换流变压器设计基础知识

第一章 换流变结构

一、 换流变概述

通常，我们把用于直流输电的主变压器称为换流变压器。它在交流电网与直流线路之间起连接和协调作用，将电能由交流系统传输到直流系统或由直流系统传输到交流系统。换流变压器是超高压直流输电工程中至关重要的关键设备，是交、直流输电系统中换流、逆变两端接口的核心设备。

直流输电系统的接线方式有多种，目前常见的接线方式如图1-1所示。

图1-1

两个六脉冲换流桥构成一个单极十二脉动接线，这两个六脉冲换流桥分别由Yy与Yd联结的换流变压器供电。两个单极叠加在一起构成一个双极。 每极所用的换流变压器可以由下述方式实现，两台三相双绕组变压器（一个Yy联结，一个Yd联结）或三台单相三绕组变压器（一个网侧绕组和两个阀侧绕组，一个Y接，一个D接）或六台单相双绕组变压器（三个Yy 单相，三个Yd单相）。由建设规模的大小及直流电压等级可以确定换流变压器的大致型式。选择不同的型式主要受运输尺寸的限制，其次是考虑备用变容量的大小，当然，备用变容量越小越经济。

当直流输送容量较大时可采用每级两组基本换流单元的接线方式，此种接线方式有串联和并联两种方式。如目前在建的±800kv项目即采用了串联方式，其基本接线原理见图2。

图1-2

800（HY）

600（HD）

400（LY）

200（LD） 3/36

图1-3 单相双绕组换流变压器外形

图1-4 单相三绕组换流变压器外形 4/36

图1-5 云广±800kV项目高端（800kV）换流变压器外形

二、 绕组的常见类型

换流变中的绕组按照其连接的系统不同，通常可分为连接交流系统的网绕组及调压绕组；连接换流阀的阀绕组。绕组的排列方式通常有以下两种：铁心柱→阀绕组→网绕组→调压绕组；铁心柱→调压绕组→网绕组→阀绕组。

1. 网绕组

目前，我公司的网绕组主要采用轴向纠结加连续式结构。与传统的纠结或内屏连续式不同，轴向纠结采用特殊的阶梯导线绕制n个双饼构成n/2个纠结单元。纠结绕制和换位示意见下图。

图1-6 轴向纠结展开示意图

图1-7 轴向纠结换位示意图（明位）

图1-8 轴向纠结换位示意图（底位）

6/36

图1-9 阶梯导线示意图

2. 阀绕组

阀绕组多采用特殊的内屏-连续式。与常见的插入电容式内屏连续式绕组不同，此种绕组在内屏部分的屏线与工作线融为一体，通过对屏线在不同位置进行断开来调节匝间电容。

图1-10 导线截面示意图

图1-11 内屏连续式展开示意图

图1-12 屏线引出示意图

图1-13 屏线连接示意图

3. 调压绕组可根据实际情况选择双层圆筒、单层圆筒、螺旋式等。结构与普通变压器相同，不再赘述。

三、 铁心及夹件系统的结构

换流变铁心为单相四柱式，两个心柱和两个旁轭，两个心柱上的线圈全部并联连接，每柱容量为单相容量的一半。铁心采用六级接缝，有效地降低接缝处的空载损耗和空载电流。全斜无孔绑扎结构，间隔一定厚度放置减震胶垫，以降低铁心磁滞伸缩而引起的噪声。 8/36

图1-14 铁心结构示意图

夹件为板式结构，上夹件无压钉结构，采用腹板下压块压紧器身；下夹件焊有导油盒，配合不同位置的导油孔，精确保证两心柱的各个线圈的油量分配。拉板下部采用挂钩结构与下夹件腹板咬合，上部为螺纹结构，在上夹件腹板内侧穿过上横梁锁紧固定。铁轭上下设置高强度钢拉带紧固。夹件系统整体结构简洁，避免了轴销、压钉结构所产生的尖角凸棱，使线圈端部出头及引线的布置简单方便。在保证电气强度的前提下引线布置可尽量靠近夹件，从而减小变压器尺寸。

图1-15 夹件系统结构示意图（上部）

图1-16 夹件系统结构示意图（下部）

图1-17 拉板与下夹件腹板咬合示意图

四、 油回路

换流变的冷却方式为强油导向风冷。经由冷却器冷却后的变压器油，通过主管路在油箱短轴方向下部直接进入夹件导油盒内。通过导油盒上特定位置的导油孔经由导油垫块直接进入器身。在器身内部按照线圈端部绝缘结构布置的油路及线圈自身的油路设计自下而上流经器身后，在油箱顶部经主导油管进入冷却器。这种油直接进入器身，同时两柱各个线圈独立进油的结构，通过线圈端部的油路及线圈自身的油路设计，能够按照各线圈的损耗准确分配油量，达到较好的冷却效果。油回路示意可参见图1-18。 10/36

图1-18 换流变油路示意图

五、 换流变与普通变压器的主要差别

由于换流变压器阀侧与直流相连，因此换流变压器不仅承受交流电压，而且还需要承受直流电压，这是造成换流变压器与普通电力变压器结构上不同的根本原因所在。由这一原因所导致的换流变与普通变压器的差别主要表现在以下几方面：

1. 阀绕组承受的直流电压对绝缘设计的影响

额定工作状态下，阀绕组端部与地之间以及阀绕组与网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。换流变压器中长期持续受到的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是换流变压器绝缘设计中应考虑的主要问题。

在交流电压和冲击电压作用下，绝缘结构内部各处的电压分布是由介电常数所决定的。由于油和纸的介电常数相差不大，电场同时分布在油和纸中。而在稳态直流电压作用下，油纸绝缘中的电场分布取决于绝缘材料的电阻率。纸的电阻率比油高一个至几个数量级，因此直流电场主要集中在绝缘纸中，此时，绝缘的弱点在纸板中。在结构的处理上，要把握纸板中场强的大小，可以通过绝缘结构中纸板的配置来改善电场的集中程度，同时要注意纸板的沿面爬电。

图1-19 稳态直流电压作用下主绝缘中等位线分布图

直流的极性反转试验可视为在稳定的直流电压作用下，突然施加两倍的反向直流电压，此时，电场分布为直流电压下的分布与两倍反极性阶跃电压下的分布的叠加，变压器油中的场强出现最大值，并很快衰减至稳定直流电压作用下的场强，而纸板中的场强则低于其稳定直流电压作用下的场强。电压分布见图1-20。

图1-20 电极电极变压器油纸③②

① 2UU-U曲线①为反转前电压分布

曲线②为反转后瞬间电压分布

曲线③为两倍反极性阶跃电压的分布 由此可见，换流变压器中的电场分布要比普通变压器中的电场分布复杂得多。另外，影响直流场分布的主要技术指标—绝缘材料的电阻率又受温度、湿度、电场强度及加压时间等诸多因素的影响而在很大范围内变化，增加了不稳定性。

因此换流变压器的主绝缘较普通变压器而言要采用更多的纸板，组成油—纸隔板系统。其中的纸板不仅在交流场中承担分割油隙的功能；在直流场中，还有调节电阻分布，进而影响直流电场分布格局的作用。此外，换流变压器中阀侧引线及其与套管相接处的绝缘设计是另一个设计难点，这些部位的绝缘结构十分复杂，介质种类多，影响电场分布的因素也较多。事实上，在运行中和工厂试验时发生绝缘损坏的部位主要集中在这里。

2. 直流偏磁问题

换流变压器在运行中由于交直流线路的耦合、换流阀触发角的不平衡、接地极电位的升高等多方面原因会导致换流变压器阀侧及交流网侧线圈的电流中产生直流分量，使换流变压器产生直流偏磁现象，从而导致换流变压器损耗、噪声都有所增加。因此直流偏磁问题在设计时必须给予充分的考虑。

3. 高次谐波对损耗和温升的影响

换流变压器绕组负载电流中的谐波分量将引起较高的附加损耗，因为谐波的频率高，故单位谐波的附加损耗比单位基波的高。因此如何确定由谐波引起的损耗是确定换流变压器负载损耗和温升的中心问题。 4. 有载调压范围大，动作更频繁

为了补偿换流变压器交流侧电压的变化，换流变压器运行时需要有载调压。换流变压器的有载调压开关还参与系统控制以便于让晶闸管的触发角运行于适当的范围内，从而保证系统运行的安全性和经济性。为了满足直流降压运行的模式，有载调压分接范围相对普通的交流电力变压器要大得多。

第二章 换流变组件

变压器组件是变压器重要组成部分，除变压器器身以外的部件统称为变压器组件。它们是确保变压器安全运行，变压器与其它设备连接的纽带。因此说，变压器组部件的质量关系到变压器能否安全可靠的运行。

一、温度传感器

1. 油面温度控制器

油面温度控制器是一种利用感温介质热胀冷缩来指示油浸式变压器内顶层油温度的仪表。它可以带有电气接点和远传信号装置，用来输出温度开关控制、报警、跳闸信号及温度模拟信号。

1.1 技术要求

a. 油面温度控制器的使用条件：

b. 工作的环境温度： -40~+60°C；

c. 温度的测量范围： 0ºC~150ºC ， 0ºC~160ºC； d. 工作电压；AC.250V，DC.220V或DC.110V；

e. 测量精度等级为：1.5级；

1.2 对温包的技术要求 ：

a. 温包的额定耐受压力值为：1.6MPa，1min；

b. 温包外形尺寸不超过￠22.5mmX150mm；

c. 温包的安装螺纹为 M27X2或G1B；

d. 温度控制器应能承受2500V，1min的工频耐压实验；

e. 温度控制器毛细管长度如无特定要求均为5米；

f. 温度控制器的开关接点应在20ºC~140ºC范围内任意设定而不超差；

g. 温度控制器的开关接点动作误差不超过±2ºC；

h. 温度控制器的开关接点回程差应在10ºC~14ºC范围内

i. 绝缘电阻：在环境温度为40ºC，相对湿度为90%条件下，测得的温度控制器开关接点与接地端子之间的电阻值不应小于20MΩ；

j. 耐震动性：温度控制器在频率为100Hz ，振幅为0.2mm的三维方向的条件下振动，其指针摆动幅值不大于2ºC；

k. 温度控制器防尘，防水密封性能，在无特别指明时为 IP55

2. 绕组温度控制器

绕组温度控制器是专门用于测量变压器绕组温度的一种仪表。绕组温度值是由变压器内顶层油温度值与热模拟单元给出附加温升值之和而获得的变压器绕组的平均值。它可以带有电气接点和远传信号装置，用来输出温度开关控制、报警、跳闸信号及温度模拟信号。