特高压换流变压器绝缘特性研究

朱秋楠 张卫星 朱继斌

平高集团有限公司

特高压换流变压器绝缘特性研究

朱秋楠 张卫星 朱继斌

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换流变压器的绝缘结构是特高压换流变压器的核心技术，关系到换流变压器和直流输电系统的安全运行。换流变压器在直流系统中的特殊工况，决定了其主绝缘、阀侧出线装置承受了不同于交流变压器的电压作用。为此，本文主要对特高压换流变压器的作用、绝缘结构特点及绝缘试验进行了分析与探究。

特高压；换流变压器；绝缘结构

随着电力系统电压等级的提高，直流输电系统因其诸多优点而得到了快速发展，尤其是特高压直流输电，以其大容量和远距离输电特性而得到了大力发展。特高压直流输电系统中最重要的设备就是换流变压器。换流变压器阀侧绕组在运行过程中承受直流、交流复合电场的作用；当遇到直流线路所连接的整流端与逆变端的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。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，是非常不同的，需要做特殊研究。

一、特高压换流变压器的作用

换流变压器是换流站中使用的一种特殊类型的变压器。换流变压器一次侧绕组接到交流系统，称为网侧绕组；二次侧绕组接到换流阀，称为阀侧绕组。换流变压器的作用是将送端交流系统的电功率送到整流器，或从逆变器接受电功率送到受端交流系统。它利用两侧绕组的磁耦合传送功率，同时实现了交流系统和直流部分的电绝缘和隔离，以免交流电力网的中性点接地和直流部分的接地造成某些元件的短路。另一方面是实现电压的变换，使换流变压器网侧交流母线和换流桥的直流侧电压能分别符合两侧的额定电压及容许电压偏移。实际上，对于从交流网入侵换流器的过电压还起到抑制的作用。

直流输电换流站由基本换流单元组成，基本换流单元是在换流站内允许独立运行，进行换流的换流系统。特高压直流输电中常采用12脉动换流单元，12脉动换流变压器通常选择6台单相双绕组换流变压器，每台变压器具有一个网侧绕组(一次侧)和一个阀侧绕组(二次侧)。

二、换流变压器的绝缘结构特点

±800kV换流变压器均已研制成功，并成功投入运行。换流变压器的绝缘结构为油、纸和纸板组成的复合绝缘结构体，需要承受直流电压叠加交流电压、雷电冲击电压、操作冲击电压以及极性反转电压的作用，要求更为苛刻，是特高压换流变设计和制造的难点，也是换流变不同于普通电力变压器的地方。电压对匝间绝缘的影响显得越来越重要。对于长期工作电压，每毫米电压小于3kV，即可保证其匝绝缘不出现游离现象。对于冲击电压对匝绝缘的作用，主要取决于绕组结构，即通过调整绕组结构来达到降低匝间梯度电压、提高匝间绝缘冲击强度的目的。按照±800kV换流变压器绝缘水平的规定，绕组段间绝缘结构尺寸的确定，主要取决于雷电冲击电压分布。为改善雷电冲击电压沿绕组电位、梯度的分布，提高变压器绕组绝缘强度，就要从绕组结构入手，即绕组继续采用分区补偿结构，以达到改善雷电冲击电压沿绕组电位、梯度分布的目的。±800kV特高压直流输电示范工程用换流变压器最高阀侧电压800kV(直流)、网侧电压500kV(交流)，最大单台容量321MV·A，特高压直流输电工程高端换流变压器阀侧电压800kV(直流)、网侧电压500kV(交流)，最大单台容量达363MV·A。相比普通电力变压器，特高压换流变绝缘结构需要综合考虑交、直流电场的混合作用，设计难度更大。则换流变压器的主绝缘结构特点如下：

换流变阀侧绕组既要承受交流电压产生的应力又要承受直流电压产生的应力；全压启动、极性反转使绝缘结构比交流变更加复杂。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。由于极转瞬间，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厚度比率，以达到提高换流变压器绝缘可靠性的目的。

三、特高压换流变压器绝缘试验分析

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。

四、结束语

综上所述，作为电力系统的主要设备，换流变压器在运行中保持良好的绝缘是十分重要和必要的，为了保证变压器的绝缘水平，从变压器的制造开始，要进行一系列绝缘测试。只有这样才能全面了解特高压换流变压器绝缘特性，才能提高电力系统发展水平。

[1]邓颖.换流变压器绝缘结构分析.西安西电变压器有限责任公司[J].高压电器，2011，10，16.

[2] 张燕秉，郑劲，汪德华，李文平.特高压直流换流变压器的研制[J].高电压技术. 2010(01)