云廣特高壓直流換流變壓器運行維護特性研究

柳坤 阮峻 薛慶會 王亞楠 田微

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.14.014

摘 要：通過總結±800 kV云廣直流換流變壓器自2010年4月～2015年8月出現的主要問題，利用油色譜數據分析換流變壓器在運行過程中出現的具體問題，研究變壓器油中特殊氣體與換流變壓器故障的對應關系，從而得到該直流換流變壓器的故障判定規律。

關鍵詞：換流變壓器 特高壓 油色譜技術 乙炔 故障

中圖分類號：TM721 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）05（b）-0014-03

±800 kV云廣直流輸電工程是世界上第一個特高壓直流輸電工程。在直流輸電工程中，換流變壓器壓器作為核心設備，其故障率將直接影響整條直流線路的可靠性。對于目前世界上輸電容量最大的直流輸電工程，如果在某種未知誘因下發生故障，將會有可能導致整個特高壓直流系統失控，南方電網將在瞬間損失5 000 MW的負荷，由此帶來的嚴重后果無法估量。因此，換流變壓器的正常運行維護特性研究具有重要的意義。

目前對換流變壓器進行監測分析的主要方法還是變壓器油色譜分析法，但是由于換流變壓器本身的特殊性，在正常運行過程中不同于普通變壓器，而目前采用的傳統方法如變壓器油中氣體判斷“三比值法”等對于換流變壓器適用性較差。該文通過實例對云廣特高壓直流輸電工程26臺換流變壓器自2010年4月～2015年8月變壓器油色譜數據與已經發生的故障進行了分析研究，對換流變壓器運行維護特性進行了總結。

1 云廣特高壓直流楚雄換流站換流變壓器、站用變壓器油色譜數據分析

目前有±800 kV云廣直流輸電工程26臺變壓器5年油色譜分析數據。大致情況如下：其中極1高端012B換流變B相和C相兩臺換流變壓器曾出現故障，并于2011年更換換流變壓器之后正常運行；其中6臺低端200 kV LD換流變壓器乙炔含量和增長速度均超過注意值，但在經過變壓器油過濾操作之后均正常工作；其余換流變壓器油色譜數據均未超過注意值。由經驗可知換流變壓器在正常運行情況下就會產生乙炔，而站用變壓器在正常工作的情況下是不會產生乙炔的。另外通過以上幾種換流變壓器這幾年的油色譜分析數據比較，可以總結出換流變壓器油中稀有氣體乙炔含量以及產生速度與其內部故障有一定關系。

2 換流變壓器產生乙炔問題分析

2.1 高壓直流輸電工程中換流變壓器結構特征

在高壓直流輸電工程中，因適應閥組各種不同運行工況、閥側電壓調節范圍需求較大等原因，換流變壓器一般調壓檔位較多。如云廣特高壓直流輸電示范工程中送端楚雄換流站換流變壓器調壓檔位均為25檔。在此情況下，換流變壓器均將調壓方式設計為正反調壓，這樣換流變僅需一半調壓檔位線圈就可滿足工程需要。這也是高壓直流輸電工程中常用的調壓方式。國內從葛-南工程、三峽送出工程、云廣工程到向上工程，所有運行和在建的高壓、特高壓直流輸電工程中換流變壓器調壓方式均如此。其調壓原理見圖1所示。

由圖1可以看出，通過極性轉換開關的轉換，12個檔位的調壓線圈，就可實現25檔的功能需求。另外從本次提供的色譜數據分析結果中可以看出，在工程運行中，換流變壓器調壓開關的極性轉換次數增多時，乙炔產氣量相應增大。

2.2 有載調壓開關在極性轉換時的放電機理分析

高壓直流換流變壓器調壓線圈檔位較多。一般換流變壓器在設計調壓線圈時，無論調壓線圈布置在最內徑側緊靠鐵心還是布置在最外徑側緊靠油箱，均形成如下的調壓原理，其原理圖見圖2（調壓在最外側）。

在此情況下，開關恢復電壓計算如下：

× （1）

當開關K極性為正時，為正；當開關K極性為負時，為負；C1為高、調繞組間電容；C2為調壓繞組對地電容。

這樣在有載調壓開關極性開關動作時，其極性開關均要切換恢復電壓。為限制此電壓，有載調壓開關在極性開關動作前，在調壓線圈的中間檔，先接入一個電位電阻Rp，可有效降低極性開關切換時在極性檔位之間的放電。如圖3所示。

盡管接入了電位電阻，有載調壓開關在極性開關動作時，仍需切換部分線圈對地電容電壓，在這種情況下，極性開關動作時仍然會引起觸頭間的火花放電，由于放電能量微小，僅產生少量放電性特征氣體乙炔，在油色譜分析中，就可檢測到少量乙炔氣體。

3 LD換流變壓器乙炔高于其它三種結構規格換流變壓器的分析

云廣工程楚雄換流站運行期間的色譜分析數據統計表明，LD換流變壓器在有載調壓開關在極性開關動作多時，特征氣體乙炔均有不同程度的增長。

由色譜分析數據統計可知，所有換流變壓器均有少量乙炔，但低端200 kV LD換流變壓器乙炔含量高于低端400 kV LY換流變壓器、高端600 kV HD換流變壓器、高端800 kV HY換流變壓器，這是由于低端LD換流變不同與其它換流變壓器結構特點決定的。

云廣工程換流變均為西門子結構，在一般情況下，采用外調壓結構，即鐵心—閥繞組—網繞組—調壓—油箱的布置方式；當運輸寬度超限時，采用鐵心—調壓繞組—網繞組—閥繞組—油箱的布置方式，即內調壓結構。云廣工程中，低端LD換流變為外調壓結構，低端LY換流變、高端HD、HY換流變受運輸限制，均為內調壓結構。

從公式1中可以看出，調壓對地電容C2位于分母，在高、調之間電容C1變化不大時（內調壓與外調壓差別不大），C2越大，開關恢復電壓越低，能量越小，進而產氣量越低。根據理論分析，內調壓結構下調壓繞組對地電容高于外調壓結構下調壓繞組對地電容，因此，內調壓繞組結構換流變乙炔含量普遍低于外調壓結構換流變，這個趨勢與該次色譜分析數據一致。經過油過濾后，氣體含量有明顯降低，并且根據理論分析，可初步判斷換流變壓器無故障，后經跟蹤油色譜分析和監測，換流變壓器正常運行。

4 故障換流變壓器乙炔分析

極1高端012B換流變B相和C相兩臺換流變壓器乙炔氣體產生速度明顯高于任何一臺變壓器，而且遠遠高于注意值，根據三比值判斷，如表1所示。

由表1可得：因為乙炔的含量遠超注意值1，根據三比值法編碼為“212”，初步判斷的換流變壓器低能放電。隨后經又進行了超聲波定位，局放超聲定位發現兩個疑似聲源，其一位于閥側出線側面左下角下箱沿為原點，長軸向右為X周正方向，垂直向上為Y軸正方向，垂直側面向里為Z軸正方向建立坐標系O1中（4 150 mm，690 mm，490 mm）附近。此疑似放電源信號強烈，重復性高，定位結果集中，初步判斷為局部放電可能性極高。這一結論也驗證了在換流變壓器中，乙炔的產生量在遠超注意值的情況下三比值法也具有一定的適用性。

5 結語

根據以上分析可得，特高壓換流變壓器在正常運行條件下也會產生乙炔，由于換流變壓器的特殊性，有載極性開關的動作次數以及換流變壓器排布結構方式的不同也會導致乙炔含量和產氣速率高于注意值，不過只要在一定范圍內都不會影響換流變壓器的正常運行，如果乙炔含量一直增加并且產氣速率過快，可采用變壓器油“三比值”法進行初步判斷是不是換流變壓器內部出現故障，之后再做進一步判斷處理。

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