直流输电中的换流变压器

上篇
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。

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。

800（HY）
600（HD）
400（L Y）
200（LD）
图1-2
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
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。

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。

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。

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
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。

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。

电极电极
变压器油纸③②
① 2U U
-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
图1-20
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。

2.1技术要求
a. 绕组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：2.0级；
2.2 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. 绕组温度控制器应能承受2500V，1min的工频耐压实验；
e. 绕组温度控制器毛细管长度如无特定要求均为5米；
f. 绕组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. 绕组温度控制器的开关接点动作误差不超过±2ºC；
h. 绕组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，测得的绕组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：绕组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. 绕组温度控制器防尘，防水密封性能，在无特别指明时为IP55；
二、气体继电器
气体继电器是油浸式变压器，电抗器等采用的一种保护装置。

当变压器内部故障而使油分解产生气体造成油流冲动时，使继电器的接点动作，并发出报警信号或给出切除变压器信号。

1．常用型号及规格
表2-1
储油柜一端稍高，但倾斜度不超过4%；
d. 工作电压；AC.250V，DC.220V或DC.110V；
e. 管路内径：25，80 mm；
f. 继电器的接点在表2-2规定的工作条件下，应能承受不少于
1000次的通断试验，且试验后接点无烧痕和不良接触现象发生；
表2-2
g. 继电器接点在下列条件下应可靠动作：
h. 当继电器内聚集的气体超过250ml时，报警接点应动作。

i. 当继电器内油流流速超过1.0m/s(QJ-25型)或1.5m/s(QJ-80型)时，跳闸接点应动作。

流速偏差≤0.1m/s。

j. 继电器应能承受2500V，1min的工频耐压实验。

k. 继电器应有取气塞，视察窗，探针，接线盒。

油速标尺等。

l. 当继电器连到注满油的管路上时，在油温度为90°C的条件下，应能承受200kPa压力试验且无渗漏。

时间不少于24小时。

m. 以继电器油流流速反方向冲击三次，继电器内的零部件不得产生变形，位移和损伤。

n. 抗震动能力：
地震：2g(峰值)/频率5Hz；
振动：1g(峰值)/频率16-720Hz；
冲击：10g(峰值)/冲击时间10ms;
o. 继电器防尘，防水密封性能，在无特别指明时一般为IP54。

三、油流继电器
油流继电器是一种监视油流量、方向变化及油泵工作状态的报警
信号装置。

该产品可用来监视强油循环风冷却器和强油循环水冷却器的油泵运行情况，同时也可监视油泵是否反转、阀门是否打开、管路是否有堵塞等情况，当油流量减少到一定数值时发出报警信号。

1. 主要结构
油流继电器主要由联管和流量指示器本体两部分组成。

流量指示器本体主要由传动部分、电气部分和指示部分组成，具体结构见下图。

图2-4 油流继电器结构示意图
2. 工作原理
当变压器油泵启动时就有油流循环，油流量达到额定油流量约3/4时挡板被冲动，而和挡板在同一轴上的磁铁也随着旋转，旋转着的磁铁带动隔着薄壁的另一个指示部分磁铁同步转动，当挡板被冲到85°位置时，使微动开关的常开接点闭合，发出正常工作信号，指针指向“流动”位置。

如果油流量减少到额定油流量的约1/2时，挡板
借助弹簧作用力返回，耦合磁铁也跟着返回，使微动开关的常开接点打开，发出故障报警信号。

3．技术要求
a. 工作的环境温度：-30~+40℃；
b. 相对湿度：当空气温度为+25℃时相对湿度不大于90%；
c. 工作电压；AC.250V，DC.220V或DC.110V；
d. 管路内径：80 、150、250、300、350mm。

e. 油流继电器的接点在表2-3规定的工作条件下，应能承受不少于1000次的通断试验，且试验后接点无烧痕和不良接触现象发生。

表2-3
f. 油流继电器应能承受2500V，1min的工频耐压实验。

g. 油流继电器应有温度计座、放油阀等。

四、压力释放阀
压力释放阀是油浸式变压器，电抗器等采用的一种保护装置。

当变压器出现内部故障时，由于绕组过热，使一部分变压器油汽化，变压器油箱内部压力迅速增加时，压力释放阀迅速动作，保护油箱不变形或爆裂并给出切除变压器信号。

1.常用型号及规格
图2-5 油流继电器型号字母说明
图2-6 YSF12-35（55、70、85）/130 型压力释放阀结构示意图
图2-7 YSF12-35（55、70、85）/130 型压力释放阀接线原理图
2.技术要求
a. 环境温度：-30~+60°C；
b. 安装方式：压力释放阀可安装在油箱盖上，升高座或油箱上部侧壁上；
c. 工作电压；AC.250V，DC.220V或DC.110V；
d. 压力释放阀的开启压力应符合表2-4的规定，带有机械（J）标记的释放阀，当释放阀开启后，标志杆应明显动作。

释放阀关闭时，标志杆应滞留在开启后的位置，手动复位。

装有信号开关（K）的释放阀，当释放阀开启后，信号接点应可靠接通并自锁，手动复位；
表2-4（单位为千帕）
e. 压力释放阀的关闭压力应符合表2-4的规定；
f. 当作用在压力释放阀内膜盘上的压力达到开启压力时，释放阀应迅速开启，其开启时间不大于2ms；
g. 当环境温度在-30~+100°C范围内，释放阀的开启压力应符合表2-4规定；
h. 装配完毕的压力释放阀，至少需静放48小时后，其第一次释放阀的开启压力应符合表2-4规定；
i. 压力释放阀应能承受真空度不大于133Pa，持续时间为10min 的真空试验，其渗漏率应不超过1.33Pa·L/s，且其铸件不得变形和损坏；
j. 压力释放阀关闭时，向其施加表2-4规定的密封压力值的静压
时，历时2小时应不渗漏；
h. 压力释放阀的接点在表2-5规定的工作条件下，应能承受不少于1000次的通断试验，且试验后接点无烧痕和不良接触现象发生；
表2-5
i. 压力释放阀应能承受2500V，1min的工频耐压实验；
j. 压力释放阀动作500次后，测量的第一次开启压力，关闭压力应符合表2-4的要求。

密封性能符合技术要求i的要求；
k. 抗震动能力：
压力释放阀在震动频率为4Hz~20Hz，加速度为2g~4g时,压力释放阀内的电接点不应动作；
l. 压力释放阀防尘，防水密封性能，在无特别指明时一般为IP55。

五、强油风冷却器控制箱
强油风冷却器控制箱是用于控制采用强迫油循环降温方式的变压器上冷却器的一种专用自动控制箱。

它的箱体是采用优质铝合金框架及内外双重板组合式机柜。

1. 结构特点
a. 比钢板焊接构成的箱体稳定性好，刚性高，重量轻；
b. 由于箱体采用了内外双层板结构，可阻隔大量太阳辐射热能，使机柜内温度保持恒定；
c. 由于箱体内板采用的是铝合金板，使机柜的重量变轻，电磁屏蔽效果好；
d. 由于箱体外板采用的是不锈钢板，使机柜的强度增高，耐腐蚀性强；
e. 箱体具有高于Ip55 的户外防护等级。

2. 主要功能
强油风冷却器控制系统是采用可编程序控制器PLC对强油风冷却器的投切进行控制. 其具有如下控制功能；
a. 冷却器的风机,油泵是由两路独立的电源供电，两路电源互为备用；
b. 冷却器的风机和油泵的投切可分为手动或自动控制两种。

当冷却器的风机和油泵投入方式选择开关转到手动投入位置时，即刻将该台冷却器的风机和油泵投入工作；同样，当将冷却器的风机和油泵投入方式选择开关转到自动投入位置时，冷却器的风机和油泵的投入是按变压器油面温度或绕组温度及负荷自动逐台投入；
c. 当对冷却器的风机和油泵的投切采用自动控制方式时，工作冷却器和备用冷却器经一定时间自动轮换；
d. 由于强油风冷却器控制系统是采用可编程序控制器PLC来代替传统的继电器控制模式来对强油风冷却器的投切进行自动控制。

因此,大大提高了控制系统的可靠性和灵活性。

便于现场控制方式的改
变。

六、套管
1.网侧首头套管
网侧首头套管为油纸电容式套管，基本结构见下图
图2-8 网侧首头套管外形图
2. 阀侧套管
阀侧套管为环氧树脂浇注干式套管。

空气中部分为玻璃纤维壳体加硅橡胶伞套，内部充SF6气体。

图2-9 阀侧套管外形图
第三章换流变常见故障判断及处理
一、渗漏焊线的补焊
换流变在现场因焊线渗漏而需带油补焊时，将需补焊点周围清理干净，按漏点部位材质选用焊条牌号及焊接电流。

选用φ3.2mm焊条，从距漏处5mm处起弧短弧快速连续焊，焊过漏点处5mm后停弧。

严防摆动焊法，以防将渗处扩大。

当补焊处有蓝色火焰燃烧时，说明此处仍渗漏，应在此处迅速补焊，直至补焊时无油燃火焰，再用抹布擦干净补焊处观察，确认无渗油为止。

如仍有渗油时，可用刨锤尖敲击漏处，将渗点挤住，再次按上述方法进行补漏。

当油管、箱壁等因材质不好、夹层等原因产生裂纹补焊时，应首先在裂纹的周围施焊一圈，以防裂纹因焊接造成扩展，补焊规范及要求同上。

产品带油补焊时应以多次短时焊为宜，以防补焊处温度过高烧坏内部绝缘件或漆膜。

二、冷却器蝶阀更换处理
冷却器蝶阀在运行中的常见问题多为蝶阀关闭不严和蝶阀轴芯漏油。

蝶阀轴芯漏油绝大部分是因为阀体转动轴的密封出现问题，现场对其进行紧固或加垫密封垫即可解决。

蝶阀关闭不严通常油三种原因：其一，蝶阀外部的阀轴防雨罩，在安装中没有严格按照操作规范进行，使得阀轴的限位挡圈、紧固螺母等生锈，或者阀轴区域污染进入灰尘、泥沙等情况，造成阀轴转动不到位，导致蝶阀无法正常关闭；
其二，蝶阀板的密封垫断裂，因断裂的垫条影响，使得阀板无法正常关闭；其三，蝶阀制造质量存在问题，蝶阀阀板的传动轴偏差较大，使得阀板无法正常开关。

针对第一种情况，可以通过认真清理阀轴开关区域，实现蝶阀的正常开关。

对第二、三种情况，则需要对蝶阀进行更换处理。

处理的具体程序如下：
1）关闭变压器主体与问题冷却器之间的前端阀门；
2）排放变压器油至问题蝶阀位置以下；
3）使用吊车吊挂问题蝶阀的冷却器，拆卸问题蝶阀。

拆卸过程中，可能出现无法取出阀体的情况，此时需要排放冷却器整体的变压器油，松动冷却器支架、下部连通管、下部蝶阀等连接件；
4）检查蝶阀产生问题的原因，观察与其连接部位各通道是否影响阀板的正常开关，确认问题并处理；
5）清理各连接处的密封面，安装需更换的蝶阀，紧固各松动螺栓；
6）检查各密封面，确认后，缓慢开启冷却器与变压器主体上部连接的阀门。

同时，开启冷却器顶部的放气塞，待放气塞排出变压器油后关闭放气塞。

静置30分钟后，再次开启放气塞排气，关闭放气塞。

开启冷却器底部与主体连通的阀门，开启变压器各部位的放气塞排气；
7）验收及投运。

三、开关分接头接触部位接触故障处理方法
有载开关分接头接触部位的接触性故障，一般可分为接触不良性
故障和触头灼烧性故障两种。

产生接触性不良的原因是有载开关的切换开关及范围开关，在工厂对器身进行干燥时，随器身一起入炉干燥，如果在干燥过程中工艺处理不得当将造成触头表面氧化或腐蚀，从而使得在现场测试时产生值阻问题。

另外，变压器油对开关的触头也有一定的腐蚀作用。

这些都将影响开关动、静触头之间的接触。

当现场测试时发现有载开关分接头接触不良时，一般可启动开关机构，在接触不良的档位多次切换即可解决问题。

如多次切换仍然无法解决，则需要排油检查触头并对触头做相应处理。

触头灼烧性故障其产生的原因主要是开关切换时不同步，接触不良等。

接触不良性触头灼烧会使变压器油分解，通过对变压器油的色谱分析可以检查、判断。

切换不同步产生的触头灼烧性故障，将使有载开关的保护继电器动作，使变压器退出运行。

处理此类问题，变压器必须排油，对问题部位进行检测，确定产生问题的原因，根据产生问题时的工况，开关动作的情况，问题产生时响应的情况来断定故障的处理。

处理该类问题，一般均由开关的厂家负责，厂家在实际处理时，将根据问题的性质采取局部更换触头、整体更换范围开关、整体更换选择开关等措施进行处理。

四、有载开关非同期切换的调整
非同期切换的故障，在产品运行后一般不会出现，如出现该类问题，则可能出现切换拒动、切换失败、产品退出运行等状况。

安装或检修时，可能出现非同期切换的问题，具体的调整措施如下：。