朱秋楠 張衛(wèi)星 朱繼斌

平高集團(tuán)有限公司

特高壓換流變壓器絕緣特性研究

朱秋楠 張衛(wèi)星 朱繼斌

平高集團(tuán)有限公司

換流變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)是特高壓換流變壓器的核心技術(shù)，關(guān)系到換流變壓器和直流輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。換流變壓器在直流系統(tǒng)中的特殊工況，決定了其主絕緣、閥側(cè)出線裝置承受了不同于交流變壓器的電壓作用。為此，本文主要對(duì)特高壓換流變壓器的作用、絕緣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及絕緣試驗(yàn)進(jìn)行了分析與探究。

特高壓；換流變壓器；絕緣結(jié)構(gòu)

隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的提高，直流輸電系統(tǒng)因其諸多優(yōu)點(diǎn)而得到了快速發(fā)展，尤其是特高壓直流輸電，以其大容量和遠(yuǎn)距離輸電特性而得到了大力發(fā)展。特高壓直流輸電系統(tǒng)中最重要的設(shè)備就是換流變壓器。換流變壓器閥側(cè)繞組在運(yùn)行過程中承受直流、交流復(fù)合電場(chǎng)的作用；當(dāng)遇到直流線路所連接的整流端與逆變端的能量潮流進(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。由此可知，換流變壓器內(nèi)部的電場(chǎng)分布情況與一般的電力變壓器相比，是非常不同的，需要做特殊研究。

一、特高壓換流變壓器的作用

換流變壓器是換流站中使用的一種特殊類型的變壓器。換流變壓器一次側(cè)繞組接到交流系統(tǒng)，稱為網(wǎng)側(cè)繞組；二次側(cè)繞組接到換流閥，稱為閥側(cè)繞組。換流變壓器的作用是將送端交流系統(tǒng)的電功率送到整流器，或從逆變器接受電功率送到受端交流系統(tǒng)。它利用兩側(cè)繞組的磁耦合傳送功率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了交流系統(tǒng)和直流部分的電絕緣和隔離，以免交流電力網(wǎng)的中性點(diǎn)接地和直流部分的接地造成某些元件的短路。另一方面是實(shí)現(xiàn)電壓的變換，使換流變壓器網(wǎng)側(cè)交流母線和換流橋的直流側(cè)電壓能分別符合兩側(cè)的額定電壓及容許電壓偏移。實(shí)際上，對(duì)于從交流網(wǎng)入侵換流器的過電壓還起到抑制的作用。

直流輸電換流站由基本換流單元組成，基本換流單元是在換流站內(nèi)允許獨(dú)立運(yùn)行，進(jìn)行換流的換流系統(tǒng)。特高壓直流輸電中常采用12脈動(dòng)換流單元，12脈動(dòng)換流變壓器通常選擇6臺(tái)單相雙繞組換流變壓器，每臺(tái)變壓器具有一個(gè)網(wǎng)側(cè)繞組(一次側(cè))和一個(gè)閥側(cè)繞組(二次側(cè))。

二、換流變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

±800kV換流變壓器均已研制成功，并成功投入運(yùn)行。換流變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)為油、紙和紙板組成的復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)體，需要承受直流電壓疊加交流電壓、雷電沖擊電壓、操作沖擊電壓以及極性反轉(zhuǎn)電壓的作用，要求更為苛刻，是特高壓換流變?cè)O(shè)計(jì)和制造的難點(diǎn)，也是換流變不同于普通電力變壓器的地方。電壓對(duì)匝間絕緣的影響顯得越來越重要。對(duì)于長期工作電壓，每毫米電壓小于3kV，即可保證其匝絕緣不出現(xiàn)游離現(xiàn)象。對(duì)于沖擊電壓對(duì)匝絕緣的作用，主要取決于繞組結(jié)構(gòu)，即通過調(diào)整繞組結(jié)構(gòu)來達(dá)到降低匝間梯度電壓、提高匝間絕緣沖擊強(qiáng)度的目的。按照±800kV換流變壓器絕緣水平的規(guī)定，繞組段間絕緣結(jié)構(gòu)尺寸的確定，主要取決于雷電沖擊電壓分布。為改善雷電沖擊電壓沿繞組電位、梯度的分布，提高變壓器繞組絕緣強(qiáng)度，就要從繞組結(jié)構(gòu)入手，即繞組繼續(xù)采用分區(qū)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，以達(dá)到改善雷電沖擊電壓沿繞組電位、梯度分布的目的?！?00kV特高壓直流輸電示范工程用換流變壓器最高閥側(cè)電壓800kV(直流)、網(wǎng)側(cè)電壓500kV(交流)，最大單臺(tái)容量321MV·A，特高壓直流輸電工程高端換流變壓器閥側(cè)電壓800kV(直流)、網(wǎng)側(cè)電壓500kV(交流)，最大單臺(tái)容量達(dá)363MV·A。相比普通電力變壓器，特高壓換流變絕緣結(jié)構(gòu)需要綜合考慮交、直流電場(chǎng)的混合作用，設(shè)計(jì)難度更大。則換流變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

換流變閥側(cè)繞組既要承受交流電壓產(chǎn)生的應(yīng)力又要承受直流電壓產(chǎn)生的應(yīng)力；全壓啟動(dòng)、極性反轉(zhuǎn)使絕緣結(jié)構(gòu)比交流變更加復(fù)雜。對(duì)于由油、紙和紙板組成的換流變壓器絕緣結(jié)構(gòu)，交流、雷電沖擊、操作沖擊電壓作用的電場(chǎng)分布與電力變壓器電場(chǎng)分布基本一樣，主要取決于不同材料的介電常數(shù)。而直流電壓作用時(shí)，其電場(chǎng)分布主要取決于不同材料的電阻率。這說明對(duì)于介電常數(shù)比較低的變壓器油而言，交流、雷電沖擊、操作沖擊電壓作用的電場(chǎng)強(qiáng)度比較大，是絕緣弱點(diǎn)區(qū)域；而對(duì)于電阻率較高的紙、紙板固體絕緣，直流電壓作用的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，是絕緣弱點(diǎn)區(qū)域。對(duì)于極性反轉(zhuǎn)電壓作用，需要同時(shí)考慮直流和交流作用。由于極轉(zhuǎn)瞬間，在油紙界面處積累大量電荷，反轉(zhuǎn)后在油道中形成較高的徑向電場(chǎng)應(yīng)力，這樣在油紙絕緣系統(tǒng)中，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整油和固體絕緣材料厚度比率，以達(dá)到提高換流變壓器絕緣可靠性的目的。

三、特高壓換流變壓器絕緣試驗(yàn)分析

針對(duì)特高壓換流變絕緣結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行相關(guān)絕緣試驗(yàn)，以考核電氣設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)是否滿足要求。特高壓換流變網(wǎng)側(cè)繞組與交流系統(tǒng)相連，其絕緣試驗(yàn)與普通電力變壓器試驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目相同，包括操作沖擊耐受試驗(yàn)、雷電沖擊耐受試驗(yàn)(全波、截波)、外施交流耐壓試驗(yàn)、感應(yīng)耐壓試驗(yàn)(長時(shí)、短時(shí))，試驗(yàn)方法也相同。而閥側(cè)繞組由于同時(shí)承受交流電壓和直流電壓，其絕緣試驗(yàn)內(nèi)容與普通電力變壓器有很大的不同。同時(shí)換流變壓器連接交流系統(tǒng)和換流器，換流器的工作方式?jīng)Q定了換流變壓器交流側(cè)的電流中具有很大的諧波電流分量，因此，換流變壓器的負(fù)載損耗測(cè)量要考慮諧波電流的影響。由于負(fù)載損耗與各次諧波的含量有關(guān)，受所連換流閥工作方式的影響，一臺(tái)換流變壓器的溫升試驗(yàn)結(jié)果是不能代表同一類型其他換流變壓器工作時(shí)的溫升，因此，對(duì)于普通電力變壓器，溫升試驗(yàn)是型式試驗(yàn)，只需要對(duì)同一類型中的一臺(tái)進(jìn)行，而對(duì)于換流變壓器，溫升則是例行試驗(yàn)，要對(duì)每一臺(tái)都進(jìn)行。

特高壓換流變壓器的絕緣試驗(yàn)包括鐵心及其相關(guān)絕緣的試驗(yàn)、絕緣電阻測(cè)量、絕緣油試驗(yàn)、雷電沖擊全波試驗(yàn)、操作沖擊試驗(yàn)、包括局部放電測(cè)量的外施直流電壓耐受試驗(yàn)、包括局部放電測(cè)量的極性反轉(zhuǎn)試驗(yàn)、包括局部放電測(cè)量的外施交流電壓耐受試驗(yàn)和包括局部放電測(cè)量的長時(shí)交流感應(yīng)耐壓試驗(yàn)。換流變閥側(cè)繞組的試驗(yàn)中，多了外施直流電壓耐壓試驗(yàn)。

四、結(jié)束語

綜上所述，作為電力系統(tǒng)的主要設(shè)備，換流變壓器在運(yùn)行中保持良好的絕緣是十分重要和必要的，為了保證變壓器的絕緣水平，從變壓器的制造開始，要進(jìn)行一系列絕緣測(cè)試。只有這樣才能全面了解特高壓換流變壓器絕緣特性，才能提高電力系統(tǒng)發(fā)展水平。

[1]鄧穎.換流變壓器絕緣結(jié)構(gòu)分析.西安西電變壓器有限責(zé)任公司[J].高壓電器，2011，10，16.

[2] 張燕秉，鄭勁，汪德華，李文平.特高壓直流換流變壓器的研制[J].高電壓技術(shù). 2010(01)