案，當網(wǎng)側電壓較低時適用，并且有利于閥側±1100kV特高壓繞組的出線;但當網(wǎng)側達到1000kV時，網(wǎng)側仍采用端部出線，則特殊角環(huán)絕緣件使用量較大，制作和安裝過程繁瑣;同時設置了±1100kV特高壓閥側繞組的端部絕緣，增加了大量隔板以分割主漏磁空道，不易操作。

(2)第2種方案的排列順序:鐵心—閥側繞組—網(wǎng)側繞組—調(diào)壓繞組，網(wǎng)閥繞組均為端部垂直出線。

方案2的繞組排列布置方案如圖1(b)所示。與方案1不同，方案2中由于網(wǎng)側和閥側均接特高壓線路，因此兩者必須同時采用端部出線結構，其制作和安裝的難度與方案1類似。為了滿足絕緣距離的要求，應使閥側繞組到鐵心的絕緣距離足夠大，但由于存在1000kV特高壓繞組的阻擋，閥側繞組只能采用端部垂直出線方式，并在繞組的上下端面通過電纜穿入光滑的金屬屏蔽管路，以實現(xiàn)主柱間的連接。為此需要增大閥繞組到鐵心柱的距離，同時端部的主絕緣距離也要增大，從而整個變壓器的體積較大，增加材料成本。

(3)第3種方案的排列順序:鐵心—閥側繞組—網(wǎng)側繞組—調(diào)壓繞組排列，網(wǎng)側繞組為中部水平出線。

方案3的繞組排列布置方案如圖1(c)所示。雖然方案3從鐵心到繞組的排列順序與方案2一致，但此方案的特點是網(wǎng)側繞組采用了中部水平出線結構，其上下端部的絕緣水平大幅降低，一般可以降低到35 kV級。調(diào)壓繞組也采用了上下2路并聯(lián)結構，并聯(lián)的2部分之間距離較大，為網(wǎng)側繞組的中部出線留出足夠的空間;同時在對應的位置布置有靜電環(huán)和分割油隙的角環(huán)，有效解決了出線部位電場集中的問題，但此方案內(nèi)部閥側繞組出線困難。

(4)第4種方案的排列順序:鐵心—調(diào)壓繞組—網(wǎng)側繞組中部水平出線—閥側繞組。

圖1 繞組排列順序Fig.1 Sequence of winding arrangement

方案4的繞組排列布置方案如圖1(d)所示。從鐵心到繞組的排列順序與方案1相同，但位于中間的網(wǎng)側繞組采用了中部出線結構，為了給網(wǎng)側中部的出線留出足夠的空間位置，閥側繞組設計成上下2部分串聯(lián)。這種結構下，換流變壓器中部出線的交流1000kV線路需要穿過直流1100kV閥側繞組，空間需求較大，在閥側繞組串聯(lián)斷開的位置需要安裝線圈靜電環(huán)和角環(huán)，并且角環(huán)數(shù)量要達到數(shù)十層才能夠滿足絕緣的要求。由于閥側繞組的匝數(shù)比調(diào)壓繞組的匝數(shù)多，并且載荷電流較大，造成閥側繞組的線規(guī)尺寸較大，絕緣更厚。以上因素造成閥側繞組難以產(chǎn)生較大的空間，如果強制拉開，則方案4的經(jīng)濟性較差。

根據(jù)以上分析可知，方案2、4的布置方式既不經(jīng)濟也不可行。方案1與現(xiàn)有±800kV直流輸電工程高端換流變壓器的結構相比，只是將電壓等級和絕緣水平簡單提高，其優(yōu)點是外部1100kV直流閥側繞組的出線方式簡單;方案3雖然采用了現(xiàn)有交流1000kV特高壓出線的成功經(jīng)驗，有效解決了網(wǎng)側出線問題，但是其內(nèi)部閥側繞組的出線困難。因此，經(jīng)綜合分析后推薦采用方案1的結構。

2 主絕緣電場計算分析

2.1 電場的有限元數(shù)學模型

換流變壓器的絕緣為油和紙板構成的復合絕緣結構，在油紙復合絕緣域D內(nèi)，電位［3-5］滿足:

式中:C為區(qū)域D的邊界;ε為電容率;ρ為電阻率;U為電位。采用有限元法對式(1)求解，相應的泛函數(shù)極值問題［4］為

2.2 交流電場的計算結果

換流變壓器油紙復合絕緣結構在承受正弦交流電壓時，其電場在不同絕緣材料中的分布為電容性分布，取決于不同材料的介電常數(shù)ε，其中變壓器油為2.2×10－11F/m，油浸絕緣紙為3.5×10－11F/m，油浸絕緣紙板為4.4×10－11F/m;計算結果如圖2～4所示。

圖2中閥側繞組耐受1260 kV的電壓60 min，網(wǎng)側和閥側繞組均為地電位;圖3中網(wǎng)側繞組承受1100kV的電壓5 min，閥側繞組為地電位。從圖4可以看出，介電常數(shù)較低的變壓器油中電場強度較高，油中最大場強值為6.92 kV/mm，而介電常數(shù)相對較高的紙板中交流場強較低。

2.3 直流電場計算結果

換流變壓器中穩(wěn)態(tài)直流電場的分布取決于復合絕緣結構中不同材料的電導率值。閥側繞組施加的直流電壓為1745 kV，網(wǎng)側繞組和調(diào)壓繞組接地，此時上端部等位線分布如圖5所示。

在計算建模時，變壓器油的電阻率為ρ=1×1013Ω·m，絕緣紙的電阻率為ρ=5×1014Ω·m，絕緣紙板的電阻率為ρ=1×1015Ω·m，從圖5中可以看出，穩(wěn)態(tài)直流場的等位線多集中分布于電阻率較高的絕緣紙板中。

閥側繞組上端部角環(huán)紙板中的最大場強值小于35 kV/mm，絕緣裕度滿足工程要求。

2.4 極性反轉(zhuǎn)電場的計算結果

換流變壓器閥側繞組施加反轉(zhuǎn)電位時的最高幅值為±1340 kV，網(wǎng)側和調(diào)壓繞組全部接地。

進行極性反轉(zhuǎn)試驗時，不僅要檢測油隙的絕緣強度，還應檢測固體絕緣中的應力和沿面爬電應力。以往在計算反極性電場時通常采用靜態(tài)方法，即在現(xiàn)有直流場上疊加1個具有2倍幅值的反極性交流電場，再計算出極性反轉(zhuǎn)后的電場。這種計算方法對于固體絕緣中的應力和沿面爬電應力存在偏差，因此需要采用極性反轉(zhuǎn)電壓試驗下的瞬態(tài)電場計算方法，但其精確度受到兩方面的影響，在空間上受有限元計算場域剖分密度的影響，在時間上受時間離散方法的精度及時間步長大小的影響［6-10］。

在計算過程中，絕緣材料的介電常數(shù)取值如下:變壓器油為2.2×10－11F/m;油浸絕緣紙為3.5×10－11F/m;油浸絕緣紙板為4.4×10－11F/m。電阻率的取值如下:變壓器油為1×1013F/m;油浸絕緣紙為5×1014F/m;油浸絕緣紙板為1×1015F/m。由于極性反轉(zhuǎn)場是瞬態(tài)場，各時刻的值有所區(qū)別，反轉(zhuǎn)60 s時的等位線分布如圖6所示。

由圖6可知，等位線存在交叉和閉合的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是:穩(wěn)態(tài)交流電場和直流電場可以等效為靜電場或恒定電場，而靜電場為無旋場，電位存在唯一性，電位線永不交叉或閉合，但對于極性反轉(zhuǎn)電場，電場的旋度已經(jīng)不是0值，因此電位線存在交叉與閉合［11-16］。這種現(xiàn)象說明，模型上的電壓在由正極性反轉(zhuǎn)為負極性的過程中，絕緣介質(zhì)的分界處出現(xiàn)了游離的空間電荷，此空間電荷的密度隨著時間不斷變化，在非導電的交界處產(chǎn)生了運流電流，由此產(chǎn)生的磁場變化造成了電場的旋度非0值。

3 結語

按照鐵心和各繞組的不同排列順序及繞組可采取的不同串并聯(lián)方式，給出了4種整體布置方案，分析了各方案的優(yōu)缺點，并推薦了優(yōu)選方案。

計算了優(yōu)選方案的主絕緣結構在交流、直流和極性反轉(zhuǎn)工況下的電場，并給出了部分計算結果:在交流電場下，油中最大場強值為6.92 kV/mm，而介電常數(shù)相對較高的紙板中交流場強較低;在直流電場下，閥側繞組上端部和下端部角環(huán)紙板中的最大場強值均小于35 kV/mm;在極性反轉(zhuǎn)電場下，第60 s時紙板中的最大電場強度值小于25 kV/mm，絕緣裕度均滿足工程要求。

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