换流变压器与电力变压器的比较分析

换流变压器与电力变压器的比较分析

【摘要】换流变压器是将电能从交流系统传输给一个或多个换流桥，或者相反传输的变压器。采用换流变压器实现换流桥与交流母线的连接，并为换流桥提供一个中性点不接地的三相换相电压。换流变压器与换流桥是构成换流单元的主体。电力变压器是通过电磁感应将一个系统的交流电压和电流转换为另一个系统的电压和电流的电力设备。由铁心和套于其上的两个或多个绕组组成。

【关键词】换流变压器电力变压器高压直流输电HVDC

1．定义比较

换流变压器(Converter Transformer)是一种将电能从交流系统传输给一个或多个换流桥，或者相反传输的变压器，它的位置通常在换流桥与交流系统之间。采用换流变压器实现换流桥与交流母线的连接，并为换流桥提供一个中性点不接地的三相换相电压。换流变压器与换流桥是构成换流单元的主体。

电力变压器（power transformer）是一种静止的电气设备，是用来将某电力变压器是一种静止的电气设备，是用来将某一数值的交流电压（电流）变成频率相同的另一种或几种数值不同的电压（电流）的设备。

换流变压器电力变压器

2.结构比较

换流变压器的结构包括：硅钢片，绕组，绝缘材料，套管及升高座，有

载调压开关，冷却器，继电器，压力释放阀，表计等。

电力变压器的结构主要有：硅钢片，绕组，绝缘材料，冷却系统，套管，

油枕，油位计，分接头，分接头开关，吸潮器，防爆管，信号温度，瓦斯继

电器等。

从整体结构看，二者没有本质的区别，但是在具体器件的结构上，由于所适用场合不同，电磁情况不同，其设计必须符合具体的要求，故在各个器件的具体结构上存在很多差别，如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，而在电力变压器中仅分为抵压绕组和高压绕组。换流变压器中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。

3.作用比较

换流变压器在直流输电系统中的作用有：1、传送电力；2、把交流

系统电压变换到换流器所需的换相电压；3、利用变压器绕组的不同接

法，为串接的两个换流器提供两组幅值相等、相位相差30°(基波电角

度)的三相对称的换相电压以实现十二脉动换流；4、将直流部分与交流

系统相互绝缘隔离，以免交流系统中性点接地和直流部分中性点接地造

成直接短接，使得换相无法进行；5、换流变压器的漏抗可起到限制故

障电流的作用；6、对沿着交流线路侵入到换流站的雷电冲击过电压波

起缓冲抑制的作用。电力变压器的的作用主要在于升、降输配电系统中

的电压。

4.工作原理比较

换流变压器主要是通过绕组相位差的设计来实现换流桥与交流母线的连接，并为换

流桥提供一个中性点不接地的三相换相电压。普通电力变压器主要是通过不同的绕组匝

数来实现电压大小的转换。

5.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：

5.1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

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。

5.2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。

5.3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。

5.4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

电极电极

变压器油纸③

②

① 2U

U -U