换流变压器绝缘结构分析

在发生极性反转前 ， 作用在绝缘纸和油的电压 由交流电压 Uac 和直流电压 -UTn 复合而成 ， 即如图 3 中所示的电压 -U 。 当发生极性反转时 ， 在油 、 纸绝
1 Tn
缘系统上叠加一个相当于全电压变化的容性电场 ， 它的 总阶越电压 为 +2U ， 从图 3 中也 可看出 ， 在直
1 Tn
分 ， 加上束缚电荷的作用 ， 电压主要作用在油中 ， 因 此提高油隙中油的耐受能力是主要目标 。 而作用在 纸板上的电压分量 U3pn 较小 ， 故对纸板的耐受强度 可以不必担心 。 工况下极性反转时油中电压 U3oil 为
Fig.3
Voltage distribution during polarity reversal
operation of converter transformer and DC transmission system.
transformer in DC system determine its main insulation and the valve side barrier system will withstand the voltage which is different from the AC transformer. This paper firstly presents the voltage withstood by insulation structure of converter transformer and then analyzes the voltage distribution in the insulation structure as well as the coordination of insulation material under different voltages. With the development and application of technology for UHV DC transmission, the insulation structure of converter transformer shall meet the electric, mechanical and thermal requirements, so the research of AC and DC combination electric field are the key of converter transformer. Key words: converter transformer； insulation structure； mechanical requirement； thermal requirement
Analysis on Insulation Structure of Converter Transformer
DENG Ying
（ Xi’ an XD Transformer Co.,Ltd.，Xi’ an 710077， China）
Abstract:
The insulation structure of converter transformer is its core technology ，and it relates to the safety The special operation condition of converter
0
引言
换流变压器是超高压直流输电系统中的关键设
作用 、 以及直流试验电压下的直流电场作用 ，因此它 的主绝缘结构与交流变压器相比是有所不同的 ， 其 中交直流复合电场的分析是确定换流变压器主绝缘 结构的主要内容 。 换流变压器的纵绝缘考核和分析 与交流变压器完全相同 ， 因此其结构和计算方法也 与交流变压器相同 [1-7]。
2
换流变压器主绝缘结构
换流变压器的绝缘所受的电压类型与交流变压
器的绝缘所承受的电压类型之区别在前面已经介 绍 ， 其主要区别是作用在换流变压器绝缘中的电压 中包含有直流分量 。 主绝缘结构示意图见图 5。
Upr=1.25×[(N-0.5)Udm+0.35Uvm]
(4)
式 (4) 中 ：N 为从中性点到某一换流变的总 的阀 桥数 ；Udm 为 1 个阀桥的最大直流电压 ；Uvm 为换流变 阀侧线圈最大交流电压 。 在 IEC 标准中 ， 对极性反转试验有所规定 ， 主 要有 5 点 ： ① 换流Biblioteka Baidu压器极性反转试验时油温应在
1.2.2
稳态工作电压 UL 第 n 个阀桥的换流变压器阀线圈主绝缘中油 、
纸的稳态工作电压分布为
1 U2pn=UL× 2n-1 +Urms× ε 2N 1+ p×ρo εo×ρp
(2)
式 (2) 中 ，N 为从中性点到某一换流变的总的阀 桥数 ，Urms 是相邻线圈之间最大电位差的均方根值 ， 且在实际计算中并没有考虑 U2oil。
1.2 1.2.1
稳态电压 带局部放电测量的直流耐受试验电压 Udc 换流变压器的直流耐受电压 Udc 是由用户根据
有关标准和系统需要明确提出的 ， 如在 IEC 61378-
2— 2001 中就有明确的规定 ，其计算公式为 Udc=1.5[(N-0.5)Udm+0.7Uvm] (1) 式(1)中 ：Udm 为 1 个阀桥的最大直流电压 ；Uvm 为
油纸复合绝缘中的分布特性与工况下极性反转电压 作用时的情况是相同的 ， 在此不再赘述 。
操作电压相比 ， 该电压下降较慢 ， 在绝缘系统中形成
1 个危险的电场应力 。
换流变压器主绝缘在极性反转时主要考虑有两 个方面 ， 即前面已提及的工况下的极性反转电压和 极性反转试验电压 Upr， 极性反转试验电压 Upr 由下 式得到 ， 即
流稳态电压下几乎不承受直流场强的油隙 ， 此时要
1 承受 1 个值为 2UTn -ΔU1+ΔU2 的复合电压 。 与雷电和
1 1 U3oil=2UL 2n-1 (1)+Urms 2N ε ε pnd1 1+ 1+ oild2 εoild2 εpnd1 2)极性反转试验电压 。 极性反转试验电压 Up r在
Uvomax 为阀侧线圈的最大交流相电压 。 1.3 瞬态电压分布 1.3.1 极性反转时的电压变化
当直流输电系统发生接地故障时 ， 往往会引起
技术讨论
邓 颖. 换流变压器绝缘结构分析
· 55 ·
直流输电系统极性的变换 ， 可以从图 3 中看到油 、 纸 绝缘在极性反转时的电压分布发生变化 。
图4
压分配呈容性分布特征 ， 由介电常数 ε 较小的油承 担大部分交流电压 。 换流变压器的主绝缘不仅要考 虑阀侧线圈所受的工作电压即直流电压和严重畸 变的交流电压组成的复合电压作用 ， 同时还要考虑 故障情况下绝缘所受瞬态过电压和极性反转电压 的作用 。 一般来说 ， 根据换流变压器的工况和绝缘 试验的要求 ， 在其主绝缘确定时阀侧线圈所受的直 流电压及其复合电压主要有以下 4 种形式 ， 即 ： ① 带局部放电测量的直流耐受试验电压 Udc；② 稳态工 作电压 UL； ③ 工况下的极性反转电压 ； ④ 极性反转 时的试验电压 Upr。 下面按稳态电压和瞬态电压来分别分析上述 4 种电压 。
第 47 卷 第 10 期 2011 年 10 月
High Voltage Apparatus
Vol.47 No.10 Oct. 2011
· 53 ·
换流变压器绝缘结构分析
邓 颖
710077 ）
（ 西安西电变压器有限责任公司 ， 西安
摘要 ： 换流变压器的绝缘结构是换流变压器的核心技术 ， 关系到换流变压器和直流输电系统的安全运行 。 换 流变压器在直流系统中的特殊工况 ， 决定了其主绝缘 、 阀侧出线装置承受了不同于交流变压器的电压作用 。 笔者从换流变压器绝缘结构中承受的电压入手 ， 分析了绝缘结构中电压分布以及不同绝缘材料在不同电压 下的作用与配合 。 随着特高压直流输电技术的发展及应用 ， 换流变压器的绝缘结构为满足电约束 、 机械约束 以及热约束存在的要求 ， 交直流电场的研究关系到换流变压器成败的关键 。 关键词 ： 换流变压器 ； 绝缘结构 ； 机械约束 ； 热约束 中图分类号 ： TM41 文献标志码 ： A 文章编号 ：1001-1609（2011）10-0053-07
Tab.1
电力 设备 电力变 压器 换流变 压器
Withstand voltage of converter transformer and power transformer
交 流 雷电 冲击 操作 冲击 直流 直流 + 交流 极性 反转
√ √
√ √
√ √
√
√
√
由于换流变压器绕组所受的电压比普通电力 变压器复杂的多 ， 正确分析换流变压器在各种电压 下的电场分布是换流变压器主绝缘设计的基础 。 为了说明换流变压器主绝缘 ， 不妨使用图 1 所 示的 简单 物 理 模 型 来 表 示 ， 且 假 设 ： ① 变 压 器 油 的 电阻率 (ρoil) 和纸板的电阻率 (ρpn) 为常数 ； ② 变压器油 的 介 电 常 数 (εoil =2.2) 和 纸 板 的 介 电 常 数 (εpn =4) 为 常 数 ；③ρpn≥100ρoil。
′ U1 =
在油纸复合绝缘中直流电压呈阻性分布 。 由于
图1 绝缘结构模型
油浸纸的绝缘电阻远远大于绝缘油的绝缘电阻 ， 因 此几乎所有的直流电压都由油浸纸来承担 。
Fig.1
Model of insulation structure
油和纸板相交的表面的电场为一等位面 ， 可用 图 2 的等效电路图来表示 。
换流变阀侧线圈最大交流电压 。 在 IEC 61378-2 — 2001 中规定直流耐压试验时 的油温应为 (20±10)°C ， 施压时间为 120 min 。 在直流 耐受试验电压 Udc 作用下 ， 油和油浸纸中电压为
ρoild1 Udc ρoild1+ρpnd2 ′ U2 = ρoild2 Udc≈Udc ρoild1+ρpnd2
· 54 ·
2011年 10 月
第 47 卷
第 10 期
击过电压和操作冲击过电压 。 阀侧线圈所承受的直 流电压 、 交 直 流 复 合 电 压 及 极 性 反 转 电 压 等 ， 同 时 对网侧线圈和调压线圈也有影响 。 变压器与电力变 压器耐受电压对照见表 1 。
表1 换流变压器与电力变压器耐受电压
收稿日期 ：2011-07-11 ； 修回日期 ：2011-08-24
1
1.1
作用在换流变压器绝缘结构中的电压
阀侧线圈承受的电压 换流变压器阀侧线圈 ( 包括阀侧引线 ) 所承受的
电压是 1 个有直流电压和严重畸变的交流电压组 成的复合电压 。 其中主要包括 ： 交流 、 直流 、 交流 + 直 流 、 极性反转电压等 ，还包括运行和试验中的雷电冲
极性反转试验的加压示意图
Fig.4
Voltage application scheme of polarity reversal test
换流变压器绝缘中的直流电压因系统直流极性发生 变化而正 、 负极性突然转换 ， 此时突变的电压分配呈 容性分布特征 ， 由介电常数较小的油隙承受了大部
图3 极性反转时的电压分配
备之一 。 在换流站换流变压器是提供特殊电源的主 设备 ， 与换流器一起将交流网络中的交流电能转换 为直流电能 ， 并通过超高压直流输电线路向远方传 输 ； 或与换流器一起将直流输电线路中的直流电能 逆变为正常交流电能输送到超高压交流网络 。 换流变压器的特殊工况决定了它的主绝缘既承 受着交流变压器所承受的全部电场作用和试验电压 下的电场作用 ， 同时还要承受正常工作中的直流电 场作用 、 事故状态时和逆向工作时的极性反转电压
图2 等效电路图
即 Urms=Uacmax-Uvomax
(3)
Fig.2
Equivalent circuit drawing
式 (3) 中 ：Uacmax 为 相 邻 交 流 线 圈 的 最 大 相 电 压 ；
在直流电压的作用下 ， 电压分配呈阻性特征 ， 由于纸板的绝缘电阻远远大于绝缘油的绝缘电阻 ， 则在稳态直流电压下 ， 几乎所有的直流电压都由绝 缘纸板来承担 。 但在瞬态条件下 ， 如极性反转时 ， 电