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摘要：换流变压器是直流输电系统中的关键设备之一，在整流侧换流变压器主要是提供特殊要求的电源，通过换流器将交流网路的电能转换为高压直流电能，通过高压直流输电线路传输，在逆变侧换流变压器则反过来将直流电能通过换流器转换为交流电能，并通过换流变压器转换为正常交流正弦电压，送到其它网路。
关键词：换流变压器；直流输电；±800kV；绝缘结构分析
中图分类号：TM401
文献标识码：A
引言
与交流输电相比，高压直流输电在远距离、大容量输电上具有明显的优势，所以在许多发达国家电力系统中得到较大的发展。我国自1987年舟山直流输电工程投入运行以来，已有多条±500kV直流输电系统建成，目前已开工建设±800kV直流输电系统。在±800kV直流输电系统中，处于最高端的换流变压器阀侧对地直流电压为±800kV。由于换流变压器还要承受交流电压、雷电冲击电压、操作冲击电压及直流极性反转电压的作用，给±800kV换流变压器绝缘结构的设计带来了较大的困难，为此，笔者对±800kV换流变压器的绝缘结构进行了详细计算分析，为保证±800kV换流变压器产品的安全运行奠定了基础。
1±800kV换流变压器主绝缘结构分析
换流变压器主绝缘结构的确定，主要取决于电场分析计算。由±800kV换流变压器绝缘水平可知，与一般电力变压器相比，换流变压器运行时不仅要承受交流、雷电冲击、操作冲击电压作用，而且还要承受直流电压作用和极性反转电压作用。对于由油、纸和纸板组成的换流变压器绝缘结构，交流、雷电冲击、操作冲击电压作用的电场分布与电力变压器电场分布基本一样，主要取决于不同材料的介电常数。而直流电压作用时，其电场分布主要取决于不同材料的电阻率。这说明对于介电常数比较低的变压器油而言，交流、雷电冲击、操作冲击电压作用的电场强度比较大，是绝缘弱点区域；而对于电阻率较高的纸、纸板固体绝缘，直流电压作用的电场强度较大，是绝缘弱点区域。对于极性反转电压作用，需要同时考虑直流和交流作用。笔者通过在直流场上叠加一个交流场的作用，计算极性反转电场。由于极性反转瞬间，在油纸界面处积累大量电荷，反转后在油道中形成较高的径向电场应力，这样在油纸绝缘系统中，应适当调整油和固体绝缘材料的厚度比率，以达到提高换流变压器绝缘可靠性的目的。
2特高压换流变压器绝缘试验及绝缘水平
针对特高压换流变绝缘结构需要进行相关绝缘试验，以考核电气设备的绝缘结构是否满足要求。特高压换流变网侧绕组与交流系统相连，其绝缘试验与普通电力变压器试验的试验项目相同，包括操作冲击耐受试验、雷电冲击耐受试验(全波、截波)、外施交流耐压试验、感应耐压试验(长时、短时)，试验方法也相同。而阀侧绕组由于同时承受交流电压和直流电压，其绝缘试验内容与普通电力变压器有很大的不同。同时换流变压器连接交流系统和换流器，换流器的工作方式决定了换流变压器交流侧的电流中具有很大的谐波电流分量，因此，换流变压器的负载损耗测量要考虑谐波电流的影响。由于负载损耗与各次谐波的含量有关，受所连换流阀工作方式的影响，一台换流变压器的温升试验结果是不能代表同一类型其他换流变压器工作时的温升，因此，对于普通电力变压器，温升试验是型式试验，只需要对同一类型中的一台进行，而对于换流变压器，温升则是例行试验，要对每一台都进行。
特高压换流变压器的绝缘试验包括铁心及其相关绝缘的试验、绝缘电阻测量、绝缘油试验、雷电冲击全波试验、操作冲击试验、包括局部放电测量的外施直流电压耐受试验、包括局部放电测量的极性反转试验、包括局部放电测量的外施交流电压耐受试验和包括局部放电测量的长时交流感应耐压试验。换流变阀侧绕组的试验中，多了外施直流电压耐压试验。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆考虑到随着直流输电系统中潮流方向的变化，换流变压器阀侧绕组的对地电位会发生反转，因此还要进行直流反转电压耐受试验。其中雷电冲击全波试验、操作冲击试验主要是用来考核特高压换流变的纵绝缘结构，外施直流耐受试验、直流极性反转试验和外施交流耐受试验是为了考核特高压换流变的主绝缘结构。
3特高压换流变压器的设计
3.1直流运行中产生的陡波对绕组纵绝缘的作用和影响
在特高压换流变压器设计制造中，绕组绝缘结构的设计制造是其中最为关键的技术之一。由于特高压换流变压器阀侧绕组的绝缘水平提高，绝缘结构与±500kV换流变压器相比更复杂。阀侧绕组纵绝缘除了要考虑雷电冲击过电压、操作冲击过电压提高的影响外，特高压直流输电系统在运行中产生的陡波过电压对换流变压器阀侧绕组纵绝缘的作用，更应引起重视。随着直流电压的升高，换流器串联数量增加，产生的陡波过电压也越高，对高压端和低压端换流变压器阀侧绕组纵绝缘的影响都很大。过高的陡波电压会导致阀侧绕组纵绝缘击穿，导致换流变压器烧坏的恶性事件。
3.2交、直流复合电场作用下局部放电
特高压换流变压器阀侧绕组的绝缘水平高，特别是在较高交、直流复合电场作用下，复杂的绝缘结构局部放电发生的概率大大增加，为了预防特高压换流变压器局部放电发生，保证换流变压器的绝缘可靠性，十分有必要对特高压换流变压器进行相关的绝缘试验。
3.3阀侧套管和出线装置
由于换流变阀侧出线处的结构非常复杂，且绝缘介质种类较多，其电阻率受温度湿度的影响在很大的范围内变化，导致电场分布变化很大，出线装置是特高压换流变套管的关键部位，为了保证换流变正常运行不发生套管内部放电，阀侧绝缘结构也是绝缘试验重点考核的部位之一。
3.4阀侧引线布置
特高压直流输电多用于西电东送，其发送端的换流站多位于西南水力资源丰富的山区,运输条件比较苛刻，大多数换流变压器都不得不采用铁路运输的方式，这就把特高压换流变压器的外形尺寸限制在了一个相对较小的尺寸范围内。特高压换流变压器的运输尺寸由换流变压器的技术性能参数和机构确定。其中，换流变压器阀侧引线结构对运输尺寸的影响很大。换流变压器阀侧引线结构可以采用放置在油箱内部的方式，通过合理的设置绝缘筒的数量以及合适的引线安装位置，可以最大程度减小引线均压管道油箱以及铁心等接地位置的绝缘距离，减小换流变压器的尺寸。
4结论
笔者应用变压器绕组波过程计算程序、电场计算程序对±800kV换流变压器绝缘结构进行了所有工况下的绝缘裕度计算分析，计算分析结果表明：（1）换流变压器绕组纵绝缘主要由雷电冲击电压和长期工作电压决定。（2）对于换流变压器主绝缘结构，由于雷电冲击、操作冲击安全裕度相对较大，工频耐压、直流耐压应该重点考核。（3）换流变压器油与固体成型件的厚度比率控制，应由电场计算分析结果决定。其比率分配的合理与否，将严重影响换流变压器绝缘安全性。
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论文作者:张帆1, 陈飞2
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第09期
论文发表时间:2019/9/10
标签：电压论文; 绕组论文; 电场论文; 结构论文; 特高压论文; 雷电论文; 极性论文; 《当代电力文化》2019年第09期论文;