±1100kV特高壓換流變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)

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(guó)電力行業(yè)的迅速發(fā)展，特高壓交直流輸變電技術(shù)得到了大力建設(shè)、推廣。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)展規(guī)劃，到2020年前后，我國(guó)電網(wǎng)將規(guī)劃建設(shè)近40個(gè)包含跨省區(qū)、跨國(guó)的不同電壓等級(jí)直流系統(tǒng)，屆時(shí)我國(guó)將是世界上直流輸電技術(shù)應(yīng)用最廣泛的國(guó)家［1］。

準(zhǔn)東—重慶及準(zhǔn)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(shù)。±1100kV及以上特高壓直流輸電工程高端換流變壓器是工程建設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備之一，研制難度大，缺乏相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備［2-3］。

對(duì)于網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)接1000kV交流、直流側(cè)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(luò)變壓器，將給變壓器的研制帶來(lái)較大的困難，因?yàn)榇藭r(shí)在1個(gè)鐵心柱上要同時(shí)套有特高壓的網(wǎng)側(cè)交流繞組和閥側(cè)直流繞組，而網(wǎng)側(cè)電壓的不同決定其出線結(jié)構(gòu)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(duì)此類變壓器進(jìn)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(cè)繞組—閥側(cè)繞組，網(wǎng)側(cè)端部垂直出線。

網(wǎng)側(cè)交流電壓等級(jí)較低時(shí)，根據(jù)調(diào)壓引線的走向和網(wǎng)側(cè)高壓端的出線是否便利，±1100kV特高壓閥側(cè)繞組與網(wǎng)側(cè)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(jié)構(gòu)，鐵心柱向外依次為鐵心—調(diào)壓繞組—網(wǎng)側(cè)繞組—閥側(cè)繞組。

對(duì)于這種繞組排列布置方案，當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓較低時(shí)適用，并且有利于閥側(cè)±1100kV特高壓繞組的出線;但當(dāng)網(wǎng)側(cè)達(dá)到1000kV時(shí)，網(wǎng)側(cè)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(guò)程繁瑣;同時(shí)設(shè)置了±1100kV特高壓閥側(cè)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(cè)繞組—網(wǎng)側(cè)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(cè)和閥側(cè)均接特高壓線路，因此兩者必須同時(shí)采用端部出線結(jié)構(gòu)，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(yīng)使閥側(cè)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(cè)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(guò)電纜穿入光滑的金屬屏蔽管路，以實(shí)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(shí)端部的主絕緣距離也要增大，從而整個(gè)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(cè)繞組—網(wǎng)側(cè)繞組—調(diào)壓繞組排列，網(wǎng)側(cè)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(diǎn)是網(wǎng)側(cè)繞組采用了中部水平出線結(jié)構(gòu)，其上下端部的絕緣水平大幅降低，一般可以降低到35 kV級(jí)。調(diào)壓繞組也采用了上下2路并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并聯(lián)的2部分之間距離較大，為網(wǎng)側(cè)繞組的中部出線留出足夠的空間;同時(shí)在對(duì)應(yīng)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(chǎng)集中的問(wèn)題，但此方案內(nèi)部閥側(cè)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(cè)繞組中部水平出線—閥側(cè)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(cè)繞組采用了中部出線結(jié)構(gòu)，為了給網(wǎng)側(cè)中部的出線留出足夠的空間位置，閥側(cè)繞組設(shè)計(jì)成上下2部分串聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)下，換流變壓器中部出線的交流1000kV線路需要穿過(guò)直流1100kV閥側(cè)繞組，空間需求較大，在閥側(cè)繞組串聯(lián)斷開(kāi)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(dá)到數(shù)十層才能夠滿足絕緣的要求。由于閥側(cè)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(cè)繞組的線規(guī)尺寸較大，絕緣更厚。以上因素造成閥側(cè)繞組難以產(chǎn)生較大的空間，如果強(qiáng)制拉開(kāi)，則方案4的經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jié)構(gòu)相比，只是將電壓等級(jí)和絕緣水平簡(jiǎn)單提高，其優(yōu)點(diǎn)是外部1100kV直流閥側(cè)繞組的出線方式簡(jiǎn)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(yàn)，有效解決了網(wǎng)側(cè)出線問(wèn)題，但是其內(nèi)部閥側(cè)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(jié)構(gòu)。

2 主絕緣電場(chǎng)計(jì)算分析

2.1 電場(chǎng)的有限元數(shù)學(xué)模型

換流變壓器的絕緣為油和紙板構(gòu)成的復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，在油紙復(fù)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(duì)式(1)求解，相應(yīng)的泛函數(shù)極值問(wèn)題［4］為

2.2 交流電場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果

換流變壓器油紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)在承受正弦交流電壓時(shí)，其電場(chǎng)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(jì)算結(jié)果如圖2～4所示。

圖2中閥側(cè)繞組耐受1260 kV的電壓60 min，網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)繞組均為地電位;圖3中網(wǎng)側(cè)繞組承受1100kV的電壓5 min，閥側(cè)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(chǎng)強(qiáng)度較高，油中最大場(chǎng)強(qiáng)值為6.92 kV/mm，而介電常數(shù)相對(duì)較高的紙板中交流場(chǎng)強(qiáng)較低。

2.3 直流電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

換流變壓器中穩(wěn)態(tài)直流電場(chǎng)的分布取決于復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)中不同材料的電導(dǎo)率值。閥側(cè)繞組施加的直流電壓為1745 kV，網(wǎng)側(cè)繞組和調(diào)壓繞組接地，此時(shí)上端部等位線分布如圖5所示。

在計(jì)算建模時(shí)，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(chǎng)的等位線多集中分布于電阻率較高的絕緣紙板中。

閥側(cè)繞組上端部角環(huán)紙板中的最大場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)的計(jì)算結(jié)果

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

進(jìn)行極性反轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，不僅要檢測(cè)油隙的絕緣強(qiáng)度，還應(yīng)檢測(cè)固體絕緣中的應(yīng)力和沿面爬電應(yīng)力。以往在計(jì)算反極性電場(chǎng)時(shí)通常采用靜態(tài)方法，即在現(xiàn)有直流場(chǎng)上疊加1個(gè)具有2倍幅值的反極性交流電場(chǎng)，再計(jì)算出極性反轉(zhuǎn)后的電場(chǎng)。這種計(jì)算方法對(duì)于固體絕緣中的應(yīng)力和沿面爬電應(yīng)力存在偏差，因此需要采用極性反轉(zhuǎn)電壓試驗(yàn)下的瞬態(tài)電場(chǎng)計(jì)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(jì)算場(chǎng)域剖分密度的影響，在時(shí)間上受時(shí)間離散方法的精度及時(shí)間步長(zhǎng)大小的影響［6-10］。

在計(jì)算過(guò)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(chǎng)是瞬態(tài)場(chǎng)，各時(shí)刻的值有所區(qū)別，反轉(zhuǎn)60 s時(shí)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(chǎng)和直流電場(chǎng)可以等效為靜電場(chǎng)或恒定電場(chǎng)，而靜電場(chǎng)為無(wú)旋場(chǎng)，電位存在唯一性，電位線永不交叉或閉合，但對(duì)于極性反轉(zhuǎn)電場(chǎng)，電場(chǎng)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(shuō)明，模型上的電壓在由正極性反轉(zhuǎn)為負(fù)極性的過(guò)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(shí)間不斷變化，在非導(dǎo)電的交界處產(chǎn)生了運(yùn)流電流，由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化造成了電場(chǎng)的旋度非0值。

3 結(jié)語(yǔ)

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(diǎn)，并推薦了優(yōu)選方案。

計(jì)算了優(yōu)選方案的主絕緣結(jié)構(gòu)在交流、直流和極性反轉(zhuǎn)工況下的電場(chǎng)，并給出了部分計(jì)算結(jié)果:在交流電場(chǎng)下，油中最大場(chǎng)強(qiáng)值為6.92 kV/mm，而介電常數(shù)相對(duì)較高的紙板中交流場(chǎng)強(qiáng)較低;在直流電場(chǎng)下，閥側(cè)繞組上端部和下端部角環(huán)紙板中的最大場(chǎng)強(qiáng)值均小于35 kV/mm;在極性反轉(zhuǎn)電場(chǎng)下，第60 s時(shí)紙板中的最大電場(chǎng)強(qiáng)度值小于25 kV/mm，絕緣裕度均滿足工程要求。

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