李 斌,崔立飛,孫 赟,盧屹磊

(1.保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071051；2．國網(wǎng)河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050051；3.國網(wǎng)河北省電力公司檢修分公司,石家莊 050070)

超高壓換流變壓器主絕緣特性研究

李 斌1,崔立飛2,孫 赟2,盧屹磊3

(1.保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071051；2．國網(wǎng)河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050051；3.國網(wǎng)河北省電力公司檢修分公司,石家莊 050070)

針對超高壓換流變壓器在制造過程中需要耐受的不同絕緣試驗(yàn)的考核及在換流站運(yùn)行過程中承受的不同電壓種類的情況,提出建立與實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相似的計(jì)算模型，分析計(jì)算各種電場分布,總結(jié)電場分布規(guī)律,優(yōu)化得出換流變壓器不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案。

直流輸電；換流變壓器;主絕緣;油-紙絕緣;場域分析

0 引言

隨著我國電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，電壓等級的不斷提高,直流輸電系統(tǒng)因其具有諸多優(yōu)點(diǎn)而得到了快速發(fā)展,尤其是高壓直流輸電,以其大容量和遠(yuǎn)距離輸電獨(dú)特優(yōu)勢而得到了大力發(fā)展。高壓直流輸電系統(tǒng)中最重要的電氣設(shè)備就是換流變壓器[1]。圖1為兩端直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在運(yùn)行過程中,換流變壓器中的閥側(cè)繞組不僅承受著直流、交流復(fù)合電場的作用，而且當(dāng)遇到直流線路所連接的整流端與逆變端能量潮流進(jìn)行反轉(zhuǎn)的短時(shí)過程，換流變壓器還承受極性反轉(zhuǎn)電壓的作用[2]。由此可知,換流變壓器內(nèi)部的電場分布情況與一般的電力變壓器相比,有很大差異,需要做特殊研究。

圖1 兩端直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以下通過計(jì)算換流變壓器閥側(cè)繞組端部電場分布，建立了油紙絕緣結(jié)構(gòu)的電路模型。在分析閥側(cè)繞組勵(lì)磁電壓類型的基礎(chǔ)上，利用有限元分析法計(jì)算在交流、直流、交直流疊加作用下的電場分布，并總結(jié)出電場分布規(guī)律。為大型、超高壓換流變壓器的計(jì)算和驗(yàn)證供了參考[3]。

根據(jù)驗(yàn)證±500 kV換流變壓器過程中所獲得的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，按照試驗(yàn)電壓的提升，加大繞組和繞組間的絕緣距離，此外還利用提升角環(huán)數(shù)、紙筒數(shù)以及紙圈數(shù)來確保油紙系統(tǒng)的有機(jī)配合，使換流變壓器在電場強(qiáng)度上的計(jì)算要求得以滿足，并確保變壓器絕緣結(jié)構(gòu)的合理性。

1 換流變壓器器身交流電場的計(jì)算與分析

研究對象為ZZDFPZ-317600/500型單相雙繞組換流變壓器,其絕緣水平如表1所示。

表1 算例產(chǎn)品的絕緣水平 kV

直流電壓等級Y直流500kVΔ直流250kV網(wǎng)側(cè)雷電沖擊(全波)1550雷電沖擊(載波)1705操作沖擊1175工頻(1min)680網(wǎng)側(cè)中性雷電沖擊(全波)185工頻(1min)95閥側(cè)線圈雷電沖擊(全波)15501050雷電沖擊(載波)17051155操作沖擊1300850工頻(1min)598324直流耐受電壓807421極性反轉(zhuǎn)耐受電壓578256

通過觀察發(fā)現(xiàn)，換流變壓器在正弦交流電壓作用下，主要是電容性分布，并與不同材料的電容率有較大關(guān)聯(lián)。實(shí)際操作過程中，介電常數(shù)直接決定了電場強(qiáng)度，紙板的介電常數(shù)越高，其電場強(qiáng)度越低。交流電壓下等位線分布見圖2。閥側(cè)外施60 min外施。施加電位598 kV，折算成1 min工頻598/0.85=703.5 kV，網(wǎng)側(cè)、調(diào)壓繞組接地。

圖2 器身上半部交流電場等位線分布

由圖2可見,介電常數(shù)最大的硬紙板的等位線分布稀疏，變壓器油的介電常數(shù)較小，則意味著等位線密集分布。介電常數(shù)居中的絕緣紙中等位線分布的疏密程度介于兩者之間。

在實(shí)際工程用換流變壓器的設(shè)計(jì)中,變壓器油的介電常數(shù)一般在(2.1～2.3)×10-11F/m；浸油后的絕緣紙板(厚度大于0.5 mm)的介電常數(shù)一般在(3.9～5.5)×10-11F/m；而一般浸油后的絕緣紙的介電常數(shù)在(3.0～3.8)×10-11F/m。理想工作狀態(tài)時(shí)的變壓器油、紙板、紙介電常數(shù)這三者的比例是2.2∶4.4∶3.5。

閥側(cè)上、下端部電場強(qiáng)度分布如圖3、圖4所示，當(dāng)介電常數(shù)發(fā)生改變，介質(zhì)不同的情況下，換流變壓器則會(huì)承擔(dān)不同的電壓。如果變壓器油的介電常數(shù)最小，此時(shí)需承擔(dān)最大的電壓，交流電壓作用下主要選擇采用的是容性分布，介電常數(shù)、所承擔(dān)電壓這兩者是反比例關(guān)系。如果電場強(qiáng)度最大，此時(shí)外徑側(cè)油隙場強(qiáng)的數(shù)值為10.58 kV/mm；絕緣紙中場強(qiáng)為6.71 kV/mm;硬紙板中場強(qiáng)為7.76 kV/mm。

圖3 閥側(cè)上端部電場強(qiáng)度分布

圖4 閥側(cè)下端部電場強(qiáng)度分布

通過以上分析，閥側(cè)繞組在做長時(shí)外施實(shí)驗(yàn)時(shí)，網(wǎng)側(cè)繞組靜電環(huán)外徑側(cè)第一油隙的絕緣裕度最小，為1.103，此處油隙裕度偏小。

將網(wǎng)側(cè)繞組分鐘工頻施加680～47 kV(線性分布)，閥側(cè)施加251～0 kV(線性分布)，調(diào)壓施加47 kV。計(jì)算模型等位線分布如圖5。

通過以上分析，網(wǎng)側(cè)繞組在做1 min工頻感應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)壓繞組靜電環(huán)外的場強(qiáng)數(shù)值較大，達(dá)到絕緣裕度。

圖5 網(wǎng)側(cè)上端部電場強(qiáng)度分布

2 換流變壓器器身直流電場的計(jì)算與分析

大型換流變壓器在運(yùn)作期間可能會(huì)承受穩(wěn)態(tài)直流電壓，電場分布與復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的電阻率值有一定關(guān)聯(lián)，不同的復(fù)合絕緣材料，電阻率值也不相同。所以對于電阻率最低的變壓器油來說，此時(shí)其穩(wěn)態(tài)直流電場場強(qiáng)不高，電場場強(qiáng)分布過于集中，主要分布在高電阻率的紙板或者是絕緣紙。

閥側(cè)繞組施加直流電位807 kV，網(wǎng)側(cè)、調(diào)壓繞組接地，直流電壓下電場等位線分布如圖6所示。

圖6 器身上半部直流電場等位線分布

閥側(cè)繞組在做直流耐壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，絕緣裕度滿足。通過分析，發(fā)現(xiàn)換流變壓器承受穩(wěn)態(tài)直流電壓，電場場強(qiáng)分布狀態(tài)與電阻率值有一定關(guān)聯(lián)，穩(wěn)態(tài)直流場場強(qiáng)分布過于集中，主要分布高電阻率的紙板或者是絕緣紙。因此,當(dāng)換流變壓器在承受穩(wěn)態(tài)直流電壓作用時(shí)，主要考核的應(yīng)是固體紙板的絕緣裕度。

3 結(jié)束語

通過對±500 kV換流變壓器器身交、直流的詳細(xì)計(jì)算，結(jié)果顯示絕緣裕度符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?！?00 kV換流變壓器的直流電場、交流電場等方面進(jìn)行研究，確定取值范圍；對換流變壓器的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析，向其吸收與借鑒成功經(jīng)驗(yàn)，基于試驗(yàn)電壓水平確定主絕緣距離，結(jié)合實(shí)際情況慎重考慮適當(dāng)增加紙圈、紙筒、角環(huán)等，確保油紙系統(tǒng)能夠正常運(yùn)作，準(zhǔn)確計(jì)算變壓器直流電場場強(qiáng)、交流電場場強(qiáng)。對油紙交界面、油隙、紙板的電場強(qiáng)度進(jìn)行控制，確保在試驗(yàn)工況下不會(huì)出現(xiàn)局部放電的情形，優(yōu)化換流變壓器內(nèi)部的絕緣結(jié)構(gòu)。

[1] 劉振亞．特高壓電網(wǎng)[M]．北京：中國經(jīng)濟(jì)出版社，2005：1-10.

[2] 謝毓城.保定天威保變電氣股份有限公司組編.電力變壓器手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003:32-179.

[3] 韓曉東，翟亞東．高壓直流輸電用換流變壓器[J]．高壓電器，2002，38(3)：5-6.

本文責(zé)任編輯：靳書海

Insulation Characteristics Research on Ultra-high VoltageConverter Transformers

Li Bin1,Cui Lifei2,Sun Yun2,Lu Yilei3

(1.Baoding Tianwei Baobian Electric Co.,Ltd.,Baoding 071056,China;2.State Grid Hebei Electric Power Company Shijiazhuang Power Supply Branch,Shijiazhuang 050051,China;3.State Grid Hebei Electric Power Compay Maintenance Branch,Shijiazhuang 050070,China)

Considering the complex situations which the converter transformer must withstand different insulation test during manufacturing process in the factory and it must withstand different kind of voltages which affect on the converter transformer during the equipment operation,this paper describes the following solution: all kinds of electric field distribution can be analyzed by setting up the structure models similar to the actual products,then different structural product proposal can be optimized,so that the converter transformers can meet the requirement of ultra high voltage level,and the design structure of converter transformer can be guarantee to be the best one.

DC transmission;convert transformer;main insulation;oil-paper insulation;field analysis

2016-08-30

李 斌(1983-)，男，工程師，主要從事變壓器及換流變壓器設(shè)計(jì)制造研究工作。

TM403.3

A

1001-9898(2016)06-0014-02