工频变压器与换流变压器.docx

第00期阮广春等：工频变压器与换流变压器 3工频变压器与换流变压器第00期阮广春等：工频变压器与换流变压器 3摘要： 变压器关键词：换流变压器；工频变压器；异同0 引言1 变压器绕组三相工频变压器和换流变压器都是通过绕组间的电磁感应来实现电压变换的，绕组结构对电压有直接的影响。1.1 三相变压器联结组在工频三相变压器中，不论是一次侧绕组还是二次侧绕组，主要有两种联结方式，即星形联结（简称Y联结）和三角形联结（简称D联结）。并规定三相高压绕组首、末端的标志分别用大写字母A、B、C和X、Y、Z表示，三相低压绕组首、末端的标志分别用大写字母a、b、c和x、y、z表示。Y联结将三个末端X、Y、Z或x、y、z联在一起成为中性点，以N（高压侧）和n（低压侧）标记。D联结将三相绕组首末端依次联结在一起，形成闭合环形，并根据连接的方向有两种联结方法。图1 变压器绕组Y联结图2 变压器绕组D联结三相变压器的高、低压绕组，都既可以采用星形联结，也可采用三角形联结；同一铁心柱上的高低压绕组，可以绕向相同或不同进而使得电压正负不同，也可以是同相的或不同相的。这样高低压绕组的联结方式就有各种不同的组合，每种组合即为一种联结组。对于三相变压器，同一相低压侧和高压侧的线电动势的相位差总是30的整数倍。由于钟面上相邻两个时数刻度的夹角是30，因此可以用时钟序数来表示该相位差。时钟序数和表示绕组联结方式的英文字母结合起来，构成三相变压器的联结组标号。如联结组标号为YNyn0d11的变压器为三相三绕组变压器，高压和中压绕组均为星形联结，并有中性点引出，低压绕组为三角形联结，中压侧线电动势与高压侧对应的线电动势同相，低压侧线电动势滞后高压侧对应的线电动势330。为了制造和使用方便，我国国家标准规定三相双绕组电力变压器的联结组为YNd11，Yyn0，Dyn11和Yd11。YNd11联结组主要用于高压输电线路中，Yyn0和Dyn11联结组主要用于配电变压器，Yd11用于二次电压超过400V，额定容量不超过6300kVA的电力变压器。1.2 变压器绕组结构形式变压器绕组有多种结构形式，实际使用时要根据变压器的容量、额定电压和使用条件来选择。1.2.1 圆筒式绕组圆筒式绕组一般用圆线和扁线绕制而成，线匝通常由按轴向排列的一根或几根并联导线组成，层间联接通过过渡线实现。为了填平端部线匝的螺旋表面，用斜纹布带将绝缘纸板条或酚醛楔形端圈固定在端部线匝上，构成绕组端部支撑面。圆筒式绕组可以做成单层、双层和多层绕组等。1) 单层圆筒式绕组线匝由一根或几根扁导导构成，绕组的始末端布置在两端。其机械稳定性较差，所以常用于小型变压器的低压绕组。2) 双层圆筒式绕组的始末端一般布置在绕组一端，引出线固定。一般用于中小型油浸变压器的低压绕组。3) 多层圆筒式绕组一般用圆导线绕制。层中导线一匝挨一匝紧密排列，从一层到另一层的过渡线在绕组的两端。多层式绕组可用于较高电压的变压器。1.2.2 饼式绕组饼式绕组种类较多，包括连续式、螺旋式、纠结式、内屏连续式等。1) 连续式绕组由沿轴向分布的若干连续绕制的线段组成，因此得名。连续式绕组的每个线段由若干匝组成，线匝按螺旋方向一个挨一个叠绕起来。连续式绕组端部支撑表面大，所以短路时轴向力变化不大，同时散热性良好，所以被广泛采用。2) 螺旋式绕组为低电压、大电流的绕组结构，根据绕成每匝线饼的并联导线的条数可以分为单列螺旋、双列螺旋和三列螺旋等。在螺旋式绕组中，为使各并联导线所在外漏磁场中的长度和位置尽可能相同，必须进行换位。单列螺旋绕组采用组合式换位法；双列螺旋绕组采用交叉换位法；三列螺旋绕组换位方法有两种，一种相当于三个单列螺旋，每个单列螺旋各自换位，另一种是完全均匀换位法。3) 纠结式绕组主要用于220kV级及以上电压等级的变压器高压绕组上。纠结式绕组常用的结构形式有：纠结连续式、普通纠结、插花纠结。4) 内屏连续式就是在连续式绕组线段内部插入增加纵向电容的屏线而成，故又称为插入电容式。这种方式可以通过插入屏线的匝数调节纵向电容，这是它的优点。图3 变压器连续式绕组图4 变压器三列螺旋绕组图5 变压器纠结式绕组1.3 换流变压器绕组工频变压器按照相数可以分为单相和三相变压器，按照绕组数又可分为双绕组和三绕组变压器。根据不同的电压等级、容量和运行环境灵活选择不同的联结组和绕组结构。换流变压器的线圈包括网侧线圈、阀侧线圈和调压线圈三部分。绕组的排列方式通常有两种，即“铁心柱阀绕组网绕组调压绕组”式和“铁心柱调压绕组网绕组阀绕组”式。1.3.1 网测线圈换流变压器网侧线圈通过交流套管与交流系统联接，线圈的电压等级和绝缘水平取决于直流系统两端联接的交流网络的电压等级。换流变压器网侧线圈与相同电压等级的电力变压器的线圈结构基本相同，此处不再介绍。1.3.2 调压线圈因为变流变压器有较多的调压级数，所以调压线圈导线的并绕根数比较多，为此通常设计成一个独立的线圈，并与网侧线圈末端相联。当在网侧线圈首端施加冲击电压时，调压线圈内的冲击电压梯度较大，为防止击穿，调压线圈匝间绝缘厚度及对相邻线圈或接地部件的距离均要加大。为限制调压线圈内匝间电压梯度，防止调压线圈的匝间绝缘损坏，必要时需采用非线性电阻，以限制调压线圈的级间过电压。1.3.3 阀侧线圈换流变压器阀侧线圈通过阀侧套管与换流阀桥联接。因其与换流阀桥相连，必然受到阀桥换流过程的影响，其设计与普通电力变压器线圈相比有很大的特殊性。一是绝缘的特殊要求。阀侧线圈的绝缘设计除了考虑交流耐受电压的作用外，还必须考虑试验及运行中的直流电压和极性反转电压作用的影响。例如500kV直流输电系统中的换流变压器，其阀侧线圈的交流额定电压一般仅为200kV左右，但其绝缘水平因上述原因，其绝缘水平，包括交流耐受电压水平，操作冲击电压水平和雷电冲击电压水平都高于相同电压等级的交流线圈的绝缘水平。因此阀侧线圈的结构型式的选择和绝缘设计比较复杂，要特别注意绝缘方面的分析计算和采取相应的措施。二是谐波电流的影响。换流变压器在实际运行时，线圈中会有大量谐波电流流通，进而产生较大的附加损耗。所以在选择线圈的导线时，要特别注意导线的规格，以降低线圈导线中的涡流损耗，合理控制导线的电流密度，防止线圈产生局部过热。2 特殊之处换流变压器主要用于高压直流输电中直流到交流的变换，因此其阀侧线圈与整流桥相连。而整流桥在进行直流到交流变换时，会对系统的运行产生较大的影响，这使得换流变压器与工频变压器相比存在很多特殊之处。2.1短路阻抗直流输电中换流阀的换相过程实际上就是两相短路的过程，因此会产生较大的电流。为了将换向过程中的电流限制在一定范围内以免损坏换流阀的晶闸管元件，换流变压器应有足够大的短路阻抗，因此换流变压器的短路阻抗一般大于普通工频变压器的短路阻抗。但短路阻抗也不能过大，否则会使运行中的无功损耗增加，需要增加额外的无功补偿装置，并导致换相压降过大。2.2 绝缘在额定工况下，换流变压器阀侧绕组端部与地之间以及阀侧绕组与网侧绕组之间的主绝缘上长期承受直流电压；当系统发生潮流反转时，阀绕组所承受的直流电压也同时发生极性反转。因此换流变压器要长期持续受到交直流叠加电场的作用以及以极性反转为代表的直流跃变电压的作用。由此造成换流变压器的绝缘结构远比普通的交流变压器复杂。2.3 谐波换流变压器在运行中会有较大的特征谐波电流和非特征谐波电流流过。谐波电流会使换流变压器损耗和温升增加，产生局部过热，还会造成交流电网中的发电机和电容器过热。变压器漏磁的谐波分量会使变压器的杂散损耗增大，有时还可能会使某些金属部件和油箱产生局部过热现象。数值较大谐波磁通所引起的磁致伸缩噪音，一般处于听觉较为灵敏的频带，必要时要采取有效的隔音措施。2.4 有载调压考虑到运行的安全性和经济性，应使换流器触发角运行在适当的范围内，保证直流输电系统经常运行在接近最佳状态。因此换流变压器应具有较大的调压范围。一般调压分接开关的调压范围一般为20%30%，每档调节量为1%2%，使得其有载分接头档位远多于普通工频变压器。 2.5 直流偏磁换流器触发时刻的间隔不等，交流母线正序2次谐波电压和与直流线路并行的交流线路的感应作用等将在换流变压器阀侧绕组电流中产生直流分量；接地极的入地电流引起的地电位变化会在网侧绕组电流中产生直流分量，二者共同使换流变压器产生直流偏磁现象。直流偏磁使得铁芯的BH曲线上的运行工作点绕行轨迹偏离对称状态，部分进入一侧的饱和段，导致励磁电流分量出现一个半波的尖峰波形，使变压器损耗、温升及噪音均有所增加。因此直流偏磁问题在设计时必须给予充分的考虑。参考文献1 张燕秉，