特高压变压器绝缘

1、特高压变压器绝缘结构喃文强P1218135321 特高压变压器(换流变)主要结构特点目前, 1000 kV 交流变压器和 800 kV 换流变压器均已研制成功, 并成功投入运行。变压器( 换流变) 的绝缘结构为油、 纸和纸板组成的复合绝缘结构体, 需要承受交流电压、 雷电冲击电压、 操作冲击电压的作用, 特别是换流变压器还要承受直流电压和极性反转电压的作用, 要求更为苛刻, 是特高压变压器( 换流变) 的设计和制造的难点和重点 , 下面分别介绍 1000 kV 交流变压器和 800 kV 换流变压器的主要结构特点。1. 1 1000 kV 特高压交流变压器结构特点1000 kV 晋东南- 南阳

2、- 荆门特高压交流试验示范工程用特高压交流变压器单体容量达到 1000MVA, 额定电压达 1050 kV, 由主体变压器和调压变压器两部分组成, 二者之间通过管母线进行连接。主体变为单相、 油浸式、 无励磁调压自耦变压器, 采用单相五柱式铁心、 线圈 3 柱并联结构, 3 个主柱的高压绕组、 中压绕组、 低压绕组分别并联引出; 采用中性点变磁通调压方式, 外置调压补偿变压器, 简化了主体变压器的结构 1, 16 。图 1、 2 分别是特高压交流变压器外形和结构示意图。1000 kV 特高压交流变压器的出线装置是一个由油和纸绝缘、 金属电极和支撑部件组合的多介质、形状复杂的引线绝缘结构, 如图

3、 3 所示。1000kv变压器图1. 2 800 kV 特高压直流换流变压器结构特点向家坝- 上海( 简称向上) 800 kV 特高压直流输电示范工程用换流变压器最高阀侧电压 800kV( 直流) 、 网侧电压 500 kV( 交流) , 最大单台容量321 MVA, 锦屏- 苏南特高压直流输电工程高端换流变压器阀侧电压 800 kV( 直流) 、 网侧电500kV( 交流) , 最大单台容量达 363 MVA 11 -13, 15 。相比特高压交流变压器, 特高压换流变绝缘结构需要综合考虑交、 直流电场的混合作用, 设计难度更大。800 kV 换流变压器的外形尺寸由换流变压器的技术性能参数和

4、结构确定。其中, 换流变压器阀侧引线结构对运输尺寸的影响很大。换流变压器阀侧引线结构, 可以采用放置在油箱内部和独立放置在外部两种方式。这两种阀侧引线结构, 均由大直径均压管、 覆盖绝缘以及多层由瓦楞纸板与绝缘底板交替包捆的绝缘筒组成。通过合理设置绝缘筒的数量以及合适的引线安装位置, 可以在有限空间内最大限度提高引线均压管到油箱以及铁心等接地位置的绝缘强度。向上工程 800 kV 换流变压器器身为 2 柱并联结构, 其中, 阀侧高压引线处于最高电位, 位于线圈、铁心( 夹件) 和油箱壁之间, 引线区域电场分布非常复杂 1, 13, 14。同时, 引线通过升高座与套管连接, 箱壁开孔处、 套管尾

5、部、 引线与套管的连接等处电场分布更为复杂。阀侧引线装置和套管之间直接连接,两者场强分布控制必须相互配合, 给绝缘设计和加工带来极大困难。加之受到运输尺寸限制, 换流变压器内部空间有限, 结构设计和引线装置的布置难度大2 特高压变压器绝缘设计分析主绝缘设计重点是在各种试验工况下, 对各油隙及电极表面场强均按无起始局部放电场强进行严格控制, 以确保主绝缘的可靠性。纵绝缘结构研究重点是计算分析在各种试验电压下高压线圈饼间绝缘强度, 尤其是重点校核雷电冲击电压下各线圈的冲击电压特性, 确保纵绝缘结构满足耐受雷电冲击电压绝缘强度的要求特高压交流变压器出线装置电压高且集中, 需综合考虑引线到线圈、 引线

6、到铁心、 引线与引线间的绝缘距离, 以及变压器近区短路时引线结构受漏磁影响承受电动力的能力, 重点分析计算高压升高座箱壁开孔、 套管均压球、 线圈连线处油隙等敏感区域引线的电场分布, 控制各处油隙电场强度远小于起始局部放电场强, 并充分考虑和套管尾部的绝缘配合, 解决在电、 磁、 热、 力等多应力作用下确保引线结构长期安全可靠的设计难题。2. 1 特高压交流变压器绝缘设计2. 2 特高压换流变绝缘设计换流变压器阀侧绕组除承受交流电压、 雷电冲击电压和操作过电压外, 还承受直流电压、 直流与交流的复合电压和系统发生潮流反转时产生的极性反转电压的作用( 网侧绕组承受交流电压、 工频交流感应和外施试

7、验电压、 雷电冲击电压和操作过电压等多种试验) 。换流变压器网侧绕组的主、 纵绝缘结构与常规直流类似, 绝缘设计的关键在于阀侧绕组的主、 纵绝缘结构。向上特高压直流工程换流变压器与? 500 kV 直流输电工程用换流变压器相比, 雷电和操作冲击的水平提高的不多, 而交流长时外施、 直流长时和直流极性反转耐压水平有大幅度的提高。线圈排列方式为: 铁心- 调压线圈- 网侧线圈- 阀侧线圈- 油箱, 如图 9 所示。由于绕组绝缘水平的提高, 要相应增加线圈之间及端部绝缘的主绝缘距离。通过增加角环、 纸筒和纸圈的数量, 并合理地布置, 来保证绝缘结构在交流、 直流和极性反转电压作用下电场的合理分布,

8、有效地提高油、 纸绝缘结构的绝缘强度。在特高压换流变压器结缘设计过程中, 分别对阀侧线圈在长时 AC 外施试验电压、 DC带局部放电测量的耐压试验电压、 极性反转试验电压下的电场进行了反复的计算分析, 并在此基础上不断优化结构, 以保证绝缘结构在各种作用电压下都有足够的绝缘裕度。特高压换流变压器的网侧绕组首端要承受全波1550 kV 的雷电冲击电压, 网侧线圈可采用纠结连续式, 线圈首端若干段为纠结段。在网侧线圈的上下端部设置静电板, 以改善线圈端部电场分布, 提高绝缘强度。特高压换流变压器阀侧绕组首末端均要承受1800 kV 的全波雷电冲击电压, 阀侧线圈为全绝缘结构。特高压换流变压器阀侧绕

9、组电流大, 交流电压较低, 线圈的匝数较少, 阀侧线圈一般为内屏蔽连续式或螺旋式结构。内屏蔽连续式的阀侧线圈往往采用半硬自粘组合换位导线( 首末端若干个饼的导线带屏蔽线) 绕制。内屏蔽连续式的阀侧线圈采用纵向电容分区补偿结构, 具有良好的冲击电压分布,并严格控制场强分布, 确保线圈内不发生局部放电。由于作用在阀侧线圈上的交、 直电压都很高, 阀侧线圈的上下端部要设置静电板, 为有效改善线圈端部电场分布, 静电板要选择合适的曲率半径。 调压线圈为圆筒式, 采用半硬自粘换位导线绕制, 匝间和段间均无油道。各分接出头通过电缆与线圈出头原线焊接后引出, 各分接间设有 ZnO 非线性电阻元件, 来限制调

10、压线圈上的雷电冲击过电压。高端换流变压器绝缘的高要求致使绝缘件用量很大, 送端 800 kV 高端换流变压器仅线圈绝缘件质量就超过 11 t。3 特高压变压器(换流变)关键绝缘国产化特高压交流变压器所用绝缘材料是控制设备质量和工期的关键部件, 试验示范工程变压器用的绝缘材料均为魏德曼产品。特高压变压器出线装置的研制极具挑战性, 需要重点解决在装置结构复杂、 尺寸紧凑、 电压高且集中、 运行条件苛刻条件下电、 磁、热、 力等多应力共同作用下长期安全可靠的设计难题。目前, 国家电网公司组织瑞士魏德曼公司与国内各制造厂已研制成功特高压交流标准化出线装置, 正在循序渐进、 稳步推进国产化样机研制工作。

11、特高压换流变压器绝缘设计与制造的关键在于阀侧引线装置和套管的设计和制造。目前, 国产化绝缘材料, 如纸浆、 绝缘纸和纸板的质量和国外先进制造商, 如魏德曼、 ABB 之间的差距日益缩小, 但在成型绝缘件, 特别是手工异形绝缘件等方面仍存在差距。高端换流变压器阀侧引线装置的设计和制造技术难度非常高, 而且必须和套管的结构型式和设计紧密配合, 其中, 套管尾部与阀侧引线装置连接的位置电场分布异常复杂, 需要大量的计算和试验。由于阀侧套管的设计制造难度大, 国内基础较为薄弱,短期内难以研制。因此, 直接开发特高压直流高端换流变压器阀侧引线装置和套管的难度大, 风险高1000kv超高压变压器国家电网公司大力支持和推动提高特高压变压器、 换流变绝缘材料和出线装置的国产化工作, 并将组织变压器厂家、 绝缘件厂家和相关套管厂家从交流变压器、 低端换流变压器阀