作业换流变压器与电力变压器比较分析

1、换流变压器与电力变压器的比较分析课 程：高压直流输电原理与运行院 系：电气与电子工程学院 班 级： 学 号： 学生姓名： 目录前言11 换流变压器与电力变压器的功能比较11.1 电力变压器11.2 换流变压器12 换流变压器与电力变压器的结构与原理比较12.1 电力变压器12.2 换流变压器23 换流变压器与电力变压器的模型比较43.1 电力变压器43.1.1 电路模型43.1.2 互感支路模型53.1.3 磁路模型53.2 换流变压器63.2.1 数学模型63.2.2 换流变压器的高频电路模型64 换流变压器与电力变压器内部电场类型比较85 换流变压器与电力变压器在设计、制造、运行中的区别1

2、0参考文献12前言通常，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。换流变压器因其两端连接的电压性质不同而与电力变压器有很大区别。1 换流变压器与电力变压器的功能比较1.1 电力变压器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，主要作用是传输电能。1.2 换流变压器在整流站，用换流变压器将交流系统和直流系统隔离，通过

3、换流装置将交流网络的电能转换为高压直流电能，利用高压直流输电线路传输；在逆变站，通过换流装置将直流电能转换为交流电能，再通过换流变压器送到交流电网; 从而实现交流输电网络与高压直流输电网络的联络。另外，换流变压器还有下列功能: 提供相位差为 30b 的12 脉波交流电压，以降低交流侧谐波电流，特别是 5 次和 7 次谐波电流; 作为交流系统和直流系统的电气隔离，削弱侵入直流系统的交流侧过电压; 通过换流变压器的阻抗限制直流系统的短路电流进入交流系统; 通过换流变压器可以实现直流电压较大幅度的分档调节。2 换流变压器与电力变压器的结构与原理比较2.1 电力变压器1、变压器铁心：1)变压器铁心材料

4、铁心是变压器磁路的主体，变压器铁心分为铁心柱和铁轭，铁心柱上套装绕组，铁轭的作用是使磁路闭合。为减少铁心内的磁滞损耗和涡流损耗，提高铁心导磁能力，铁心采用含硅量约为5%，厚度为0.35mm或0.5mm，两面涂绝缘漆或氧化处理的硅钢片叠装而成。2)变压器铁心结构变压器铁心分为心式结构和壳式结构。(1)心式变压器：心式变压器的原、副绕组套装在铁心的两个铁心柱上，如下图所示。结构简单，电力变压器均采用心式结构。(2)壳式变压器：壳式变压器的铁心包围绕组的上下和侧面，如下图所示。制造复杂，小型干式变压器多采用。a) 心式 b)壳式图2-1 电力变压器绕组结构2、变压器绕组(线圈)：绕组是变压器的电路部

5、分，用绝缘铜线或铝线绕制而成 。绕组的作用是电流的载体，产生磁通和感应电动势。高压绕组：工作电压高的绕组；低压绕组：工作电压低的绕组。绕组有同心式和交叠式。同心式绕组：高低压绕组在同一芯柱上同芯排列，低压绕组在里，高压绕组在外，便于与铁芯绝缘，结构较简单。交叠式绕组：高低压绕组分成若干部分形似饼状的线圈，沿芯柱高度交错套装在芯柱上。 3、另外，电力变压器还有油箱、油枕、分接开关、安全气道、绝缘套管等附件。2.2 换流变压器换流变压器的结构型式主要取决于它的额定电压、容量和运行条件。变压器的绕组结构一般有层式和饼式两种结构。对于层式绕组，其特点是是线圈沿轴向一匝挨着一匝从铁芯的一端绕至另一端构成

6、了第1层；若继续往下去绕，则把铜条适当弯折，从“另一端”往回绕一“升层”从而构成第2层，其他层依次如此，整个绕组为一层叠一层的结构，这种结构适合在为高电压产品的调压线圈或低压线圈，适合匝数不是很多的线圈的变压器。对于饼式绕组，其特点是首先把铜条沿绕组的横向排列成圆饼状，而后把各个圆饼状的线饼用不同放入方式沿铁芯纵向串联起来构成不同型式的绕组。这种饼式结构适合大、中型变压器。常用的饼式绕组包括连续式绕组、纠结式绕组、螺旋式绕组、内屏蔽插入电容式绕组、壳式变压器的单饼式以及双饼式绕组，其中纠结式绕组又分为双饼纠结式绕组、多饼纠结式绕组、插花纠结式，现在运行的士80OkV换流变压器绕组采用的是轴向纠

7、结连续式绕组。如图2-2所示为换流变压器的结构采用轴向纠结连续式绕组结构，实际的换流变压器纠结绕组如图4一2所示。图2-2 轴向纠结连续式绕组结图2-3换流变压器绕组图 图2-4 单相双绕组换流变压器外形 图2-5 单相三绕组换流变压器外形3 换流变压器与电力变压器的模型比较3.1 电力变压器3.1.1 电路模型对于变压器模型，T型等效电路及其近似等效电路是最简单、最常见的模型，如图3-1所示。图3-1 电力变压器电路模型T型等效电路把漏磁作用作为漏抗压降处理，把励磁作用用励磁阻抗表示，如图3-1(a)所示。T型等效电路一般只能在稳态计算中运用，如果将励磁电抗做非线性处理，即变压器铁芯的B-H

8、曲线，那么在T型等效电路中将漏抗变为可调电抗也可以仿真励磁涌流，如图3-1(b)所示。T型等效电路属于复联电路计算比较繁复。T型等效电路的励磁阻抗很大而励磁电流很小，为了适用工程计算需要可以进一步近似和简化，如图3-1(c)、(d)所示。图3-1(c)、(d)这类简化的模型若考虑了变压器或传输线的电容效应，故可以用来对变压器的高频响应进行分析。3.1.2 互感支路模型变压器亦可以磁路为线性，用具有自感和互感的藕合电路来表示，如图3-2(a)所不。图3-2 变压器互感支路模型在20世纪50年代这种变压器互感支路模型就被提出来了，这种分布参数模型考虑了绕组各部分间甚至匝间的自感和互感，后又经过多次

9、改进可得到较为准确的数值。自感和互感减去一组相当于变压器的漏感的自互感值，如图3-2(b)所示，图3-2(b)中的各个电气量都用的不是归算值而是实际值。所以，一般情况下这类互感支路模型没有考虑铁芯的非线性及铁芯的损耗，存在一定局限性。3.1.3 磁路模型变压器是完成电磁转换的设备，通过磁路连接一次侧和二次侧，所以利用磁路可以更方便地描述变压器铁芯的持性。单相变压器磁路如图3-3(a)所示，磁路等值回路如图3-3(b)所示。图3-3 变压器磁路模型这种变压器磁路模型一般用集中参数的磁路描述变压器铁芯的特性，然后可根据电磁关系将磁路模型转换为用自感和互感表示的电路参数进行计算。对于三相三柱和三相五

10、柱变压器，就可以用这一方法建立变压器模型。利用磁路模型可以较为准确的对变压器磁特性的进行计算，尤其是可以方便、精确的描述变压器铁芯的非线性特性。3.2 换流变压器3.2.1 数学模型设换流变压器有k个绕组，各绕组的电流向量分别为i1，i2，、，ik，匝数为N1，N2，、，Nk，对于诸电回路有:V=Ri+Ldi/dt+cdm/dt (3-1)F=C1Ti (3-2)式中V，C1由各绕组匝数和变压器接线方式决定。V=Ri+Ldi/dt+ CP C1Tdi/dt (3-3)V=Ri+Lsdi/dt (3-4)式中，Ls=L+CP C1T。3.2.2 换流变压器的高频电路模型对于变压器，在工频电压作用

11、下它的等值电路非常简单，只包括线圈的集中电感和电阻、线圈的线匝间电容和线圈对地部分间电容值很小，可以忽略不计;而在高频电压作用下，换流变压器的等值电路将变得非常复杂，它的模型为一系列的电容、电感链，必须考虑变压器中诸如:线圈之间、段间、匝间等各元件间的藕合电容，耦合电感一其与换流变压器的线圈的结构形式、绝缘结构、绕制、厚度、布置方式等因素有着直接的联系。只有考虑这些因素计算出的换流变压器参数并利用这些参数建立的换流变压器高频电路模型才具有高频特性。如上所述，变压器线圈的高频模型就是一个由一系列电容和电感交链在一起的等值电路模型。下面将介绍四种国内外专家在做大量研究工作基础上总结出的(换流)变压

12、器高频模型:1、基于匝间集合参数模型和匝对匝的集中参数模型在传统的集中参数模型的基础上，日本学者 Yoshikazushibuya等提出将电容和电感参数以每匝为单元进行计算，而传统的集中参数模型是以两段为一单元，即将集中参数分布化。以匝为单元用计算机进行数值计算的方法必将增加计算时间，故将匝间的参数进行合并形成一支路以减少了网络的支路数，这样就大大节省了计算机的计算时间。具体做法如下:将每匝间的L和c进行迭加得到支路中的L和C。用一个N维(N为总匝数)的电感矩阵L来表示所有匝数的自感和互感，这个矩阵考虑了铁芯和其它线圈中的涡流影响。所有的匝间电容、匝地电容、静电环对地电容等电容构成了电容矩阵C

13、，该矩阵为为N+2维。日本学者 Yoshikazu Shibuya等基于传统的集中参数模型，提出的匝间集合模型，以单匝为基础进行参数计算，其结果非常准确，但为了减少计算时间，并没有考虑实际的变压器绕组线圈，它们都是多导线并联绕制线圈，而且多采用纠结式结构，电容和电感值随着单匝间的并联导线的几何位置的不同而不同。2、单根传输线模型和多导线传输线模型相结合的混合模型IEEE资深成员 Marjan Popov、Lou van der Sluis等提出MTLM和STLM相结合的混合模型，如图3-4所示。图3-4 线圈的段数分布及其等值电路图3-4中的模型的建立步骤如下:第一步，通过一定边界条件和改进的

14、连续快速傅里叶变换法(FFT法)求出每一段线圈首端的电流和电压;第二步，将在SLTM法得到的段电压和电流为已知条件，对每一段线圈应用MLTM模型，从而得到匝间的电压和电流分布。这种多导体传输线模型和单根传输线模型相结合的混合模型，对于单匝模型方程较多，计算机运算时间较长的问题以得到克服，对于壳式变压器薄饼式线圈进行分析时，并没有根据实际的变压器电气参数进行分析，也没有考虑段间的互感。所以，这种模型对于其它形式的变压器和线圈绕组可用性并不适用。3、段间详尽模型叠加m个段内的黑匣子模型的混合线圈模型为了减少节点方程的个数、矩阵大小以减少计算时间和使模型更具有实用性，伊朗的 GB.Gharehpet

15、ain和德国的K.Mner等学者提出了段间详尽模型叠加m个段内的黑匣子模型的混合线圈模型的。该模型基本的思想是:由于一个变压器的线圈结构不会完全相同，故其电容和电感参数也不一样，可将线圈分为m个部分。首先是应用以两段线圈为一基本单元的集中线性模型，即线圈线圈详细模型(Coil-by-Coil Detailed Model)，但是这种模型的电容、电感、电抗等参数是通过频域测量得到，解决此问题一般采用绕组绕组模型(Tum-to-Turn Model)，但采用这种方法时会增加节点数从而增加高维网络方程增加计算时间。本模型中，在线圈端部增加inter coil Black Box Model，其参数也

16、是通过频域测量得到，模型中以两段线圈为基本单元，由于两段内部的暂态特性可以通过阻抗参数反映，所示阻抗函数中的两个最重要的极点可以用两条RLC并联电路串联在一起来表示。伊朗科学家GB.Gharehpetain等提出上述模型，很好地解决了单根传输线模型和多导线传输线模型相结合的混合模型中同一线圈中采用不同结构型式，如纠结和连续饼式的问题，但是黑匣子模型与段间模型没有电磁上的并不存在联系。4、互耦的分布参数电路和集中参数组成的混合电路模型。通过电路分析可知，集中参数模型并不适合快速暂态过电压过程的分析必须依靠分布参数模型。应用变压器多传输线模型，在快速暂态下可以清晰地反应变压器线圈中的波过程。但线圈

17、中线匝换位时会造成电磁边界不连续，一根传输线就要求是每一匝线圈，由于变压器有几百匝线圈，那么变压器线圈方程规模会很大，这将大大加大求解的难度和技术数值计算的时间。为了减少计算量和兼顾线圈的电磁场系统的完整性，清华大学王赞基提出集中参数电路和互有藕合的分布参数电路组成的混合电路模型。这种模型包括四部分:一是在集中电路和分布电路中引入了的等效电压源;二是集中参数电路的节点电压方程;三是边界条件;四是在单位长度电压源之后添加了的多传输线方程。清华大学王赞基教授提出了变压器高频混合参数模型，较好地解决了匝间振荡的问题，这种模型对纠结式线圈很难实现而特高压换流变压器的绕组采用的是纠结式绕组，而且模型中的

18、电压源的计算不是很准确，故这种模型并不适合特高压换流变压器的内部故障分析。上述分析可知，上述四种变压器各自具有优缺点，对于本文的特高压换流变压器，其结构采用轴向连续纠结式绕组，故应在上述四种模型基础上建立一种新型的换流变压器高频参数模型。4 换流变压器与电力变压器内部电场类型比较由于工况的特殊性，换流变压器阀侧绕组所承受的电压与普通电力变压器有很大差别：除承受交流电压、雷电冲击和操作过电压外，还承受直流、直流叠加交流和极性反转电压作用。在交流电压作用下，油纸复合绝缘结构的电场分布取决于介电常数e，呈容性分布；而在直流电压作用下，油纸复合绝缘结构的电场分布取决于材料的电阻率lD，呈阻性分布，这是

19、换流变压器和电力变压器电场分布特性的根本区别。交流电压作用下，材料的介电常数不随温度、场强等因素而变化，此时电场分布呈线性；直流电压作用下，材料的电阻率随温度、场强等因素的变化而变化11|，其变化幅值可达到3个数量级，而且油浸纸的层叠结构导致电阻率在顺纸面方向和垂直纸面方向有明显的不同，所以直流电场的分布呈非线性。在直流电场作用下，电场大部分集中在固体绝缘中，在没有发生击穿情况下，局部放电不会在固体绝缘表面留下电损伤痕迹。而在交流电场的作用下，由于油的介电常数较低，油承担着较大的电场应力，局部放电易在固体绝缘纤维孔隙的油中发生，造成固体绝缘内部或表面不可恢复的电损伤，随着电场作用时间的延长，这

20、种损伤不断扩大，以至于引起绝缘损坏；如果局部放电发生在较大的油隙中，由油中的杂质或气泡产生，随着油的流动、杂质的烧融、气泡的消失，油的绝缘特性是可以恢复的，局放电量将趋于稳定。在直流电场作用下，由于不同介质问的电阻率相差较大(oil：pa=1：101：300)，所以电阻率较小的油中流过的离子电流要大于纸板中流过的离子电流，这就造成了油纸界面的电荷积累，形成界面空间电荷。随着空间电荷的积累，油中场强逐渐减小，纸中场强逐渐增大，从而两种材料中的离子电流趋于接近。经过一段时间后，两种材料中的离子电流相等，达到稳态。此时，空间电荷电场以及容性分布电场叠加形成阻性分布电场，即E=Eq十Eg (4-1)式

21、中，E、Eq、Eg分别为阻性分布电场、空间电荷电场及容性分布电场在场域中某点形成的场强。当激励电压极性反转时(+DC-DC)，因空间电荷的放电时间(一般为几十min甚至更长)远远大于反转时间(十几ms)，所以可认为在反转瞬间空间电荷的分布保持不变，因此空间电荷电场依然存在。而一DC施加的瞬问呈容性分布，于是得Epr=Eq-Eg (4-2)式中，Epr为极性反转电场在场域中某点的场强。故Epr=Ep-2Eg (4-3)即在反转瞬间，极性反转电场是由反转前阻性分布电场(+DC)与反转后容性分布的2倍负极性激励电场(-2DC)合成的叠加电场。在反转瞬间，空间电荷电场在油中与外加电场相互加强，而在纸中

22、则与外加电场相互削弱(与直流稳态时相反)，这导致油中场强骤然变大n引。此外，空间电荷的存在，将吸引油中的杂质，使之聚集在固体绝缘表面，形成连续或不连续的放电通道。因此，换流变压器的绝缘故障往往发生在极性反转时。图4-1 油纸绝缘结构模型图4-2 外施电压变化图5 换流变压器与电力变压器在设计、制造、运行中的区别换流变压器阀侧绕组所承受的电压为交流电压叠加交流电流和极性反转电压，并且两侧绕组中均有一系列谐波电流，换流变压器和普通交流系统变压器在设计、制造和运行中具有一定区别：1、短路阻抗为了限制当阀臂及直流母线短路时的故障电流以免损坏换流阀的晶闸管元件，换流变压器应有足够大的短路阻抗。但短路阻抗

23、也不能太大，否则会使运行中的无功损耗增加，需要增加额外的无功补偿装置，并导致换相压降过大。2、绝缘换流变压器阀侧绕组同时要承受交流电压和直流电压产生的应力。另外，直流全压起动以及极性反转时，都会造成换流变压器的绝缘结构远比普通的交流变压器复杂。3、谐波电流换流变压器在运行中有特征谐波电流和非特征谐波电流流过。变压器漏磁的谐波分量会使变压器的杂散损耗增大，有时还可能会使某些金属部件和油箱产生局部过热现象。数值较大谐波磁通所引起的磁致伸缩噪音，一般处于听觉较为灵敏的频带，必要时要采取更有效的隔音措施。4、有载调压为补偿换流变压器网侧电压的变化以及触发角运行在适当的范围内以保证运行的安全性和经济性，要求有载调压分接开关的调压范围较大，特别是可能采用直流降压模式时，要求的调压范围往往到达20%一30%。5、直流分量由于换流阀的轮流导通，换流变压器阀侧绕组对地电位含有直流分量，这就要求换流变压器的绝缘结构远比普通电力变压器复杂。在运行中，由于换流变压器阀侧绕组不仅受到交流电压而且受到直流电压的作用，此外，直流电压的极性还应根据需要进行反转，因此，阀侧绕组内部绝缘中的电位分布和场强与普通电力变压器不同，要采用全绝缘。换流变压器和普通电力变压器的内绝缘都采用变压器油和绝缘纸板的复合结构，但两者的绝缘纸板与变压器油的比例不同