（电气工程专业论文）换流变压器阀侧绕组端部直流电场计算分析.pdf

华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 本文主要计算换流变压器阀侧绕组端部电场。换流变压器阀侧绕组除承受交流应力 外，它的工作电压和过电压中具有很高的直流分量，当系统发生潮流反转时，阀侧绕组 所承受的直流电压也同时发生极性反转。长时问作用的直流电压和阶跃性的直流电压对 换流变压器产生的电应力与交流应力迥然不同，并对绝缘的选择起了决定性的作用。 本文在认真分析换流变压器端部绝缘结构的基础上，抓住影响电场分布的关键因 素，建立计算模型，选择不同电阻率比值对试验与运行工况下阀侧绕组端部电场进行计 算分析。总结电场分布规律，分析目前换流变压器直流电压试验标准的合理性。计算结 果具有代表性，可以指导产品的设计与生产，为实现换流变压器国产化奠定基础。 关键词：阀侧绕组，直流，换流变压器，极性反转 e l e c t r i cf i e l dc o m p u t a t i o no fv a l v es i d ew i n d i n go nc o n v e r t e rt r a n s f o r n l e ri sm a i ni n t h i sd i s s e r t a t i o n t h ev a l v es i d ew i n d i n go ft h ec o n v e r t e rt r a n s f o r m e rn o to n l yw i t h s t a n d e s e x c h a n g es t r e s s ，b u ti ni t sw o r k i n gv o l t a g ea n dt h eo v e r v o l t a g eh a st h ev e r yh i g hd i r e c t c o m p o n e n t ，w h e ns y s t e mh a p p e n st i d a lc u r r e n tr e v e r s e ，t h ed cv o l t a g eu n d e rt h ev a l v es i d e w i n d i n ga l s os y n c h r o n i z er e v e r s a l t h ee l e c t r i cs t r e s si st o t a l l yd i f f e r e n tw i t ht h ee x c h a n g e s t r e s s ，i ti sp r o d u c e dw h e nt h ed cv o l t a g eo fl o n gt i m ea n dt h es t e pl e a pe f f e c tc o n v e r t c r t r a n s f o r m e r a n di td e c i s i v e l yi n f l u e n c ei n s u l a t i o nc h o i c e i ne a r n e s t l ya n a l y s e st h en o s ei n s u l a t i o ns t r u c t u r eo ft h ec o n v e n e rt r a n s f o r m e r ，h o l d s t h ek e ya s p e c tt h a ti n f l u e n c ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o n ，e s t a b l i s h e st h ec o m p u t a t i o nm o d e l ， c h o i c ed i f f e r e n te l e c t r o n i cr e s i s t i v i t yr a t i ot oc o m p u t ea n da n a l y s et h ee l e c t r i cf i e l do ft h e v a l v es i d ew i n d i n gn o s eu n d e rt h ee x p e r i m e n t sa n dt h eo p e r a t i n g ，s u m m a r i z et h e d i s t r i b u t i o nr u l eo ft h ee l e c t r i cf i e l d ，a n a l y s et h er a t i o n a l i t yt r a d e so ft h et e s ts t a n d a r du n d e r d i r e c tc u r r e n tp r e s s u r ea tt h ec o n v e r t e rt r a n s f o r m e r c a l c u l a t i o nh a sr e p r e s e n t a t i o n a l ，m a y g u i d ep r o d u c t i o na n dt h ed e s i g no ft h ep r o d u c t ，f o rh o m e p r o d u c eo fc o n v e r t e rt r a n s f o r m e r t oe s t a b l i s ht h ef o u n d a t i o n w a n g c h u nl j n g ( e l e c t r i ce n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db yp r o ll iw c ig u o k e yw o r d s ：v a l v es i d ew i n d i n g , d i r e c tc u r r e n t yc o n v e r t e rt r a n s f o r m e r , p o l a r i t yr e v e r s a l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 本文主要计算换流变压器阀侧绕组端部电场。换流变压器阀侧绕组除承受交流应力 外，它的工作电压和过电压中具有很高的直流分量，当系统发生潮流反转时，阀侧绕组 所承受的直流电压也同时发生极性反转。长时问作用的直流电压和阶跃性的直流电压对 换流变压器产生的电应力与交流应力迥然不同，并对绝缘的选择起了决定性的作用。 本文在认真分析换流变压器端部绝缘结构的基础上，抓住影响电场分布的关键因 素，建立计算模型，选择不同电阻率比值对试验与运行工况下阀侧绕组端部电场进行计 算分析。总结电场分布规律，分析目前换流变压器直流电压试验标准的合理性。计算结 果具有代表性，可以指导产品的设计与生产，为实现换流变压器国产化奠定基础。 关键词：阀侧绕组，直流，换流变压器，极性反转 e l e c t r i cf i e l dc o m p u t a t i o no fv a l v es i d ew i n d i n go nc o n v e r t e rt r a n s f o r n l e ri sm a i ni n t h i sd i s s e r t a t i o n t h ev a l v es i d ew i n d i n go ft h ec o n v e r t e rt r a n s f o r m e rn o to n l yw i t h s t a n d e s e x c h a n g es t r e s s ，b u ti ni t sw o r k i n gv o l t a g ea n dt h eo v e r v o l t a g eh a st h ev e r yh i g hd i r e c t c o m p o n e n t ，w h e ns y s t e mh a p p e n st i d a lc u r r e n tr e v e r s e ，t h ed cv o l t a g eu n d e rt h ev a l v es i d e w i n d i n ga l s os y n c h r o n i z er e v e r s a l 1 1 l ee l e c t r i cs t r e s si st o t a l l yd i f f e r e n tw i t ht h ee x c h a n g e s t r e s s ，i ti sp r o d u c e dw h e nt h ed cv o l t a g eo fl o n gt i m ea n dt h es t e pl e a pe f f e c tc o n v e r t c r t r a n s f o r m e r a n di td e c i s i v e l yi n f l u e n c ei n s u l a t i o nc h o i c e i ne a r n e s t l ya n a l y s e st h en o s ei n s u l a t i o ns t r u c t u r eo ft h ec o n v e n e rt r a n s f o r m e r ，h o l d s t h ek e ya s p e c tt h a ti n f l u e n c ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o n ，e s t a b l i s h e st h ec o m p u t a t i o nm o d e l ， c h o i c ed i f f e r e n te l e c t r o n i cr e s i s t i v i t yr a t i ot oc o m p u t ea n da n a l y s et h ee l e c t r i cf i e l do ft h e v a l v es i d ew i n d i n gn o s eu n d e rt h ee x p e r i m e n t sa n dt h eo p e r a t i n g ，s u m m a r i z et h e d i s t r i b u t i o nr u l eo ft h ee l e c t r i cf i e l d ，a n a l y s et h er a t i o n a l i t yt r a d e so ft h et e s ts t a n d a r du n d e r d i r e c tc u r r e n tp r e s s u r ea tt h ec o n v e r t e rt r a n s f o r m e r c a l c u l a t i o nh a sr e p r e s e n t a t i o n a l ，m a y g u i d ep r o d u c t i o na n dt h ed e s i g no ft h ep r o d u c t ，f o rh o m e p r o d u c eo fc o n v e r t e rt r a n s f o r m e r t oe s t a b l i s ht h ef o u n d a t i o n w a n g c h u nl j n g ( e l e c t r i ce n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db yp r o ll iw c ig u o k e yw o r d s ：v a l v es i d ew i n d i n g , d i r e c tc u r i 屯t c o n v e r t e rt r a n s f o r m e r , p o l a r i t yr e v e r s a l 声明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文换弱e 变压器阀侧绕组端部 直流电场计算分析，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导 下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： ! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段 复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文 的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 姒 6 fc r 导师签名：麴 e t 期： 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第一章引言 本章将简单介绍高压直流输电工程与换流变压器，阐述换流变压器的绝缘问 题，说明目前国内外换流变压器的制造概况及课题研究的内容、目标与意义。 1 1 直流输电工程 1 1 1 直流输电工程系统构成 直流输电技术从2 0 世纪5 0 年代应用以来，已经历了汞弧阀换流和晶闸管换流 时期，目前世界上已有6 0 多项直流输电工程投入运行。特别是近2 0 年来，随着电 力电子、光纤和计算机等技术的发展，使直流输电系统的控制、调节与保护日趋完 善，直流输电系统的运行可靠性进一步提高，促进了直流输电工程的迅猛发展。2 0 世纪八十年代，我国开始建设直流输电工程。目前我国建成和正在建设的直流输电 工程已达1 0 多项。 直流输电系统结构可分为两端直流输电系统和多端直流输电系统。两端直流输 电系统与交流系统只有两个连接端口，是最简单的直流输电系统，其又可分为单极 系统、双极系统和背靠背系统三种类型。多端直流输电系统与交流系统有三个或三 个以上的连接端口，可以解决多电源送电或多落点受电的输电问题。直流输电系统 主要由整流站、逆变站和输电线路三部分组成，整流站和逆变站统称为换流站。为 了完成交直流之间的变换，并达到电力系统对安全稳定和电能质量的要求，换流站 应包括：换流阀、换流变压器、平波电抗器、交流开关设备、交流滤波器、交流无 功补偿装置、直流开关设备、直流滤波器、控制与保护装置以及远程通信系统等。 换流阀是换流站的核心，它除了具有整流和逆变的功能外，在整流站还具有开关的 功能。换流站中的交流滤波器有滤除换流器产生的谐波电流和向换流器提供部分基 波无功两个任务。平波电抗器和直流滤波器一起构成直流侧的滤波回路。交直流开 关设备是为了故障的保护切除、运行方式的转换以及检修的隔离等。为保证高压直 流输电系统安全稳定运行，换流站运行中所需的无功不能主要依靠交流系统提供， 必须装设合适的无功补偿装置。换流变压器是直流输电系统中的主要电器设备，其 在换流过程中的功能是“变压”和“裂相”，并与换流阀组一道，在交流电网和直 流线路之间起着连接和协调作用，将功率由交流系统传输到直流系统。换流变压器 运行的可靠性直接影响整个系统的运行，其重要性是不言而喻的。图1 为直流输电 系统结构图。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 交 输电 线路 3 i 卜甜4 卜_ _ 1 幅、”各 厂、 ， 8 净 奶铲虎 一晤、l 哲t j i r 叨r _ 换流站1 换流站2 图1 直流输电系统结构图 l 换流变压器2 一换流器3 平波电抗器4 一交流滤波器5 一 直流滤波器6 控制保护系统7 一接地极8 通信系统 1 1 2 直流输电工程优、缺点 统1 1 在大容量远距离输电、跨海输电、大电网的联络等方面，直流输电比起交流输 电有很多优越性。主要表现在以下几个方面： 1 直流输电架空线路只须正负两极导线( 利用大地为回路时甚至可省去一极 导线) 、塔杆结构简单、与同样的交流线路相比，损耗与费用较低。同时，直流输 电所占的线路走廊也较窄。在直流电压下，不存在电容电流，线路电压分布均匀， 不须装设并联电抗器； 2 采用电缆的远距离交流输电是不现实的，然而对于直流却不存在这种限制。 电缆耐受直流电压能力比交流约高3 倍，因此输送容量大、造价低、损耗小、不易 老化、寿命长： 3 直流输电不存在交流输电的同步稳定问题，两端交流系统通过整流和逆变 的隔离，无须同步运行，这对于远距离大容量输电非常有利； 4 采用直流输电可构成电力系统之间的非同步互联，而且被联电网可保持各 自的电能质量而独立运行，短路容量可以不增加，无须更换断路器，被联电网之间 可以方便的进行功率交换； 5 直流输电输送的有功功率和换流站消耗的无功功率可由控制系统快速控 制，从而提高交流系统频率和电压的稳定性，有利于电网的现代管理； 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 6 直流输电可以方便地进行分期建设和增容建设，有利于发挥投资效益。 以上是直流输电的优越性，由于其自身特点，直流输电也有一些缺点，主要表现 在以下几方面： 1 直流输电换流站比交流变电所的设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运 行费用高、可靠性也差。除相应的变压器和断路器外，直流换流站还要有换流器、 平波电抗器、滤波器、无功补偿设备等，造价要高出数倍。因此，减少换流站设备、 降低造价、采用新型设备是今后直流输电发展中应继续解决的问题； 2 换流器对交流侧来说，是一谐波电流源，它畸变交流电流波形，发出一系 列高次谐波电流，同时也畸变了交流电压波形。其对直流侧来说，是一谐波电压源， 它畸变直流电压波形，发出一系列高次谐波电压，产生谐波电流； 3 普通的晶闸管换流器在进行换流时须消耗近一半的无功功率，每个换流站 均须装设无功补偿设备，要增加投资和运行费用。只有采用新型换流器此问题才会 得到解决； 4 直流输电利用大地为回路带来一些新技术问题，如接地极附近的电腐蚀问 题，附近中性点接地变压器饱和引起噪声增加问题，对通信和航海的干扰问题等； 5 直流断路器熄弧没有零点可利用，灭弧问题难以解决，采用新型可关断半 导体换流器进行换流，断路器的功能由换流器完成，此问题将会得到解决。 1 2 换流变压器 1 2 1 结构特点 在直流输电系统中，通常把换流阀、换流变压器、滤波装置、直流电抗器称为 高压直流输电工程的一次设备中的“四大件”。不仅它们的投资占据着整个一次设 备投资的很大比重，而且投入运行后将直接影响到整个工程的运行可靠性，其重要 性是显而易见的。 用于直流输电的主变压器称为换流变压器。它既与一般的高压电力变压器有所 不同，也与一般工业企业中所用的整流变压器有所区别。 高压直流( h v d c ) 换流变压器的工作原理是将网侧交流电压通过变压器变为阀 侧交流电压，经换流阀整流为直流传输。为了提高整流效率，由两个6 脉冲换流桥 组成，一组为y 结线，另一组为d 结线。其主要优点是备用容量小，较为经济。 与一般的交流变压器相比较，换流变压器具有下列的特点： 1 在换流变压器的二次绕组( 直流侧绕组) 与大地之间叠加有直流电压。由 于绝缘介质的复合绝缘特性在交、直流电压下是不同的，设计换流变压器的绝缘结 构时必须考虑这一点； 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 由于换流阀控制极触发脉冲的触发角不均匀以及换相电压不对称，致使交 流相电流的正负半波不同，它的平均值将不等于零，使得二次绕组内流过直流电流， 从而使铁心受到直流偏磁的影响； 3 在变压器的二次绕组内将流过高次谐波电流，从而将引起附加损耗、噪声 等。换流变压器的设计、制造及现场安装必须考虑这些因素。在有强谐波通过的地 方，用非磁性材料制造紧固件，绕组和外壳之间采取磁屏蔽措施： 4 普通变压器的超高压交流绕组都是分级绝缘，每台单相换流变压器一般只 有一个超高压引出端子。而超高压换流变压器阀侧绕组则是全绝缘，每台单相换流 变压器一般有一个交流网侧绕组和两个阀侧绕组，共有5 个引出端子； 5 为限制阀臂短路故障电流，换流变压器的短路阻抗比普通变压器要大。同 时，为减小非特征谐波，换流变压器的三相短路阻抗实测值与规范值的差别要尽可 能减小。 1 2 2 外加电压特点 在换流变压器的二次侧，不仅有交流电压，还有直流电压叠加其上。因此，在 正常情况下换流变压器的绝缘要考虑交流与直流的叠加作用。当系统发生潮流反转 时，直流电压同时发生极性反转，还将承受极性反转电压的作用等。换流变压器的 各绕组绝缘还受到下列暂态过电压的作用“1 ： 1 从交流电网传来的雷击过电压和操作过电压，其幅值以网侧避雷器保护水 平为基础，故网绕组雷电冲击和操作冲击绝缘水平的选择与一般交流电网中变压器 相同： 2 从直流侧传来和从交流侧经电磁耦合传来的操作过电压作用在阀侧绕组 上，其中幅值最高者往往决定了阀侧绕组的冲击绝缘水平，这种过电压受到直流避 雷器、阀侧避雷器及交流侧母线避雷器的限制； 3 当平波电抗器阀侧至阀厅的一段短线因架空地线屏蔽失败而遭雷击时，换 流变压器的阀侧绕组有可能受到雷电暂态过电压，这种过电压同样受到阀避雷器和 直流母线避雷器的限制。由于平波电抗器和直流滤波器的衰减作用，直流线路雷击 过电压对变压器的阀侧绕组不构成威胁。表2 - 1 将换流变压器与一般变压器所承受 的外加电压作了比较。 根据统计，换流变压器运行中绝缘事故在全部故障中所占的比例在5 0 以上， 而所有这些绝缘主要发生在阀侧绕组或与之相关部位。例如我国8 9 年投运的第一 条超高压直流输电线路葛上线葛洲坝站所用的换流变压器，由国外某公司制造，在 第一次产品出厂试验时，全部产品无一台合格，其中主要原因是在进行直流试验时 阀侧绕组出现问题，还有引线及分接开关连线出现故障，均是绝缘问题。可见绝缘 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 问题给换流变压器的设计与制造提出了更高、更严格的要求。 表2 一l 电力变压器与换流变压器承受电压对比表 交流雷电冲操作冲直流极性反 励磁电压类型 电压击电压击电压电压转电压 电力变压器 000 换流变压器 j000 1 2 3 绝缘介质中电压分布特点的物理解释 在换流变压器中，和一般电力变压器一样，内绝缘大多采用变压器油和纤维素 固体材料( 如绝缘纸等) 的复合结构。但换流变压器的阀侧绕组在运行中要承受以 上提到的各种电压的作用，因此它的内部绝缘中的电位分布跟普通电力变压器有所 不同。 当电极加上交流电压时，绝缘结构内部各处的电压分布是由介电常数所决定， 且成反比，油中承担较大场强。当电极上加的是直流电压时，各处的电压分布取决 于绝缘材料的电阻率，既所谓的电阻分布，绝缘纸承担大部分电压。这种规律可解 释如下：在雷电和操作冲击的交流电压下与介电常数无关紧要的绝缘电流，在高压 直流电场下则变为相当关键。由于离子的运动，在油和纸板绝缘系统中流动的极小 电流使最初无空间电荷的电容场在几秒、几分或几小时内转变为空间电荷包围的 场。在油和绝缘纸交界面上积累大量空间电荷，降低了油的应力，并在纸板内产生 较高的稳态直流电压场。 当激励电压由一种稳态跃变到另一种稳态，即发生极性反转时，不同介质交界 面处的空间电荷将会减少，而空间电荷释放时间很长( 一般要为几十分种甚至更 长) ，远大于极性反转时间( 一般为几十毫秒) ，因此反转瞬间油、纸将承受空间电 荷感应电压与反转瞬间外加电压容性分量的共同作用，这种作用的结果在油中相互 加强，而在绝缘纸中相互削弱，且基于容性分布原则，在反转的瞬间，油中承担了 大部分的外加电压，故而出现电位集中，这往往导致油中发生局放甚至击穿，这是 交流电场中所没有的现象。1 。 1 2 4 绝缘试验内容 换流变压器绝缘对运行中的工作场强应有足够的耐受裕度，而绝缘的耐受裕度 是通过绝缘试验来验证的。所以，绝缘试验对绝缘考核的有效性直接影响着换流变 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 压器运行的可靠性。自2 0 世纪8 0 年代中期开始，c i g r e s c 组成专门的联合调查组 j w g l 2 1 4 对h v d c 换流变压器进行持续深入的调查研究。发现在换流变压器事故中， 属套管和阀侧绕组故障最多，专家们建议对h v d c 换流变压器做下述试验“1 ： l ：例行试验：除通常交流试验项目外，应增加： 1 ) 总负载损耗和阻抗试验。 2 ) 负载电流试验。 3 ) 长时直流耐压试验并进行局部放电测量。 4 ) 直流极性反转试验并进行局部放电测量。 5 ) 外施工频电压试验并进行局部放电测量。 6 ) 变压器组装前对换位导线股间绝缘试验。 7 ) 激磁特性试验。 8 ) 套管试验。 2 ：型式试验： 1 ) 温升试验。 2 ) 噪声水平。 3 ) 高频阻抗试验。 4 ) 套管试验 3 ：特殊试验： 1 ) 1 2 小时1 1 倍额定电压下的空载试验。 2 ) 油流带电试验及开启油泵情况下加压做局部放电试验。 3 ) 瓦斯继电器气体集气试验。 1 3 国内外的发展状况 1 3 1 直流输电工程的发展状况 电力技术的发展从直流电开始，早期的直流输电不需要经过换流，直接从电源 送往负荷。随着三相交流发电机、电动机、变压器的发展，发电和用电领域被交流 电取代，但在输电方面，直流有其不可取代之处。在发电和用电领域均为交流电的 情况下，要采用直流输电，必须解决换流问题。与换流技术相关，直流输电发展分 为以下几个： 1 汞弧阀换流时期。从1 9 5 4 年到1 9 7 7 年，世界上共有1 2 项汞弧阀换流的直 流工程建成。由于其制造复杂、价格昂贵、故障率高、可靠性低、运行维护不便等 因素，使直流输电的发展受到限制； 2 晶闸管换流时期。2 0 世纪7 0 年代开始，晶闸管换流取代汞弧阀换流。晶闸 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 管换流阀不存在逆弧问题，且制造、运行维护、试验都较汞弧阀方便，特别是随着 微机控制和保护、光电传输技术、氧化锌避雷器等技术的广泛应用，促使直流输电 技术进一步发展。 3 新型半导体换流设备时期。2 0 世纪9 0 年代以后，1 9 9 7 年3 月由绝缘栅双 极晶体管( i g b t ) 组成电压源换流器的直流试验工程在瑞典投入运行，近期又有集 成门极换相晶体管( i g c t ) 和大功率碳化硅元件得到很好应用，这些新型半导体换 流元件将会取代晶闸管，并将有利推动直流输电工程的发展。 我国的第一条超高压直流输电线路是葛上线( 葛洲坝上海南桥) ，于1 9 8 9 年 9 月1 7 日投入商业性运行。其换流站的全套设备是从a b b 、s i e m e n s 公司引进的， 这也是国家“七五”期间一项重要的能源技术引进。葛上线直流输电工程的兴建不 仅实现了华中电网与华东电网的联网，同时也成为发展中国远距离直流输电的技术 储备。目前我国建成和正在建设的直流输电工程己达1 0 多项。从2 0 1 1 年到2 0 2 0 年的1 0 年，初步规划建设的直流工程将有1 2 条左右，输电容量将在3 7 0 0 万千瓦 左右。 1 3 2 换流变压器生产与研制的发展状况 早在6 0 年代，国外( 主要是瑞典、德国、前苏联、日本等) 已在换流变压器 研制方面开展了大量的基础性工作。经过三十余年的发展，以a b b 、西门子公司为 代表，已掌握了较为成熟的设计、制造技术。国内在这方面开展的工作很少，尚不 具备独立生产换流变压器的能力。1 9 9 6 年以前完全依赖进口，随着直流输电工程规 模的不断扩大，为扶植民族产业，国务院有关部门及国家电网公司提出了直流工程 国产化的方针，1 9 9 8 年西安变压器厂开始引进a b b 公司的换流变压器生产技术，引 进内容主要包括计算程序、磁分路结构、绝缘结构、强力器身定位和减震技术、铁 心和绕组制造技术、油箱表面处理技术、应用过程控制技术等。2 0 0 1 年，利用此引 进技术的y ，d 和y ，y 换流变压器相继通过了全部的出厂试验和型式试验项目，填补 了国内空白。1 9 9 7 年原沈阳变压器厂开始进行换流变压器的前期研究工作，1 9 9 8 年承担葛上线一台换流变压器的返修工作，1 9 9 9 年开始引进德国西门子技术，引进 内容主要包括计算程序软件、产品技术资料、电气和机械设计手册、试验技术资料、 相应的绝缘试验设备等。按合同规定，三峡工程中政平两台沈变合作产品应放在极 1 投入运行，但由于种种原因，y ，y 变压器只放在极2 投入运行，y ，d 变压器在投入 商业运行时未能及时交货，只作为备用。 1 3 3 瞬态电场理论的发展 换流变压器的绝缘结构应能承受冲击电压、低频交流电压和直流电压以及直流 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 电压极性反转等多种高幅值的试验电压。因此，在绝缘设计时对这些电压下介质中 的电场进行计算是完全必要的。其中以直流极性反转电压下电场的分析最为重要。 电力变压器所承受的交流电压及操作冲击和雷电冲击电压在油纸复合绝缘结构中 的分布取决于材料的介电常数，即呈容性分布，这方面已有大量的研究工作，并已 形成可靠的设计、制造技术。换流变压器所承受的严重畸变的直流电压在绝缘结构 中的分布取决于材料的电导率，这方面的恒流电场计算也为人们熟知。 而直流极性反转电压是由一种稳态迅速改变到另一种稳态的电压。这种电压在 绝缘介质场中将产生一个过渡过程。这种场计算的实质是研究同时考虑电导率r 和 介电常数s 的复合介质中的瞬态电场分布，即考虑漏电流存在时的瞬态电场计算。 在实际工程问题中，绝缘介质的尺寸比瞬态波传播的等值波长小许多，几乎到不可 比拟的程度，因而可忽略磁场变化引起的电场。直流极性反转电场的计算与分析是 国内外正在研究的课题，也正是本课题所关注的问题。 1 4 本文的工作内容、目标、研究意义 三峡一常州直流输电工程是我国继葛上线、天广线后又一更大更先进的水利工 程。工程主要为解决三峡水电站向华东电网的送电问题，同时也加强了华东与华中 两大电网的非同期联网。三峡一常州工程双极额定输送功率3 0 0 0 m w ，额定电压 5 0 0 k v ，额定电流3 0 0 0 a 。工程中2 8 台换流变压器，采用单相双绕组结构，双桥 1 2 脉冲换流器，每极6 台交压器( 3 台阀侧星接，3 台阀侧角接) 接线见图2 。沈 变公司生产其中2 台，1 台阀侧星接，1 台阀侧角接。本课题所分析的就是这两台 产品。 本文的主要工作是在认真分析产品端部绝缘结构的基础上，抓住影响电场分布 的关键因素，建立计算模型，选择不同电阻率比值对两台产品试验与运行工况阀侧 绕组端部电场进行计算分析，总结电场分布规律，分析目前换流变压器直流电压试 验标准的合理性。 换流变压器在运行中的直流电压发生反转是在若干毫秒内完成的，在理论分析 过程中也假定完成极性反转不需要时间，即瞬时完成反转。但进行换流变压器的极 性反转试验时，极性反转因受试验设备的限制，不能很快完成，需要一定的时间。 一些资料上建议试验电压反转时间为1 2 分钟。反转时间选取的正确与否将会影 响到绝缘试验的可靠性。因此，极性反转时间对电场分布的影响也是本文要研究的 内容。 课题的研究意义在于，沈变公司的两台产品是完全按照西门子公司提供的图纸 进行生产，对其绝缘的设计思想、设计重点并不十分了解，基础研究方面所做工作 较少，对于直流电场的研究也只是一个起步阶段，虽然可以进行一些计算分析，但 8 华北电力大学工程硕士专业学位论文 至今没有实际产品的计算经验。通过对产品电场进行计算分析可以把握产品绝缘重 点，有针对性的指导产品生产制造，为实现国内独立设计与制造换流变压器奠定基 础。 一1 l：弓 ：与 【一 ：皿 土 4。5。s 【 _ _ _ _ - 11 0， 。气e 联 cj - 1 且 、j 4 ：q。弓 - 图2 单相双绕组变压器与1 2 脉动换流单元接线图 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章复合介质中瞬态电场的数学模型 2 1 数学模型的建立 在由快速的冲击波直到工频交流电压的作用下，介质的电导率y 实际上不起作 用，电场仅由介电常数e 决定，每一时刻的电场可按静电场计算。而稳态直流电压 下，介电常数e 不起作用，电导率v 决定了电场恒流场的分布。但是当电压由 一种稳态迅速跃变到另一种稳态( 如直流极性反转) 时，场中将产生一个过渡过程： 由以介电常数起决定作用的静电场分布过渡到以电导率起决定作用的直流分布。 麦克斯韦方程的微分形式如下： ，d f h j + a d 甜 r o te o - b ( 2 1 ) 甜 d i vd p d i v b 一0 其中h 、b 、e 、d 、j 、和p 分别代表磁场强度、磁感应强度( 磁通密度) 、电场强度、 电位移、传导电流密度矢量和电荷密度； ，介质材料特性方程如下： d 一e j y e b 一一h ( 2 - 2 ) 其中r 、r 和分别代表介质介电常数、电导率和磁导率。对于线性媒质，它们是常数： 对于非线性媒质，它们随场强的变化而变化。 在高电压工程中，j 为绝缘介质中的漏电流密度，兰! 为位移电流密度，在绝缘介 d t 质场中，两者相差不大，均不能忽略。同时，假设电导率r 、介电常数r 为常数。 引入矢量磁位a ，a 与b 的关系满足 b r o t a( 2 - 3 ) 凼而式( 2 1 ) 的第二式司以改写成 ，口f e 。一o ( r o t a ) 一，。f 旦叁( 2 - 4 ) o tm 移项后有 埘( e + 警) 。o 浯s ， 因为任何标量函数梯度的旋度恒等于零，于是引入标量电位“，可以认为e + a g 等于 华北电力大学工程硕士专业学位论文 标量电位u 的负梯度，即 e + 旦垒：一g r a du ( 2 6 ) a f 在高电压工程中，需要同时考虑s 、y 的瞬态电场都是场域尺寸比电磁波长小 许多倍的缓变场，即使对于阶跃突变，计算中也只需考虑电磁场在场域传播完毕后 由静电场过渡到恒流场的暂态过程。因此，电场强度e 中可以略去由磁场变化引起 的分量，即忽略竺，于是 e 一一g r a du ( 2 7 ) 在电场强度e 的作用下，复合介质s 、r 中的电流密度是漏电流密度j 和位移电 流密度苎! 的总和。根据电流连续性定理，假定介质中不存在空间自由电荷，则电流密 a t 度的散度为零，即 d 如( j + 詈) 4 。 将式( 2 2 ) 代入上式，则 硪v ( y e + e a e ) t 。 将e 一g r a du 代入式( 2 9 ) ，则 ( 2 8 ) ( 2 9 ) d i v ( r g r a du + e 言删“1 l 。 c z 枷， 对处于均匀介质中的节点，或虽处于不同介质分界面上，但在计算时这些介质可 分片视作均匀的节点，表征介质性质的常数s 和r 连同视作常数的旦均可移至散度符 号以y 之前。上式可化为 yd i v g r a d h + 5 珊d i v g r a d “目0 ( 2 一1 1 ) 矢量运算中对空间求导和对时间求导的次序可以颠倒，则 f r + s 昙) d i v g r a d 。( 2 - 1 2 ) 于是，在直角坐标系中，同时考虑s 和r 的复合介质中平面瞬态电场的数学模型 为” 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 2 边值问题 卜划軎+ 争a 赴2 _ ! u ：卜 在边界c 1 上：hl 。( f ) ( 2 1 3 ) 在边界c ：上：主掣。，仁，y ，：，f ) o n 在f * o 一时： “l ，。- a b ，y ，z ) 在场域q 中，c l 为第一类边界：c ：为第二类边界；t 一0 为计算初始时刻；在 高压工程的实际电场计算中，第二类边界经常为齐次边界，即鱼等照一q 此种边 界相当于一条已经确认的电力线，或场域几何分界线。这一边界条件能自然被满足， 所以在求解此类电场的定解问题时无需考虑第二类边界条件。而第三类边界条件很 少出现，式( 2 一i 3 ) 中未列出。 计算步骤为： 用有限元法对( 2 1 3 ) 求解，式( 2 - 1 3 ) 相应的泛函极值问题为： ，- 础+ 粼妒盼2 “i 。_ h 。o ) “i t - o - mu x , y , r ( 0 一) ( 2 1 4 ) 按有限元法将场域d 离散化，包括边界点在内共有m 节点，泛函j 可由各单元上 之值积分累加求得，由泛函，的极值条件可导出电位u ，经空间离散的时间微分方程： k 。掣+ k ：仆。 l d 霉“d 0 ) “l 叫( 0 一) 0 = 1 ，2 ，3 ，m ) 式中：【“。卜一节点电位u i 的列向量； 1 2 ( 2 1 5 ) 华北电力大学工程硕士专业学位论文 i k d ，晚】有限元的系数矩阵； f 一总的节点数，包括边界上的节点： “，n ) 一给定边界条件； u i ( 0 一) 一给定初值条件。 将计算时间区间o _ 1 。分为n 个步长：h 0 ，h 1 ，h 。，h n ，式( 2 1 5 ) 在时间： 0 ，t 1 ，t 2 ，t 。，t n 上进行离散，利用梯形积分公式，方程式( 2 1 5 ) 的迭代格式 为： ( 2 【k 。卜 【k ，弛u j 一( 本。】一吒【k ： l - j “l 。一， ( 2 。1 6 ) i ，。一。- 1 式中： 【h 】，扣一力一节点i 在t n 和t + ，时刻的电位向量； k 一前一步的时间步长。 若激励e g 源为正弦交流电压时，假定介质参数恒定，则场域中各电位亦为正弦复量， 且 昙加 则由式( 2 - 1 5 ) 得： ， k - 朴 k z 朴。 ( 2 - 1 7 ) 式( 2 - 1 7 ) 是适用于正弦交流场计算。 若激励源为稳定直流电压时，电位不随时间改变，式( 2 1 5 ) 中 a u 一。 得： k ：i u 。】，0 ( 2 d 8 ) 式( 2 1 8 ) 是适用于稳态直流场计算。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第三章直流试验电压下换流变压器阀侧绕组端部电场计算 3 1 极性反转电压下的理论分析 换流变压器内绝缘大多采用油和纸复合结构，这一特点可以简化为图3 的双层 介质模型来说明。为下面验证计算程序的正确性作准备，现取一例进行计算。假定 上板电极有+ 3 y 一一3 矿的极性反转电压，下板电极接地，电压反转时间为零。其中 油的相对介电常数：一2 ，电阻率p ：- l x l 0 ”( q m ) ；纸的相对介电常数。4 ，纸 的电阻率p 。一4 9 1 0 ”( q 州) ；介质厚度d ，- d ，- 1 0 r a m 下面将分别求解纸层和油的端电压u ，u ：。这里认为材料的介电常数和电阻率 是常数，所以幅值为u 0 的直流极性反转电压可等效为在直流电压+ 砜上叠加一个幅 值为一2 砜的阶跃电压，见图4 。因此，可先分别求取直流电压作用下纸层和油的端 电压u - ，：；再求取阶跃电压下油和纸层的端电压u “，u ，”：最后叠加得到直流极 性反转电压下各绝缘介质的端电压。 。“ u o l 0 一砜 _ 1 - 3 f l 0 3 矿 图3 绝缘结构图及激励电压波形 “ u o o 图4电压叠加原理图 1 4 0 一砜 华北电力大学工程硕士专业学位论文 赢流电压作用时，介质中的电压分布取决于绝缘材料的电阻率，既所谓的阻 性分布，其等效电路见图5 ( a ) 。纸、油承受的电压u ：，u ；可按式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 计算： 5 - 以 二 叫 ， ( a ) u o c 2 l 一 l u 品 ， ( b ) 图5 电压等效电路图 砜 c 2 f0 r ， 叫 巾、 u ? ( c ) p 1 d 1 卟去1 壶饥= 蒜帆 s s( 3 1 ) = 赢淼3 = 2 9 4 伏 p 2 d 2 卟击饥2 而一蒜饥 仔。， = 丽x 3 = 0 0 6 伏 阶跃电压作用的瞬间，电压呈容性分布，电场分布取决于绝缘材料的介电常数， 其等效电路见图5 ( b ) 。此刻纸、油承受的电压u 品，u 二可按式( 3 - 3 ) 、( 3 4 ) 计 算： ! q ：! z ：兰 。矗。互五d 五2 饥一毒警专。， d 1d 2 2 南( 一3 ) j _ 1 o 伏 华北电力大学工程硕士专业学位论文 兰! ：三! ：! u 二2 丧饥。五王d 五1 。矗警五。， d ld 2 = 硒4 x ( 一3 ) 一一2 o 伏 然后，f ，o s 时，随着电压作用时间的延长，各绝缘介质两端的电压按指数函 数e - t 衰减，其等效电路如图5 ( c ) ，式中，r 为时间常数，大小为： f 置! ! ! 曼2 墨 空!型z 王! q ：壁! ：生! ! ：生；1 2 ：堡! 。三+ 三!+!d-。dz 一1 + 鱼：型! + 一+ 1 + 二j l o 1 + 生单一+ m 2 ( 3 5 ) 气啊凄观8 5x l o - “4 4 9 1 0 ”李p 2 d2 1 1 0 “ 于是，阶跃电压下，纸、油承受的端电压畔u ：为 u 7 u 品e 坼。一1 0 p o i u ；u 二e f f 。一2 0 e * ( fz0 ) o 苫0 ) ( 3 - 6 ) 最后，根据电压叠加原理，在直流极性反转电压作用下，加在油和纸两端的电 压分别为 u ，。u 1 。+ 2 u ? 。2 9 4 2 p “缈)o o ) 3 7 ) u ：。u 2 + 2 c ，；0 0 6 4 e m 缈) o o ) ( 3 8 ) 其电压变化曲线如图6 中实线所示。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ，r = f 砘，v ) 7 。 爷 蜘e 时 - ，r - 歹。? k - _ l 3 2 计算程序验证 51 抽 拍柏稍 图6电压变化曲线 t 脚i 0 - ) 为了验证极性反转电场计算程序