超高壓換流變壓器主絕緣特性研究

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．國網河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050051；3.國網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．國網河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050051；3.國網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的考核及在換流站運行過程中承受的不同電壓種類的情況,提出建立與實際產品結構相似的計算模型，分析計算各種電場分布,總結電場分布規律,優化得出換流變壓器不同的產品結構方案。

直流輸電；換流變壓器;主絕緣;油-紙絕緣;場域分析

0 引言

隨著我國電力系統的飛速發展，電壓等級的不斷提高,直流輸電系統因其具有諸多優點而得到了快速發展,尤其是高壓直流輸電,以其大容量和遠距離輸電獨特優勢而得到了大力發展。高壓直流輸電系統中最重要的電氣設備就是換流變壓器[1]。圖1為兩端直流輸電系統結構。在運行過程中,換流變壓器中的閥側繞組不僅承受著直流、交流復合電場的作用，而且當遇到直流線路所連接的整流端與逆變端能量潮流進行反轉的短時過程，換流變壓器還承受極性反轉電壓的作用[2]。由此可知,換流變壓器內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 兩端直流輸電系統結構

以下通過計算換流變壓器閥側繞組端部電場分布，建立了油紙絕緣結構的電路模型。在分析閥側繞組勵磁電壓類型的基礎上，利用有限元分析法計算在交流、直流、交直流疊加作用下的電場分布，并總結出電場分布規律。為大型、超高壓換流變壓器的計算和驗證供了參考[3]。

根據驗證±500 kV換流變壓器過程中所獲得的相關經驗，按照試驗電壓的提升，加大繞組和繞組間的絕緣距離，此外還利用提升角環數、紙筒數以及紙圈數來確保油紙系統的有機配合，使換流變壓器在電場強度上的計算要求得以滿足，并確保變壓器絕緣結構的合理性。

1 換流變壓器器身交流電場的計算與分析

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 算例產品的絕緣水平 kV

直流電壓等級Y直流500kVΔ直流250kV網側雷電沖擊(全波)1550雷電沖擊(載波)1705操作沖擊1175工頻(1min)680網側中性雷電沖擊(全波)185工頻(1min)95閥側線圈雷電沖擊(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極性反轉耐受電壓578256

通過觀察發現，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聯。實際操作過程中，介電常數直接決定了電場強度，紙板的介電常數越高，其電場強度越低。交流電壓下等位線分布見圖2。閥側外施60 min外施。施加電位598 kV，折算成1 min工頻598/0.85=703.5 kV，網側、調壓繞組接地。

圖2 器身上半部交流電場等位線分布

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

在實際工程用換流變壓器的設計中,變壓器油的介電常數一般在(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在(3.0～3.8)×10-11F/m。理想工作狀態時的變壓器油、紙板、紙介電常數這三者的比例是2.2∶4.4∶3.5。

閥側上、下端部電場強度分布如圖3、圖4所示，當介電常數發生改變，介質不同的情況下，換流變壓器則會承擔不同的電壓。如果變壓器油的介電常數最小，此時需承擔最大的電壓，交流電壓作用下主要選擇采用的是容性分布，介電常數、所承擔電壓這兩者是反比例關系。如果電場強度最大，此時外徑側油隙場強的數值為10.58 kV/mm；絕緣紙中場強為6.71 kV/mm;硬紙板中場強為7.76 kV/mm。

圖3 閥側上端部電場強度分布

圖4 閥側下端部電場強度分布

通過以上分析，閥側繞組在做長時外施實驗時，網側繞組靜電環外徑側第一油隙的絕緣裕度最小，為1.103，此處油隙裕度偏小。

將網側繞組分鐘工頻施加680～47 kV(線性分布)，閥側施加251～0 kV(線性分布)，調壓施加47 kV。計算模型等位線分布如圖5。

通過以上分析，網側繞組在做1 min工頻感應實驗時，調壓繞組靜電環外的場強數值較大，達到絕緣裕度。

圖5 網側上端部電場強度分布

2 換流變壓器器身直流電場的計算與分析

大型換流變壓器在運作期間可能會承受穩態直流電壓，電場分布與復合絕緣結構的電阻率值有一定關聯，不同的復合絕緣材料，電阻率值也不相同。所以對于電阻率最低的變壓器油來說，此時其穩態直流電場場強不高，電場場強分布過于集中，主要分布在高電阻率的紙板或者是絕緣紙。

閥側繞組施加直流電位807 kV，網側、調壓繞組接地，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

閥側繞組在做直流耐壓實驗時，絕緣裕度滿足。通過分析，發現換流變壓器承受穩態直流電壓，電場場強分布狀態與電阻率值有一定關聯，穩態直流場場強分布過于集中，主要分布高電阻率的紙板或者是絕緣紙。因此,當換流變壓器在承受穩態直流電壓作用時，主要考核的應是固體紙板的絕緣裕度。

3 結束語

通過對±500 kV換流變壓器器身交、直流的詳細計算，結果顯示絕緣裕度符合設計標準?！?00 kV換流變壓器的直流電場、交流電場等方面進行研究，確定取值范圍；對換流變壓器的實際應用進行分析，向其吸收與借鑒成功經驗，基于試驗電壓水平確定主絕緣距離，結合實際情況慎重考慮適當增加紙圈、紙筒、角環等，確保油紙系統能夠正常運作，準確計算變壓器直流電場場強、交流電場場強。對油紙交界面、油隙、紙板的電場強度進行控制，確保在試驗工況下不會出現局部放電的情形，優化換流變壓器內部的絕緣結構。

[1] 劉振亞．特高壓電網[M]．北京：中國經濟出版社，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：機械工業出版社，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計制造研究工作。

TM403.3

A

1001-9898(2016)06-0014-02