超高压换流变压器主绝缘特性研究

李 斌,崔立飞,孙 赟,卢屹磊

(1.保定天威保变电气股份有限公司，河北 保定 071051；2．国网河北省电力公司石家庄供电分公司，石家庄 050051；3.国网河北省电力公司检修分公司,石家庄 050070)

超高压换流变压器主绝缘特性研究

李 斌1,崔立飞2,孙 赟2,卢屹磊3

(1.保定天威保变电气股份有限公司，河北 保定 071051；2．国网河北省电力公司石家庄供电分公司，石家庄 050051；3.国网河北省电力公司检修分公司,石家庄 050070)

针对超高压换流变压器在制造过程中需要耐受的不同绝缘试验的考核及在换流站运行过程中承受的不同电压种类的情况,提出建立与实际产品结构相似的计算模型，分析计算各种电场分布,总结电场分布规律,优化得出换流变压器不同的产品结构方案。

直流输电；换流变压器;主绝缘;油-纸绝缘;场域分析

0 引言

随着我国电力系统的飞速发展，电压等级的不断提高,直流输电系统因其具有诸多优点而得到了快速发展,尤其是高压直流输电,以其大容量和远距离输电独特优势而得到了大力发展。高压直流输电系统中最重要的电气设备就是换流变压器[1]。图1为两端直流输电系统结构。在运行过程中,换流变压器中的阀侧绕组不仅承受着直流、交流复合电场的作用，而且当遇到直流线路所连接的整流端与逆变端能量潮流进行反转的短时过程，换流变压器还承受极性反转电压的作用[2]。由此可知,换流变压器内部的电场分布情况与一般的电力变压器相比,有很大差异,需要做特殊研究。

图1 两端直流输电系统结构

以下通过计算换流变压器阀侧绕组端部电场分布，建立了油纸绝缘结构的电路模型。在分析阀侧绕组励磁电压类型的基础上，利用有限元分析法计算在交流、直流、交直流叠加作用下的电场分布，并总结出电场分布规律。为大型、超高压换流变压器的计算和验证供了参考[3]。

根据验证±500 kV换流变压器过程中所获得的相关经验，按照试验电压的提升，加大绕组和绕组间的绝缘距离，此外还利用提升角环数、纸筒数以及纸圈数来确保油纸系统的有机配合，使换流变压器在电场强度上的计算要求得以满足，并确保变压器绝缘结构的合理性。

1 换流变压器器身交流电场的计算与分析

研究对象为ZZDFPZ-317600/500型单相双绕组换流变压器,其绝缘水平如表1所示。

表1 算例产品的绝缘水平 kV

直流电压等级Y直流500kVΔ直流250kV网侧雷电冲击(全波)1550雷电冲击(载波)1705操作冲击1175工频(1min)680网侧中性雷电冲击(全波)185工频(1min)95阀侧线圈雷电冲击(全波)15501050雷电冲击(载波)17051155操作冲击1300850工频(1min)598324直流耐受电压807421极性反转耐受电压578256

通过观察发现，换流变压器在正弦交流电压作用下，主要是电容性分布，并与不同材料的电容率有较大关联。实际操作过程中，介电常数直接决定了电场强度，纸板的介电常数越高，其电场强度越低。交流电压下等位线分布见图2。阀侧外施60 min外施。施加电位598 kV，折算成1 min工频598/0.85=703.5 kV，网侧、调压绕组接地。

图2 器身上半部交流电场等位线分布

由图2可见,介电常数最大的硬纸板的等位线分布稀疏，变压器油的介电常数较小，则意味着等位线密集分布。介电常数居中的绝缘纸中等位线分布的疏密程度介于两者之间。

在实际工程用换流变压器的设计中,变压器油的介电常数一般在(2.1～2.3)×10-11F/m；浸油后的绝缘纸板(厚度大于0.5 mm)的介电常数一般在(3.9～5.5)×10-11F/m；而一般浸油后的绝缘纸的介电常数在(3.0～3.8)×10-11F/m。理想工作状态时的变压器油、纸板、纸介电常数这三者的比例是2.2∶4.4∶3.5。

阀侧上、下端部电场强度分布如图3、图4所示，当介电常数发生改变，介质不同的情况下，换流变压器则会承担不同的电压。如果变压器油的介电常数最小，此时需承担最大的电压，交流电压作用下主要选择采用的是容性分布，介电常数、所承担电压这两者是反比例关系。如果电场强度最大，此时外径侧油隙场强的数值为10.58 kV/mm；绝缘纸中场强为6.71 kV/mm;硬纸板中场强为7.76 kV/mm。

图3 阀侧上端部电场强度分布

图4 阀侧下端部电场强度分布

通过以上分析，阀侧绕组在做长时外施实验时，网侧绕组静电环外径侧第一油隙的绝缘裕度最小，为1.103，此处油隙裕度偏小。

将网侧绕组分钟工频施加680～47 kV(线性分布)，阀侧施加251～0 kV(线性分布)，调压施加47 kV。计算模型等位线分布如图5。

通过以上分析，网侧绕组在做1 min工频感应实验时，调压绕组静电环外的场强数值较大，达到绝缘裕度。

图5 网侧上端部电场强度分布

2 换流变压器器身直流电场的计算与分析

大型换流变压器在运作期间可能会承受稳态直流电压，电场分布与复合绝缘结构的电阻率值有一定关联，不同的复合绝缘材料，电阻率值也不相同。所以对于电阻率最低的变压器油来说，此时其稳态直流电场场强不高，电场场强分布过于集中，主要分布在高电阻率的纸板或者是绝缘纸。

阀侧绕组施加直流电位807 kV，网侧、调压绕组接地，直流电压下电场等位线分布如图6所示。

图6 器身上半部直流电场等位线分布

阀侧绕组在做直流耐压实验时，绝缘裕度满足。通过分析，发现换流变压器承受稳态直流电压，电场场强分布状态与电阻率值有一定关联，稳态直流场场强分布过于集中，主要分布高电阻率的纸板或者是绝缘纸。因此,当换流变压器在承受稳态直流电压作用时，主要考核的应是固体纸板的绝缘裕度。

3 结束语

通过对±500 kV换流变压器器身交、直流的详细计算，结果显示绝缘裕度符合设计标准。±500 kV换流变压器的直流电场、交流电场等方面进行研究，确定取值范围；对换流变压器的实际应用进行分析，向其吸收与借鉴成功经验，基于试验电压水平确定主绝缘距离，结合实际情况慎重考虑适当增加纸圈、纸筒、角环等，确保油纸系统能够正常运作，准确计算变压器直流电场场强、交流电场场强。对油纸交界面、油隙、纸板的电场强度进行控制，确保在试验工况下不会出现局部放电的情形，优化换流变压器内部的绝缘结构。

[1] 刘振亚．特高压电网[M]．北京：中国经济出版社，2005：1-10.

[2] 谢毓城.保定天威保变电气股份有限公司组编.电力变压器手册[M].北京：机械工业出版社，2003:32-179.

[3] 韩晓东，翟亚东．高压直流输电用换流变压器[J]．高压电器，2002，38(3)：5-6.

本文责任编辑：靳书海

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，工程师，主要从事变压器及换流变压器设计制造研究工作。

TM403.3

A

1001-9898(2016)06-0014-02