特高壓換流變壓器絕緣特性研究

朱秋楠 張衛星 朱繼斌

平高集團有限公司

特高壓換流變壓器絕緣特性研究

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換流變壓器的絕緣結構是特高壓換流變壓器的核心技術，關系到換流變壓器和直流輸電系統的安全運行。換流變壓器在直流系統中的特殊工況，決定了其主絕緣、閥側出線裝置承受了不同于交流變壓器的電壓作用。為此，本文主要對特高壓換流變壓器的作用、絕緣結構特點及絕緣試驗進行了分析與探究。

特高壓；換流變壓器；絕緣結構

隨著電力系統電壓等級的提高，直流輸電系統因其諸多優點而得到了快速發展，尤其是特高壓直流輸電，以其大容量和遠距離輸電特性而得到了大力發展。特高壓直流輸電系統中最重要的設備就是換流變壓器。換流變壓器閥側繞組在運行過程中承受直流、交流復合電場的作用；當遇到直流線路所連接的整流端與逆變端的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。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，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。換流變壓器一次側繞組接到交流系統，稱為網側繞組；二次側繞組接到換流閥，稱為閥側繞組。換流變壓器的作用是將送端交流系統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。它利用兩側繞組的磁耦合傳送功率，同時實現了交流系統和直流部分的電絕緣和隔離，以免交流電力網的中性點接地和直流部分的接地造成某些元件的短路。另一方面是實現電壓的變換，使換流變壓器網側交流母線和換流橋的直流側電壓能分別符合兩側的額定電壓及容許電壓偏移。實際上，對于從交流網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允許獨立運行，進行換流的換流系統。特高壓直流輸電中常采用12脈動換流單元，12脈動換流變壓器通常選擇6臺單相雙繞組換流變壓器，每臺變壓器具有一個網側繞組(一次側)和一個閥側繞組(二次側)。

二、換流變壓器的絕緣結構特點

±800kV換流變壓器均已研制成功，并成功投入運行。換流變壓器的絕緣結構為油、紙和紙板組成的復合絕緣結構體，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電壓的作用，要求更為苛刻，是特高壓換流變設計和制造的難點，也是換流變不同于普通電力變壓器的地方。電壓對匝間絕緣的影響顯得越來越重要。對于長期工作電壓，每毫米電壓小于3kV，即可保證其匝絕緣不出現游離現象。對于沖擊電壓對匝絕緣的作用，主要取決于繞組結構，即通過調整繞組結構來達到降低匝間梯度電壓、提高匝間絕緣沖擊強度的目的。按照±800kV換流變壓器絕緣水平的規定，繞組段間絕緣結構尺寸的確定，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度，就要從繞組結構入手，即繞組繼續采用分區補償結構，以達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電壓800kV(直流)、網側電壓500kV(交流)，最大單臺容量321MV·A，特高壓直流輸電工程高端換流變壓器閥側電壓800kV(直流)、網側電壓500kV(交流)，最大單臺容量達363MV·A。相比普通電力變壓器，特高壓換流變絕緣結構需要綜合考慮交、直流電場的混合作用，設計難度更大。則換流變壓器的主絕緣結構特點如下：

換流變閥側繞組既要承受交流電壓產生的應力又要承受直流電壓產生的應力；全壓啟動、極性反轉使絕緣結構比交流變更加復雜。對于由油、紙和紙板組成的換流變壓器絕緣結構，交流、雷電沖擊、操作沖擊電壓作用的電場分布與電力變壓器電場分布基本一樣，主要取決于不同材料的介電常數。而直流電壓作用時，其電場分布主要取決于不同材料的電阻率。這說明對于介電常數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強度比較大，是絕緣弱點區域；而對于電阻率較高的紙、紙板固體絕緣，直流電壓作用的電場強度較大，是絕緣弱點區域。對于極性反轉電壓作用，需要同時考慮直流和交流作用。由于極轉瞬間，在油紙界面處積累大量電荷，反轉后在油道中形成較高的徑向電場應力，這樣在油紙絕緣系統中，應適當調整油和固體絕緣材料厚度比率，以達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分析

針對特高壓換流變絕緣結構需要進行相關絕緣試驗，以考核電氣設備的絕緣結構是否滿足要求。特高壓換流變網側繞組與交流系統相連，其絕緣試驗與普通電力變壓器試驗的試驗項目相同，包括操作沖擊耐受試驗、雷電沖擊耐受試驗(全波、截波)、外施交流耐壓試驗、感應耐壓試驗(長時、短時)，試驗方法也相同。而閥側繞組由于同時承受交流電壓和直流電壓，其絕緣試驗內容與普通電力變壓器有很大的不同。同時換流變壓器連接交流系統和換流器，換流器的工作方式決定了換流變壓器交流側的電流中具有很大的諧波電流分量，因此，換流變壓器的負載損耗測量要考慮諧波電流的影響。由于負載損耗與各次諧波的含量有關，受所連換流閥工作方式的影響，一臺換流變壓器的溫升試驗結果是不能代表同一類型其他換流變壓器工作時的溫升，因此，對于普通電力變壓器，溫升試驗是型式試驗，只需要對同一類型中的一臺進行，而對于換流變壓器，溫升則是例行試驗，要對每一臺都進行。

特高壓換流變壓器的絕緣試驗包括鐵心及其相關絕緣的試驗、絕緣電阻測量、絕緣油試驗、雷電沖擊全波試驗、操作沖擊試驗、包括局部放電測量的外施直流電壓耐受試驗、包括局部放電測量的極性反轉試驗、包括局部放電測量的外施交流電壓耐受試驗和包括局部放電測量的長時交流感應耐壓試驗。換流變閥側繞組的試驗中，多了外施直流電壓耐壓試驗。

四、結束語

綜上所述，作為電力系統的主要設備，換流變壓器在運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，要進行一系列絕緣測試。只有這樣才能全面了解特高壓換流變壓器絕緣特性，才能提高電力系統發展水平。

[1]鄧穎.換流變壓器絕緣結構分析.西安西電變壓器有限責任公司[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. 2010(01)