1、特高壓變壓器絕緣結構喃文強P1218135321 特高壓變壓器(換流變)主要結構特點目前, 1000 kV 交流變壓器和 800 kV 換流變壓器均已研制成功, 并成功投入運行。變壓器( 換流變) 的絕緣結構為油、 紙和紙板組成的復合絕緣結構體, 需要承受交流電壓、 雷電沖擊電壓、 操作沖擊電壓的作用, 特別是換流變壓器還要承受直流電壓和極性反轉電壓的作用, 要求更為苛刻, 是特高壓變壓器( 換流變) 的設計和制造的難點和重點 , 下面分別介紹 1000 kV 交流變壓器和 800 kV 換流變壓器的主要結構特點。1. 1 1000 kV 特高壓交流變壓器結構特點1000 kV 晉東南- 南陽

2、- 荊門特高壓交流試驗示范工程用特高壓交流變壓器單體容量達到 1000MVA, 額定電壓達 1050 kV, 由主體變壓器和調壓變壓器兩部分組成, 二者之間通過管母線進行連接。主體變為單相、 油浸式、 無勵磁調壓自耦變壓器, 采用單相五柱式鐵心、 線圈 3 柱并聯結構, 3 個主柱的高壓繞組、 中壓繞組、 低壓繞組分別并聯引出; 采用中性點變磁通調壓方式, 外置調壓補償變壓器, 簡化了主體變壓器的結構 1, 16 。圖 1、 2 分別是特高壓交流變壓器外形和結構示意圖。1000 kV 特高壓交流變壓器的出線裝置是一個由油和紙絕緣、 金屬電極和支撐部件組合的多介質、形狀復雜的引線絕緣結構, 如圖

3、 3 所示。1000kv變壓器圖1. 2 800 kV 特高壓直流換流變壓器結構特點向家壩- 上海( 簡稱向上) 800 kV 特高壓直流輸電示范工程用換流變壓器最高閥側電壓 800kV( 直流) 、 網側電壓 500 kV( 交流) , 最大單臺容量321 MVA, 錦屏- 蘇南特高壓直流輸電工程高端換流變壓器閥側電壓 800 kV( 直流) 、 網側電500kV( 交流) , 最大單臺容量達 363 MVA 11 -13, 15 。相比特高壓交流變壓器, 特高壓換流變絕緣結構需要綜合考慮交、 直流電場的混合作用, 設計難度更大。800 kV 換流變壓器的外形尺寸由換流變壓器的技術性能參數和

4、結構確定。其中, 換流變壓器閥側引線結構對運輸尺寸的影響很大。換流變壓器閥側引線結構, 可以采用放置在油箱內部和獨立放置在外部兩種方式。這兩種閥側引線結構, 均由大直徑均壓管、 覆蓋絕緣以及多層由瓦楞紙板與絕緣底板交替包捆的絕緣筒組成。通過合理設置絕緣筒的數量以及合適的引線安裝位置, 可以在有限空間內最大限度提高引線均壓管到油箱以及鐵心等接地位置的絕緣強度。向上工程 800 kV 換流變壓器器身為 2 柱并聯結構, 其中, 閥側高壓引線處于最高電位, 位于線圈、鐵心( 夾件) 和油箱壁之間, 引線區域電場分布非常復雜 1, 13, 14。同時, 引線通過升高座與套管連接, 箱壁開孔處、 套管尾

5、部、 引線與套管的連接等處電場分布更為復雜。閥側引線裝置和套管之間直接連接,兩者場強分布控制必須相互配合, 給絕緣設計和加工帶來極大困難。加之受到運輸尺寸限制, 換流變壓器內部空間有限, 結構設計和引線裝置的布置難度大2 特高壓變壓器絕緣設計分析主絕緣設計重點是在各種試驗工況下, 對各油隙及電極表面場強均按無起始局部放電場強進行嚴格控制, 以確保主絕緣的可靠性。縱絕緣結構研究重點是計算分析在各種試驗電壓下高壓線圈餅間絕緣強度, 尤其是重點校核雷電沖擊電壓下各線圈的沖擊電壓特性, 確保縱絕緣結構滿足耐受雷電沖擊電壓絕緣強度的要求特高壓交流變壓器出線裝置電壓高且集中, 需綜合考慮引線到線圈、 引線

6、到鐵心、 引線與引線間的絕緣距離, 以及變壓器近區短路時引線結構受漏磁影響承受電動力的能力, 重點分析計算高壓升高座箱壁開孔、 套管均壓球、 線圈連線處油隙等敏感區域引線的電場分布, 控制各處油隙電場強度遠小于起始局部放電場強, 并充分考慮和套管尾部的絕緣配合, 解決在電、 磁、 熱、 力等多應力作用下確保引線結構長期安全可靠的設計難題。2. 1 特高壓交流變壓器絕緣設計2. 2 特高壓換流變絕緣設計換流變壓器閥側繞組除承受交流電壓、 雷電沖擊電壓和操作過電壓外, 還承受直流電壓、 直流與交流的復合電壓和系統發生潮流反轉時產生的極性反轉電壓的作用( 網側繞組承受交流電壓、 工頻交流感應和外施試

7、驗電壓、 雷電沖擊電壓和操作過電壓等多種試驗) 。換流變壓器網側繞組的主、 縱絕緣結構與常規直流類似, 絕緣設計的關鍵在于閥側繞組的主、 縱絕緣結構。向上特高壓直流工程換流變壓器與? 500 kV 直流輸電工程用換流變壓器相比, 雷電和操作沖擊的水平提高的不多, 而交流長時外施、 直流長時和直流極性反轉耐壓水平有大幅度的提高。線圈排列方式為: 鐵心- 調壓線圈- 網側線圈- 閥側線圈- 油箱, 如圖 9 所示。由于繞組絕緣水平的提高, 要相應增加線圈之間及端部絕緣的主絕緣距離。通過增加角環、 紙筒和紙圈的數量, 并合理地布置, 來保證絕緣結構在交流、 直流和極性反轉電壓作用下電場的合理分布,

8、有效地提高油、 紙絕緣結構的絕緣強度。在特高壓換流變壓器結緣設計過程中, 分別對閥側線圈在長時 AC 外施試驗電壓、 DC帶局部放電測量的耐壓試驗電壓、 極性反轉試驗電壓下的電場進行了反復的計算分析, 并在此基礎上不斷優化結構, 以保證絕緣結構在各種作用電壓下都有足夠的絕緣裕度。特高壓換流變壓器的網側繞組首端要承受全波1550 kV 的雷電沖擊電壓, 網側線圈可采用糾結連續式, 線圈首端若干段為糾結段。在網側線圈的上下端部設置靜電板, 以改善線圈端部電場分布, 提高絕緣強度。特高壓換流變壓器閥側繞組首末端均要承受1800 kV 的全波雷電沖擊電壓, 閥側線圈為全絕緣結構。特高壓換流變壓器閥側繞

9、組電流大, 交流電壓較低, 線圈的匝數較少, 閥側線圈一般為內屏蔽連續式或螺旋式結構。內屏蔽連續式的閥側線圈往往采用半硬自粘組合換位導線( 首末端若干個餅的導線帶屏蔽線) 繞制。內屏蔽連續式的閥側線圈采用縱向電容分區補償結構, 具有良好的沖擊電壓分布,并嚴格控制場強分布, 確保線圈內不發生局部放電。由于作用在閥側線圈上的交、 直電壓都很高, 閥側線圈的上下端部要設置靜電板, 為有效改善線圈端部電場分布, 靜電板要選擇合適的曲率半徑。 調壓線圈為圓筒式, 采用半硬自粘換位導線繞制, 匝間和段間均無油道。各分接出頭通過電纜與線圈出頭原線焊接后引出, 各分接間設有 ZnO 非線性電阻元件, 來限制調

10、壓線圈上的雷電沖擊過電壓。高端換流變壓器絕緣的高要求致使絕緣件用量很大, 送端 800 kV 高端換流變壓器僅線圈絕緣件質量就超過 11 t。3 特高壓變壓器(換流變)關鍵絕緣國產化特高壓交流變壓器所用絕緣材料是控制設備質量和工期的關鍵部件, 試驗示范工程變壓器用的絕緣材料均為魏德曼產品。特高壓變壓器出線裝置的研制極具挑戰性, 需要重點解決在裝置結構復雜、 尺寸緊湊、 電壓高且集中、 運行條件苛刻條件下電、 磁、熱、 力等多應力共同作用下長期安全可靠的設計難題。目前, 國家電網公司組織瑞士魏德曼公司與國內各制造廠已研制成功特高壓交流標準化出線裝置, 正在循序漸進、 穩步推進國產化樣機研制工作。

11、特高壓換流變壓器絕緣設計與制造的關鍵在于閥側引線裝置和套管的設計和制造。目前, 國產化絕緣材料, 如紙漿、 絕緣紙和紙板的質量和國外先進制造商, 如魏德曼、 ABB 之間的差距日益縮小, 但在成型絕緣件, 特別是手工異形絕緣件等方面仍存在差距。高端換流變壓器閥側引線裝置的設計和制造技術難度非常高, 而且必須和套管的結構型式和設計緊密配合, 其中, 套管尾部與閥側引線裝置連接的位置電場分布異常復雜, 需要大量的計算和試驗。由于閥側套管的設計制造難度大, 國內基礎較為薄弱,短期內難以研制。因此, 直接開發特高壓直流高端換流變壓器閥側引線裝置和套管的難度大, 風險高1000kv超高壓變壓器國家電網公司大力支持和推動提高特高壓變壓器、 換流變絕緣材料和出線裝置的國產化工作, 并將組織變壓器廠家、 絕緣件廠家和相關套管廠家從交流變壓器、 低端換流變壓器閥