特高壓變壓器絕緣

1、特高壓變壓器絕緣結(jié)構(gòu)喃文強(qiáng)P1218135321 特高壓變壓器(換流變)主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)目前, 1000 kV 交流變壓器和 800 kV 換流變壓器均已研制成功, 并成功投入運(yùn)行。變壓器( 換流變) 的絕緣結(jié)構(gòu)為油、 紙和紙板組成的復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)體, 需要承受交流電壓、 雷電沖擊電壓、 操作沖擊電壓的作用, 特別是換流變壓器還要承受直流電壓和極性反轉(zhuǎn)電壓的作用, 要求更為苛刻, 是特高壓變壓器( 換流變) 的設(shè)計(jì)和制造的難點(diǎn)和重點(diǎn) , 下面分別介紹 1000 kV 交流變壓器和 800 kV 換流變壓器的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。1. 1 1000 kV 特高壓交流變壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1000 kV 晉東南- 南陽

2、- 荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程用特高壓交流變壓器單體容量達(dá)到 1000MVA, 額定電壓達(dá) 1050 kV, 由主體變壓器和調(diào)壓變壓器兩部分組成, 二者之間通過管母線進(jìn)行連接。主體變?yōu)閱蜗唷?油浸式、 無勵(lì)磁調(diào)壓自耦變壓器, 采用單相五柱式鐵心、 線圈 3 柱并聯(lián)結(jié)構(gòu), 3 個(gè)主柱的高壓繞組、 中壓繞組、 低壓繞組分別并聯(lián)引出; 采用中性點(diǎn)變磁通調(diào)壓方式, 外置調(diào)壓補(bǔ)償變壓器, 簡化了主體變壓器的結(jié)構(gòu) 1, 16 。圖 1、 2 分別是特高壓交流變壓器外形和結(jié)構(gòu)示意圖。1000 kV 特高壓交流變壓器的出線裝置是一個(gè)由油和紙絕緣、 金屬電極和支撐部件組合的多介質(zhì)、形狀復(fù)雜的引線絕緣結(jié)構(gòu), 如圖

3、 3 所示。1000kv變壓器圖1. 2 800 kV 特高壓直流換流變壓器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)向家壩- 上海( 簡稱向上) 800 kV 特高壓直流輸電示范工程用換流變壓器最高閥側(cè)電壓 800kV( 直流) 、 網(wǎng)側(cè)電壓 500 kV( 交流) , 最大單臺(tái)容量321 MVA, 錦屏- 蘇南特高壓直流輸電工程高端換流變壓器閥側(cè)電壓 800 kV( 直流) 、 網(wǎng)側(cè)電500kV( 交流) , 最大單臺(tái)容量達(dá) 363 MVA 11 -13, 15 。相比特高壓交流變壓器, 特高壓換流變絕緣結(jié)構(gòu)需要綜合考慮交、 直流電場(chǎng)的混合作用, 設(shè)計(jì)難度更大。800 kV 換流變壓器的外形尺寸由換流變壓器的技術(shù)性能參數(shù)和

4、結(jié)構(gòu)確定。其中, 換流變壓器閥側(cè)引線結(jié)構(gòu)對(duì)運(yùn)輸尺寸的影響很大。換流變壓器閥側(cè)引線結(jié)構(gòu), 可以采用放置在油箱內(nèi)部和獨(dú)立放置在外部兩種方式。這兩種閥側(cè)引線結(jié)構(gòu), 均由大直徑均壓管、 覆蓋絕緣以及多層由瓦楞紙板與絕緣底板交替包捆的絕緣筒組成。通過合理設(shè)置絕緣筒的數(shù)量以及合適的引線安裝位置, 可以在有限空間內(nèi)最大限度提高引線均壓管到油箱以及鐵心等接地位置的絕緣強(qiáng)度。向上工程 800 kV 換流變壓器器身為 2 柱并聯(lián)結(jié)構(gòu), 其中, 閥側(cè)高壓引線處于最高電位, 位于線圈、鐵心( 夾件) 和油箱壁之間, 引線區(qū)域電場(chǎng)分布非常復(fù)雜 1, 13, 14。同時(shí), 引線通過升高座與套管連接, 箱壁開孔處、 套管尾

5、部、 引線與套管的連接等處電場(chǎng)分布更為復(fù)雜。閥側(cè)引線裝置和套管之間直接連接,兩者場(chǎng)強(qiáng)分布控制必須相互配合, 給絕緣設(shè)計(jì)和加工帶來極大困難。加之受到運(yùn)輸尺寸限制, 換流變壓器內(nèi)部空間有限, 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和引線裝置的布置難度大2 特高壓變壓器絕緣設(shè)計(jì)分析主絕緣設(shè)計(jì)重點(diǎn)是在各種試驗(yàn)工況下, 對(duì)各油隙及電極表面場(chǎng)強(qiáng)均按無起始局部放電場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行嚴(yán)格控制, 以確保主絕緣的可靠性?？v絕緣結(jié)構(gòu)研究重點(diǎn)是計(jì)算分析在各種試驗(yàn)電壓下高壓線圈餅間絕緣強(qiáng)度, 尤其是重點(diǎn)校核雷電沖擊電壓下各線圈的沖擊電壓特性, 確?？v絕緣結(jié)構(gòu)滿足耐受雷電沖擊電壓絕緣強(qiáng)度的要求特高壓交流變壓器出線裝置電壓高且集中, 需綜合考慮引線到線圈、 引線

6、到鐵心、 引線與引線間的絕緣距離, 以及變壓器近區(qū)短路時(shí)引線結(jié)構(gòu)受漏磁影響承受電動(dòng)力的能力, 重點(diǎn)分析計(jì)算高壓升高座箱壁開孔、 套管均壓球、 線圈連線處油隙等敏感區(qū)域引線的電場(chǎng)分布, 控制各處油隙電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于起始局部放電場(chǎng)強(qiáng), 并充分考慮和套管尾部的絕緣配合, 解決在電、 磁、 熱、 力等多應(yīng)力作用下確保引線結(jié)構(gòu)長期安全可靠的設(shè)計(jì)難題。2. 1 特高壓交流變壓器絕緣設(shè)計(jì)2. 2 特高壓換流變絕緣設(shè)計(jì)換流變壓器閥側(cè)繞組除承受交流電壓、 雷電沖擊電壓和操作過電壓外, 還承受直流電壓、 直流與交流的復(fù)合電壓和系統(tǒng)發(fā)生潮流反轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的極性反轉(zhuǎn)電壓的作用( 網(wǎng)側(cè)繞組承受交流電壓、 工頻交流感應(yīng)和外施試

7、驗(yàn)電壓、 雷電沖擊電壓和操作過電壓等多種試驗(yàn)) 。換流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組的主、 縱絕緣結(jié)構(gòu)與常規(guī)直流類似, 絕緣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于閥側(cè)繞組的主、 縱絕緣結(jié)構(gòu)。向上特高壓直流工程換流變壓器與? 500 kV 直流輸電工程用換流變壓器相比, 雷電和操作沖擊的水平提高的不多, 而交流長時(shí)外施、 直流長時(shí)和直流極性反轉(zhuǎn)耐壓水平有大幅度的提高。線圈排列方式為: 鐵心- 調(diào)壓線圈- 網(wǎng)側(cè)線圈- 閥側(cè)線圈- 油箱, 如圖 9 所示。由于繞組絕緣水平的提高, 要相應(yīng)增加線圈之間及端部絕緣的主絕緣距離。通過增加角環(huán)、 紙筒和紙圈的數(shù)量, 并合理地布置, 來保證絕緣結(jié)構(gòu)在交流、 直流和極性反轉(zhuǎn)電壓作用下電場(chǎng)的合理分布,

8、有效地提高油、 紙絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣強(qiáng)度。在特高壓換流變壓器結(jié)緣設(shè)計(jì)過程中, 分別對(duì)閥側(cè)線圈在長時(shí) AC 外施試驗(yàn)電壓、 DC帶局部放電測(cè)量的耐壓試驗(yàn)電壓、 極性反轉(zhuǎn)試驗(yàn)電壓下的電場(chǎng)進(jìn)行了反復(fù)的計(jì)算分析, 并在此基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu), 以保證絕緣結(jié)構(gòu)在各種作用電壓下都有足夠的絕緣裕度。特高壓換流變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組首端要承受全波1550 kV 的雷電沖擊電壓, 網(wǎng)側(cè)線圈可采用糾結(jié)連續(xù)式, 線圈首端若干段為糾結(jié)段。在網(wǎng)側(cè)線圈的上下端部設(shè)置靜電板, 以改善線圈端部電場(chǎng)分布, 提高絕緣強(qiáng)度。特高壓換流變壓器閥側(cè)繞組首末端均要承受1800 kV 的全波雷電沖擊電壓, 閥側(cè)線圈為全絕緣結(jié)構(gòu)。特高壓換流變壓器閥側(cè)繞

9、組電流大, 交流電壓較低, 線圈的匝數(shù)較少, 閥側(cè)線圈一般為內(nèi)屏蔽連續(xù)式或螺旋式結(jié)構(gòu)。內(nèi)屏蔽連續(xù)式的閥側(cè)線圈往往采用半硬自粘組合換位導(dǎo)線( 首末端若干個(gè)餅的導(dǎo)線帶屏蔽線) 繞制。內(nèi)屏蔽連續(xù)式的閥側(cè)線圈采用縱向電容分區(qū)補(bǔ)償結(jié)構(gòu), 具有良好的沖擊電壓分布,并嚴(yán)格控制場(chǎng)強(qiáng)分布, 確保線圈內(nèi)不發(fā)生局部放電。由于作用在閥側(cè)線圈上的交、 直電壓都很高, 閥側(cè)線圈的上下端部要設(shè)置靜電板, 為有效改善線圈端部電場(chǎng)分布, 靜電板要選擇合適的曲率半徑。 調(diào)壓線圈為圓筒式, 采用半硬自粘換位導(dǎo)線繞制, 匝間和段間均無油道。各分接出頭通過電纜與線圈出頭原線焊接后引出, 各分接間設(shè)有 ZnO 非線性電阻元件, 來限制調(diào)

10、壓線圈上的雷電沖擊過電壓。高端換流變壓器絕緣的高要求致使絕緣件用量很大, 送端 800 kV 高端換流變壓器僅線圈絕緣件質(zhì)量就超過 11 t。3 特高壓變壓器(換流變)關(guān)鍵絕緣國產(chǎn)化特高壓交流變壓器所用絕緣材料是控制設(shè)備質(zhì)量和工期的關(guān)鍵部件, 試驗(yàn)示范工程變壓器用的絕緣材料均為魏德曼產(chǎn)品。特高壓變壓器出線裝置的研制極具挑戰(zhàn)性, 需要重點(diǎn)解決在裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 尺寸緊湊、 電壓高且集中、 運(yùn)行條件苛刻條件下電、 磁、熱、 力等多應(yīng)力共同作用下長期安全可靠的設(shè)計(jì)難題。目前, 國家電網(wǎng)公司組織瑞士魏德曼公司與國內(nèi)各制造廠已研制成功特高壓交流標(biāo)準(zhǔn)化出線裝置, 正在循序漸進(jìn)、 穩(wěn)步推進(jìn)國產(chǎn)化樣機(jī)研制工作。

11、特高壓換流變壓器絕緣設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵在于閥側(cè)引線裝置和套管的設(shè)計(jì)和制造。目前, 國產(chǎn)化絕緣材料, 如紙漿、 絕緣紙和紙板的質(zhì)量和國外先進(jìn)制造商, 如魏德曼、 ABB 之間的差距日益縮小, 但在成型絕緣件, 特別是手工異形絕緣件等方面仍存在差距。高端換流變壓器閥側(cè)引線裝置的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)難度非常高, 而且必須和套管的結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計(jì)緊密配合, 其中, 套管尾部與閥側(cè)引線裝置連接的位置電場(chǎng)分布異常復(fù)雜, 需要大量的計(jì)算和試驗(yàn)。由于閥側(cè)套管的設(shè)計(jì)制造難度大, 國內(nèi)基礎(chǔ)較為薄弱,短期內(nèi)難以研制。因此, 直接開發(fā)特高壓直流高端換流變壓器閥側(cè)引線裝置和套管的難度大, 風(fēng)險(xiǎn)高1000kv超高壓變壓器國家電網(wǎng)公司大力支持和推動(dòng)提高特高壓變壓器、 換流變絕緣材料和出線裝置的國產(chǎn)化工作, 并將組織變壓器廠家、 絕緣件廠家和相關(guān)套管廠家從交流變壓器、 低端換流變壓器閥