（高电压与绝缘技术专业论文）换流变压器内部电场分析及油纸绝缘试验系统设计.pdf

哈尔滨删t 人学t 学硕i j 学位论文 换流变压器内部电场分析及油纸绝缘 试验系统设计 摘要 换流变压器是特高压直流输电系统中的重要设备之一，其运行可靠性直接 影响整个系统的安全运行。运行中的换流变压器除承受交流电压、雷电冲击和 操作过电压外，还要承受直流、交流叠加直流及极性反转电压的作用。在这些 电压作用下，变压器内部电场分布、绝缘材料击穿特性、空间电荷的积聚与分 布等都与普通变压器存在很大的差异，并导致换流变压器内部绝缘的异常放电 与击穿。 为了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了在交 流、直流、交直流叠加和极性反转电压作用下的电场分布，并总结电场分布规 律。结果表明，换流变压器阀侧绕组电场分布既有其规律性又有其复杂性，在 直流电场作用下的阻性电场分布将导致纸板中的电场集中；而交流电场作用下 的容性电场分布将导致变压器油中的电场集中；在极性反转过程中由于空间电 荷的存在，油中承担了较高的电压。 为进一步研究油纸绝缘结构的击穿特性，本文分别对极性反转试验系统和 交直流叠加试验系统进行了设计，并搭建了一套试样预处理系统，最后通过试 验对油纸绝缘中空间电荷的松弛时间进行了研究。 该研究可为换流变压器绝缘设计及高压直流输电设备试验提供依据。 关键词换流变压器；混合电场：极性反转；油纸绝缘结构；空间电荷 哈尔滨理t 人学t 学顺i j 学位论文 t h ei n n e re l e c t r i c a lf i e l da n a l y s i sf o rc o n v e r t e r t r a n s f o r m e ra n dt h et e s t i n gs y s t e md e s i g nf o r o i l - - p a p e ri n s u l a t i o n a b s t r a c t c o n v e r t e rt r a n s f o r m e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nh v d c ( h i g hv o l t a g ed i r e c t c u r r e n t ) t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，i t sr e l i a b i l i t yd i r e c t l yi m p a c tt ot h es a f eo p e r a t i o no f p o w e rs y s t e m t h eo p e r a t i n gc 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 sa cv o l t a g e ， l i g h t n i n gi m p u l s ea n ds w i t c h i n go v e r v o l t a g e ，b u ta l s ow i t h s t a n d sd cv o l t a g e ， s u p e r i m p o s e da c - d cv o l t a g ea n dp o l a r i t yr e v e r s a lv o l t a g e t h e r e f o r e ，t h e r ea r e c o n s i d e r a b l ed i f f e r e n c e si ni n n e re l e c t r i c a lf i e l dd i s t r i b u t i o n s b r e a k d o w n c h a r a c t e r i s t i c so fi n s u l a t i o nm a t e r i a l ，s p a c ec h a r g e sa c c u m u l a t i o na n dd i s t r i b u t i o n b e t w e e nac o n v e r t e rt r a n s f o r m e ra n dap o w e rt r a n s f o r m e r , w h i c hm a yc a u s e a b n o r m a ld i s c h a r g ea n db r e a k d o w ni nt h ec o n v e r t e rt r a n s f o r m e r i no r d e rt oa n a l y z et h ee l e c t r i c a lf i e l dd i s t r i b u t i o n t h es i m u l a t i o nm o d e lo fo i l p a p e ri n s u l a t i o ni se s t a b l i s h e d a n dt h ee l e c t r i cf i e l d sd i s t r i b u t i o no ft h ei n s u l a t i o n u n d e rd i f f e r e n te x c i t e dv o l t a g e ss u c ha sd cf i e l d ，a cf i e l d ，s u p e r i m p o s e da c - d c f i e l da n dap o l a r i t yr e v e r s a lv o l t a g ea r ee m u l a t e dw i t hf e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) t h ed i s t i n g u i s h i n gf e a t u r e so ft h et r a n s i e n tf i e l da r es u m m a r i z e d a n dt h ec a l c u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cf i e l da tv a l v es i d ew i n d i n go f c o n v e r t e rt r a n s f o r m e ra r eb o t h r e g u l a r i t ya n dc o m p l e x i t y t h ee l e c t r i c f i e l d s d i s t r i b u t i o nu n d e rt h ed cv o l t a g ei sd e p e n d e do nt h er e s i s t i v i t y , w h i c hl c a d st ot h e h i g h e re l e c t r i c f i e l di n t e n s i t yi nt h ei n s u l a t i n gc a r d b o a r d a n dt h ee l e c t r i c a lf i e l d d i s t r i b u t i o nu n d e ra cv o l t a g e si sd e p e n d e do nt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n t ，w h i c hl e a d st o t h eh i g h e re l e c t r i c a lf i e l di n t e n s i t yi nt h eo i l u n d e rt h ep o l a r i t yr e v e r s a lv o l t a g e ，t h e o i lw i l lu n d e r t a k eav e r yh i g hv o l t a g ec a u s e db yt h es p a c ec h a r g ea c c u m u l a t i o n f o rf u r t h e rs t u d yo fb r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i c so fo i l p a p e ri n s u l a t i o n b o t ht h e p o l a r i t yr e v e r s a lt e s t i n gs y s t e ma n dt h es u p e r i m p o s e da c d ct e s t i n gs y s t e ma l e d e s i g n e d ，a n dt h e nap r e p r o c e s s i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e d a tl a s t ，at e s ti sm a d et o s t u d yt h er e l a x a t i o nt i m eo fs p a c ec h a r g e t h er e s u l t sa b o v eg i v es o m en e wu n d e r s t a n d i n g sf o rc o n v e r t e rt r a n s f o r m e r i n s u l a t i o n ，w h i c hc a nb er e f e r r e dt ot h ei n s u l a t i o nd e s i g na n dt h eh v d ca p p a r a t u s i i 哈尔滨理t 人学t 学硕i ! 学化论文 t e s t i n g k e y w o r d sc o n v e r t e rt r a n s f o r m e r , c o m p l e xe l e c t r i c a lf i e l d ，p o l a r i t yr e v e r s a l ，o i l - p a p e ri n s u l a t i o n ，s p a c ec h a r g e i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文换流变压器内部电场分析及 油纸绝缘试验系统设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：弓长杰 日期：动口绊多月肛日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 换流变压器内部电场分析及油纸绝缘试验系统设计系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本 人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理 工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或 部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密吼 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 弓火泰 新签名：佛因 1 日期：别年弓月1 2 日 同期：瑚艿年- 3 m ? , n 哈尔演删t 人学t 学硕i j 学f t 论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景、目的及意义 电网经历了从中压电网、高压电网、超高压电网，到特高压电网的发展历 史。国际上，高压( h v ) 通常指3 5 2 2 0 k v 的电压；超高压( e h v ) 通常指3 3 0 k v 及以上，1 0 0 0 k v 以下的电压；特高压( u h v ) 指1 0 0 0 k v 及以上的电压。高压直 流( h v d c ) 通常指士6 0 0 k v 及以下的直流输电电压；特高压直流( u h v d c ) 指 士6 0 0 k v 以上的电压。 目前，我国电力工业已经进入大电网、高电压、高自动化的发展时期。根 据我国的能源战略，国家能源领导小组办公室将特高压电网建设列为能源工作 的要点。2 0 0 5 年2 月，国家发改委正式发表了关于“特高压1 0 0 0 k v 交流和 土8 0 0 k v 直流输电技术”的报告，标志着我国特高压输电计划的起动。目前国家 电网公司已制定了长期目标：在煤炭资源丰富地区建成1 0 0 0 k v 特高压交流输 电网络；在水电资源丰富的西南部地区将建成三条士8 0 0 k v 的特高压直流输电 线路，将电能输送到经济发达的东部地区，这一计划将于2 0 2 0 年将完成。中 国南方电网公司也计划在近期建设2 条特高压输电线路：一条是由云南沼通一 一广西桂林广东惠东的1 0 0 0 k v 特高压交流输电线路，全长1 2 0 0 k m ，输电 容量4 g w ，预计在2 0 0 8 年投入运行；另一条是昆明广州的士8 0 0 k v 直流 特高压输电线路，输电容量5 g w ，计划于2 0 0 9 年投入运行。预计到2 0 3 0 年，南方电网将建成6 条1 0 0 0 k v 交流和2 条士8 0 0 k v 直流的特高压输电线路 幢，。随着经济的发展、用电负荷的强劲增长及输电容量和规模的扩大，我国可 能在跨省( 区) 5 0 0 k v 电网之上逐步形成以实现远距离、大规模、低损耗输电为 特征的特高压骨干电网。 输电网络建设与输电设备制造技术是息息相关的。换流变压器是直流输电 系统至关重要的关键设备，也是交、直流输电系统联接两端换流站和逆变站的 核心设备。目前全世界范围正式投入运行的换流变压器的电压等级为士5 0 0 k v 及以下，士8 0 0 k v 及以上的特高压换流变压器还没有正式挂网运行。上世纪九 十年代以前，我国的换流变压器主要靠进口，九十年代后靠引进和消化吸收国 外生产技术，缩小了我国与国际先进水平的差距| 37 1 。但换流变压器在制造中有 许多关键技术还未得到充分解决【8 0 1 。由于工况的特殊性，换流变压器阀侧绕 组的激励电压类型与普通电力变压器有很大差别：除承受交流电压、雷电冲击 和操作过电压外，还承受直流、直流叠加交流和极性反转等电压作用叫引。在 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 这些电压作用下，变压器内部的电场分布与普通电力变压器存在着很大的差 别。这就使得换流变压器无论是在设计还是在制造方面都要比普通电力变压器 复杂。 超高压及以下电压等级换流变压器的研究，国外开展的比较早，且在上世 纪8 0 年代便有高压及超高压换流变压器正式投入运行，如：i f a 2 0 0 0 m a n d a r i n s 变电站的2 7 0 k v 换流变压器。在上世纪9 0 年代，i f a 、a b b 和西门 子等大公司相继开发出5 0 0 k v 电压等级的换流变压器。但对于8 0 0 k v 特高压 换流变压器迄今为止在全世界范围内还没有正式投入运行。到目前为止，换流 变压器绝缘设计仍借鉴普通高压变压器的设计经验，并相应增加绝缘纸板数量 和加大绝缘裕度。且绝缘方面的研究主要集中在试验方法上6 “7 1 ，而关于复合 电场作用下换流变压器内部绝缘特性与击穿机理的报导很少。 我国直流输电线路投运比较晚，且换流变压器主要依赖于进口，所以开展 针对换流变压器绝缘方面的研究起步较晚。在上世纪9 0 年代至本世纪初，西 安交通大学、沈阳工业大学等单位，开始针对换流变压器内部电场分布的开展 研究1 1 8 。2 0 1 ；西安变压器厂、沈阳变压器厂和湖北省电力研究所等单位针对换流 变压器试验方法的研究晗h2 引。随着近几年来我国对特高压直流输电工程的论证 和特高压能源输送战略的开始实施，国内大型变压器厂也着手开展特高压换流 变压器的研究。这些研究内容主要集中于换流变压器内电场分布分析、换流变 压器试验方法、换流变压器的谐波损耗与发热、换流变压器噪声及抑制等方 面。 目前国内变压器制造部门迫切需要了解换流变压器内部绝缘材料及绝缘构 件，在复合电场作用下的绝缘特性、绝缘击穿影响因素与机理，以及可对绝缘 材料与绝缘构件绝缘性能进行评价的方法与指标，以对高压及特高压换流变压 器的设计提供参考。本课题结合我国特高压电网建设的需求，对特高压换流变 压器内部绝缘在各种电压作用下的绝缘特性进行综合研究，以期得到能对换流 变压器内部绝缘材料及构件进行绝缘性能有效评价的方法和指标，并探索采用 新绝缘材料来代替传统的油、纸绝缘结构，来提高换流变压器的绝缘性能。 1 2 直流输电工程 电力技术的发展是从直流电开始的，早期的直流输电是不需要经过换流 的，直接从直流电源送往直流负荷，即发电、输电和用电均为直流电。随着三 相交流发电机、感应电动机和变压器的迅速发展，发电和用电领域很快被交流 电取代。同时变压器又可方便地改变交流电压，从而使交流输电和交流电网得 哈尔演理t 人学t 学硕i 学位论文 到迅速的发展，并很快占据了统治地位。但在输电领域，直流还有交流不可取 代之处，如远距离电缆送电、不同频率电网之间的联网等。在发电和用电领域 均为交流电的情况下，要采用直流输电，必须要解决换流问题。因此，直流输 电的发展与换流技术的发展有着密切的关系。直流输电的发展可分为以下几个 时期| 2 3 。 1 汞弧阀换流时期。从1 9 5 4 年世界上第一个工业性直流输电工程投入运 行到1 9 7 7 年，世界上共有1 2 项采用汞弧阀换流的直流工程投入运行。由于汞 弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率高，可靠性较低、运行维护不便等 因素，使直流输电的发展受到限制。 2 晶闸管阀换流时期。2 0 世纪7 0 年代以后，随着电力电子技术和微电子 技术的迅速发展，晶闸管换流逐渐取代了汞弧阀换流。晶闸管换流阀不存在逆 弧问题，而且制造、试验、运行维护和检修都比汞弧阀简单而方便。与此同 时，微机控制和保护、光电传输技术、水冷技术、氧化锌避雷器等新技术的广 泛应用，进一步加快了直流输电技术的发展。 3 新型半导体换流时期。2 0 世纪9 0 年代以后，新型半导体换流器件研制 成功，这类器件的耐压高、通流能力大、损耗低、体积小、可靠性高，因此很 快就在直流输电领域得到了广泛应用。进入二十一世纪以来，随着电力电子、 光纤、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，此外，各种新型材料的采用和制造工 艺的改进使得直流输电的容量得到了很大的提高，直流输电的优势越来越明 显。 二十世纪八十年代，我国开始建设直流输电工程。1 9 8 9 年9 月1 7 日，国 内第一条超高压直流输电线路葛上线( 葛洲坝一上海南桥) 正式投入商业运行， 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。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已达十多项。从 2 0 1 1 年到2 0 2 0 这十年间，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 2 1 直流输电工程的系统构成 直流输电与交流输电相互配合构成现代电力传输系统。目前电力系统中的 发电和用电的绝大部分均为交流电，要采用直流输电必须进行换流。也就是 说，在送端需要将交流电变换为直流电( 整流) ，经过直流输电线路将电能送往 哈尔滨理t 人学t 学硕 j 学位论文 受端；而在受端又必须将直流电变换为交流电( 逆变) ，然后才能送到受端的交 流系统中去，供用户使用。实现整流和逆变变换的装置分别称为整流器和逆变 器，它们统称为换流器心引。 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。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。两端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，其中整流站和逆变站统称为换流站。为了完成交直流之间的转 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：换流变压 器、换流器、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、控制和保护装置以及远程通信系统等。换流器是 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”与“裂相”，并与换流器 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 1 为两端直流输电系统的结构图。 卜换流变乐器；2 一换流器；3 一平波电抗器；4 一交流滤波器：5 一直流滤波器i 6 一控制保护系统：7 一接电极引线；8 一接地极：9 一远程通信系统。 图1 - 1 两端直流输电系统结构图 f i g 1 - lt w o t e r m i n a lh v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e m 哈尔演理t 人学t 学硕l j 学位论文 1 2 2 直流输电工程的优缺点 在远距离大容量输电、电力系统联网等方面，直流输电比起交流输电有很 多优越性。主要表现为以下几个方面【2 引： 1 直流输电架空线路只需要正负两极导线、杆塔结构简单、线路造价低、 损耗小。同时直流输电所占的线路走廊也较窄。直流电压作用下，线路电容不 起作用，不存在电容电流，线路沿线的电压分布均匀，因此不需要安装并联电 抗器。 2 电缆耐受直流电压的能力比耐受交流电压的能力高3 倍以上，因此同样 绝缘厚度和线芯截面的电缆，用于直流输电比用于交流输电的输电容量要大很 多。直流电缆线路只需一根( 单极) 或两根( 双极) 电缆，而交流线路则需要三相 三根电缆，因此直流电缆线路的造价比交流要低许多。电缆线路的对地电容比 架空线路要大得多，对于交流线路由此产生的电容电流很大，这就限制了交流 电缆的输送距离，而直流电缆不存在电容电流，则其输送距离将不受限制，有 利于远距离电缆送电。 3 直流输电的两端交流系统经过整流和逆变的隔离，无需同步运行，因此 其输送容量和距离将不受同步运行稳定性的限制，这对于远距离大容量输电是 很有利的。 4 采用直流输电实现电力系统之间的非同步联网，被联电网可以是额定频 率不同( 如5 0 h z 、6 0 h z ) 的电网，也可以是额定频率相同但非同步运行的电 网：被联电网可保持自己的电能质量( 如频率、电压) 而独立运行，不受联网的 影响；被联电网之间交换的功率可快速方便地进行控制，有利于运行和管理。 5 直流输电输送的有功功率和换流器消耗的无功功率均可由控制系统进行 控制，这种快速控制可用来改善交流系统的运行性能，同时也有利于电网的经 济运行和现代化管理。对于交直流并联运行的输电系统，还可以利用直流的快 速控制来阻尼交流系统的低频振荡，提高交流线路的输送能力。 6 在直流输电的情况下，只有电阻起作用，电感的电容均不起作用，直流 输电采用大地为回路，可省去一极的导线，同时大地的电阻率低、损耗小、运 行费用也低。在双极直流输电系统中，当一极故障时，可自动转为单极系统运 行，提高了输电系统的运行可靠性。 7 直流输电工程可方便地进行分期建设和增容扩建，有利于发挥投资效 益。 在具有以上优点的同时，直流输电也具有其缺点，主要有以下几个方面： 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、 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论丈 运行费用高、可靠性也较差。 2 换流器对交流侧来说，除了是一个负荷( 整流站) 或电源( 在逆变站) 以 外，它还是一个谐波电流源；而对直流侧来说，它除了是一个电源( 整流站) 或 负荷( 在逆变站) 以外，还是一个谐波电压源。为了减小谐波的影响，在交流侧 须加装交流滤波器，在直流侧需加装平波电抗器和直流滤波器，这就大幅提高 了换流站的造价和运行成本。 3 晶闸管换流器在进行换流时需消耗大量的无功功率( 约占直流输送功率 的4 0 6 0 ) ，每个换流站均需装设无功补偿设备。 4 直流输电利用大地( 或海水) 为回路带来了一些技术问题。 5 直流断路器由于没有电流过零点可以利用，灭弧问题难以解决，给制造 带来困难。 1 3 换流变压器 早在上个世纪六十年代，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、铁芯和绕组制造技术等。2 0 0 1 年， 利用此引进技术自行制造的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。目前，国 内只有极少数厂家能够自行生产换流变压器，然而随着直流输电工程的迅猛发 展，换流变压器的需求量在不断增加，因此，国内对换流变压器的研究与制造 具有很大的发展空间。 1 3 1 换流变压器的特点 工程实践证明，设计换流变压器与设计电力变压器的主要差别在绝缘结构 上，关键技术也在绝缘结构中，产品在试验和运行中事故率最高的当属绝缘故 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 障，这个差别主要由以下原因造成f 2 6 1 ： 1 超高压换流变压器端子上的电位取决于某一任意瞬间导通阀的组合情 况，阀侧线圈对应高压直流电极的全直流电压，因此，换流变压器阀侧线圈必 须按全绝缘设计，对铁轭的绝缘距离大于电力变压器。 2 超高压换流变压器的阀侧线圈不仅要承受交流电压的作用，同时还要承 受直流电压的作用，因此，阀侧线圈对应的主绝缘承受着交、直流复合电场的 共同作用。 3 较大的端绝缘和主绝缘距离使换流变压器的漏磁较大，直流偏磁和换流 阀工作特性使换流变压器内存在较多的高次谐波。漏磁和高次谐波更容易使换 流变压器内部产生局部过热，影响固体绝缘的绝缘特性。 4 在直流电场作用下，固体绝缘表面产生空间电荷，在极性反转、电压突 变时更容易造成绝缘的损坏而发生事故。 5 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、制造及现场安装都必须考虑这些因素。在有强谐波 通过的地方，要用非磁性材料制造紧固件，在绕组和外壳之间还须采取磁屏蔽 措施。 6 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6 个引出端子。 7 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 3 2 换流变压器的试验方法 对于换流变压器主要有以下几种试验陀卜3 0 1 ： 1 工厂介质试验。介质试验的目的是为了验证换流变压器各部分绝缘是否 已经达到了设计的要求，它包括以下试验：操作冲击电压试验。试验时，绕 组上要d l ：l j b 施电压，绕组末端要连在一起，操作冲击加在绕组和地之间，其他 绕组非被试端都要接地。操作冲击不施加于跨阀绕组。雷电冲击试验。一般 应先进行一次或几次降低电压下的全波冲击试验，然后再进行三次1 0 0 全电 压的全波冲击试验。直流耐压试验。该试验为出厂试验，需施加正极性电 压。非被试端子均要牢固接地，所有套管在试验前最少接地2 h ，电压在1 r a i n 内升到试验电压，停留1 2 0 m i n ，然后在不大于1m i n 内降到零。在整个直流耐 哈尔滨理丁人学丁学硕 j 学位论文 压试验中，通过对局放量的测量来检验变压器的绝缘水平。极性反转试验。 试验前套管最少接地2 h ，试验时要做两次极性反转，试验程序为负极性9 0 r a i n 接着正极性9 0 m i n 及最后负极性4 5 m i n 。从一个极性到另一个极性反转完成时 间在i m i n 内。整个试验期间要监视其局放量。阀绕组交流外施试验。试验 用5 0 6 0 h z ，试验电压施加于与端子相连的每一绕组，所有非被试端接地。试 验时间为1 h ，最大允许局放量不超过5 0 0 p c 。感应试验。试验之前，激磁变 压器在额定频率( 5 0 6 0h z ) 下施加1 1 u r n 电压到线绕组1 h ，以消除直流产生的 剩余电荷，因为试验时，直流电荷可随机产生电脉冲( 1 0 0 0 p c ) ，影响试验精 度。 2 温升试验。温升试验是换流变压器的型式试验，是变压器所有型式试验 和例行试验项目中需要电源容量最大、占用时间最长的一项试验。试验的目的 是检验规定状态下变压器绕组、铁芯和变压器油的温升；油箱、结构件、引线 和套管以及引线和分接开关的连接处有无局部过热；确定变压器在工作运行状 态及超铭牌负载运行状态下的热状态及其有关参数。 3 油流带电测量。高电压大容量油浸式电力变压器通常采用强迫油循环冷 却方式，这使得高速油流与绝缘构件表面相互磨擦而产生电荷，当这种电荷积 累到一定程度时就会产生“油流放电”，导致绝缘构件的损伤。因此随着变压 器容量的提高，油流带电测量得到了越来越多的重视。目前，常用的油流带电 测量主要有三种试验：长时间空载试验、油流静电试验、转动油泵时的局部放 电测量。 此外，对于换流变压器还有诸如损耗测量、噪声等级测定、谐波电流测量 等试验，在此就不作详述了。 1 4 本论文的主要工作 本课题的来源为国家自然科学基金项目( 5 0 6 7 7 0 1 2 ) 。 基于当前换流变压器绝缘机理研究的现状和发展趋势，利用迅速发展的计 算机及试验技术，通过各种试验验证换流变压器的绝缘机理，并为换流变压器 的设计制造提供参考。针对这方面的要求本文主要做了以下方面的工作： 1 根据现行的换流电路，利用软件仿真了1 2 脉动换流单元的输出电压， 即施加于换流变压器阀侧绕组上的励磁电压。 2 建立换流变压器阀侧绕组的模型，并利用该模型分别对各种参数及各种 电压下的电场分布进行仿真。 3 设计并搭建一套油纸绝缘试验系统。 哈尔演理- v 人学t 学硕i ：学位论文 第2 章换流变压器承受电压分析 由于工况的特殊性，换流变压器所承受的电压与普通电力变压器有很大差 别，因此有必要对换流变压器所承受的电压进行分析。本章从介绍基本换流单 元入手，详细分析了换流变压器阀侧绕组电压，并用软件进行仿真，最后总结 出换流变压器与普通变压器承受电压的区别。 2 1 基本换流单元 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，主要包括换流变压器、换流器、相应的交流滤 波器和直流滤波器以及保护装置等。目前工程上采用的基本换流单元有6 脉动 换流单元和1 2 脉动换流单元两种。它们的主要区别在于前者采用6 脉动换流 器( 三相桥式换流回路) ，而后者则采用1 2 脉动换流器( 由两个交流侧电压相差 3 0 。的6 脉动换流器所组成) 。在汞弧换流时期，为了减少换流站设备的数 量，通常采用最高电压的汞弧阀所组成的6 脉动换流单元，在这种情况下，交 流滤波器和直流滤波器必须按6 脉动换流器的要求来配备。当采用晶闸管换流 阀以后，换流阀可由多个晶闸管串联组成，之所以使用串联电路是因为在不提 高晶闸管性能( 如反向耐压) 的情况下显著提高了输出的直流电压，且可以方便 地通过增加串联晶闸管的数量来提高换流阀电压，从而得到电压等级更高的1 2 脉动换流器，这就在很大程度上提高了直流输电的效率。此外，1 2 脉动换流器 在交流侧和直流侧产生的特征谐波都比6 脉动换流单元的小，故在交流侧和直 流侧只须分别配备与之相对应的滤波器，这样就可大大地简化滤波装置，减小 换流站占地面积，降低换流站造价。因此，当今绝大多数直流输电工程均采用 1 2 脉动换流单元【3 卜3 引。由于6 脉动换流器己很少使用，本文只对1 2 脉动换流 单元进行分析。 1 2 脉动换流单元是由两个交流侧电压相位相差3 0 。的6 脉动换流单元在 直流侧串联所组成的，它可以采用双绕组换流变压器或三绕组换流变压器。为 了使换流变压器阀侧绕组的电压相位相差3 0 。，其阀侧绕组的接线方式必须一 个为星形接线，另一个为三角形接线。换流变压器可以选择三相结构或单相结 构。因此，对于一组1 2 脉动换流单元的换流变压器，可以有以下四种选择方 案： 哈尔滨理- e 人学t 学硕i j 学化论文 1 一台三相三绕组变压器，如图2 1 ( a ) 所示； 2 两台三相双绕组变压器，如图2 1 ( b ) 所示； 3 三台单相三绕组变压器，如图2 1 ( c ) 所示： 4 六台单相双绕组变压器，如图2 1 ( d ) 所示。 在以上四种方案中，我国采用得较多的是德国西门子公司和西变公司生产 的单相三绕组变压器旧吼3 6 1 。 单相j 绕组娈 i ， ：= l 一。一”一 i b 了! 一，r y yl r i c 1 = 一j v r r l _ j a ) 希1 1 苜) 1 一r3 一 ；52 j v y - l + ； k ， 一 ； 一 ，2 4l一6 。 1 一；a 2；5 if r = 刁一2 i r v 、1 、1 ， 。节6 ，j r、 3二z 2 b ) 单相双绕组变压器( 6 台) 1 一：3 z ：g - 5 j r i d = _ 二，”一 ：，、下寸：o 、一 ；+ ，m ， ， i 4 6 _ 2z _ 1 ：3 2；5 j 、呻 ，一r = = 一 l _ ? _ 、? 一 f m 一 i 广、r n l 一+ ： ，：曼。 r r r r 一 r r r r - + 一ff一 z。l。l 4 6 2 c ) d ) 图2 1 十二脉动换流单元接线原理图 f i g 2 - 1w i r i n gd i a g r a mo f t w e l v e p u l s a t i n gc o n v e r t e r 2 2 阀侧绕组电压仿真 从1 2 脉动换流单元的接线原理图中可看出，无论采取何种接线方式，对 于阀侧( 直流侧) ，各对应绕组所承受的电压都是一样的，既要承受交流电压， 同时又要承受换流阀耦合过来的对地直流电压。而对于网侧( 交流侧) ，由于变 压器的隔离作用，阀侧的直流电不会耦合到网侧来，因此网侧绕组只承受电网 哈尔演理t 人学t 学硕卜学位论文 提供的工频交流电压，这与普通电力变压器无异，下面本文就针对阀侧绕组电 压进行重点分析。 为简化分析，现以一个理想变压器阀侧绕组为例进行说明，其结构如图2 2 所示。这是一个移相3 0 。构成的串联二重联结电路，阀侧绕组先是分别采用 星形和三角形接法构成相位相差3 0 。、大小相等两组电压，然后在接入相互串 联的两组整流桥。因为绕组接法不同，为了使每相绕组的线电压相等，星接绕 组和角接绕组的匝数比应设为1 ：4 3 。变压器工作时，每个时刻只有4 个晶闸 管同时导通，以形成向负载供电的回路，其中两个晶闸管是共阳极组的，两个 是共阴极组的，且不能为同一相的晶闸管。1 2 个晶闸管的触发脉冲顺序为1 1 2 2 6 67 1 ，相位依次相差3 0 。，这里本文采用宽脉冲触发，每一个脉 冲宽度都大于6 0 。( 一般取8 0 。1 0 0 。) 。假设每个晶闸管触发脉冲的触发角 a = o 。，利用软件分别对纯阻性负载和阻容耦合负载情况下进行电路仿真。 ，u d 图2 - 2 换流变压器电路简图 f i g 2 2c i r c u i td i a g r a mo f c o n v e r t e rt r a n s f o r m e r 2 2 1 纯阻性负载 在软件环境下建立阀侧绕组仿真模型如图2 3 所示，为便于仿真，将角接 绕组等效为星接绕组，用电压源表征每相绕组的相电压，并设其电压幅值均为 i o v ，d 1 - - - d 1 2 均为理想二极管。仿真结果如图2 4 所示： 哈尔演理t 人学t 学硕i 学位论文 2 0 1 0 、0 b 一1 0 一2 0 2 0 1 0 净 言0 一i o 一2 0 i i 图2 3 纯阻性负载电路仿真模型 f i g 2 - 3s i m u l a t i o nm o d e lo fr e s i s t i v el o a dc i r c u i t ，厂v 、一 ，、 乙，a 1 u h l， 01 0z o3 0 4 0 s 06 0 t s r a s a ) ，4 p 、，一、 ，、，“、 幂，_ 、 ，i 、， f；?u 也| o1 02 0 3 0 4 0 5 06 0 t i r o s b ) 1 2 哈尔演理- e 人学t 学硕l j 学位论文 4 0 0 0 若2 0 工o o 4 0 3 0 净 弓2 0 i o o j u a l ，、 、，一、 、i ，、书 0 0 4 05 06 0 彳，r r 喀 c ) 矾 7 一一 0 0 4 05 06 0 f f z r 岱 d ) 图2 4 纯电阻负载下的仿真结果 f i g 2 4s i m u l a t i o nr e s u l to fp u r er e s i s t i v el o a d 比较上图可知，角接绕组i i 的对地电压较低，而星接绕组i 的对地电压较 高，这是因为绕组i 的对地电压是自身输出电压与绕组i i 输出电压叠加之和。 以l 的峰值电压为3 3 3 6 v ，可计算出其等效直流电压为2 4 7 5 v ，的峰值电 压为1 7 2 8 v ，而算得的等效直流电压才为8 2 6 v 。可见，在交流电相电压幅值 相等的情况下，绕组i 上叠加的直流电压要明显比绕组i i 上的大，因此，其绝 缘难度也相应地加大了，这在换流变压器设计和制造时应注意。 此外，从输出电压矾可看出，其峰值电压为3 3 3 6 v ，平均电压为 3 2 8 7 v ，两者相差不大，由此可见1 2 脉动换流器的输出波形已经比较接近直 线。 2 2 2 阻容耦合负载 建立阀侧绕组仿真模型如图2 5 所示，其中电压源的幅值均为+ 1 0 v ，并设 r = r c = l s ，仿真结果如图2 - 6 所示： 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论艾 2 0 一2 0 2 0 a , o 言。 一工o 一2 0 i i c 厂d 图2 5 阻容耦合负载电路仿真模型 0 7 f i g 2 - 5m o d e lo fr e s i s t o r - c a p a c i t o rc o u p l i n gl o a dc i r c u i t c 一弋 v a 卜u h 产v 、弋 m 、 o 1 02 03 0 吨o 5 06 0 t i r o s 幻 j 卜、，一，声、 fff 。 ； fu 日2 。1 r o1 02 00 0 4 0 5 05 0 f ，r 昭 b ) j 4 o 净j b 哈尔演理t 人学t 学硕 j 学位论文 4 0 3 0 净 言2 。 1 0 o u a l 厂 1 0 、。 一， ! l 乙。 3 0母口 5 0 6 0 f ，r r 峪 c 、 3 0 q o 5 06 0 t i r o s d 1 图2 - 6 阻容耦合负载下的仿真结果 f i g 2 6s i m u l a t i o nr e s u l to f r e s i s t o r - c a p a c i t o rc o u p l i n gl o a d 如图，u l 的峰值电压为3 1 1 1 v ，可计算出其等效直流电压为2 2 7 3 v ， 的峰值电压为1 6 8 2 v ，而算得的等效直流电压才为7 5 8 v 。当二极管正向 导通时，各绕组的电压较纯阻性负载时的要平缓许多，这是由于电容的具有滤 波作用的缘故。输出电压砜的峰值为3 0 3 4 v ，平均电压为3 0 3 0 v ，两者之差 比纯阻性负载时小了很多，输出电压已非常接近于直线，这就在很大程度上降 低了直流滤波器和平波电抗器的工作负荷。 目前，