HVDC換流變壓器技術及現場維修情況

摘要：介紹了高壓直流輸電(HVDC)變壓器及平波電抗器的磁芯設計、高壓直流繞組設計、導線引出端（換流閥繞組）、直流套管設計方案，舉例說明了高壓換流變壓器的制造過程與傳統變壓器制造過程的不同。并通過高壓換流變壓器試驗，說明如材料、環境等條件對直流工作的影響。最后介紹了一些高壓換流變壓器的現場維修經驗。
　　關鍵詞：直流套管；高壓直流；試驗；變壓器；換流閥繞組；現場維修
　　約40年前，第一套高壓直流輸電(HVDC)系統投入商業運行。在當時以及20世紀70年代后期，隨著對直流電壓需求的增加，人們對變壓器設計的研究逐漸增多。在累積了數十年使用與設計經驗后的今天，設計者可利用計算機程序處理直流電、直流極性反接以及傳統電壓波形，提高設計的精確程度。
　　
　　盡管有所改進，但在高壓直流換流變壓器與傳統交流變壓器之間仍然存在根本差異：①對地絕緣以及交流電與換流閥繞組之間的絕緣設計必須考慮交流應力與直流應力的組合；②換流閥繞組，尤其是匝數相對較少的Y型接線換流閥繞組的試驗電壓應由直流側的保護級別確定，與交流額定電壓無關；電流諧波會導致多個部件的損耗；③直流電流影響鐵心的正常工作。
　　 下面是有關設計、制造以及試驗的一些特征。
　　
1磁芯設計
　　
大容量高壓直流換流變壓器通常為單相變壓器。根據額定電壓與輸送限制要求不同，每個電磁鐵心的功率通常在200MVA以內。磁芯由2個彎曲的鐵心組成，鐵心為2個完全相同的并聯換流閥繞組，或者是一個采用角形接線，另一個采用Y型接線。磁芯通常為粒狀定向硅鋼。表面經過處理的鋼鐵(用激光劃痕或等離子雕刻)主要用于保持低空載損耗。
　　 高壓直流換流變壓器的鐵心堆疊方式與交流變壓器相同。當今技術發展水平為階梯接縫堆疊方式，如圖1所示。
　　 鐵心的冷卻過程還需更多關注。由于整流器站、變流器站的不對稱性以及剩余直流電流穿越繞組的控制技術限制，并不能始終做到防止鐵心飽和。幾安培的直流電流可增加20％左右的空載損耗，增大約22dB的噪聲。
　　
　　圖2是相對于交流空載電流而言典型鐵心感應系數為1.7T、直流電流變化時空載損耗增加的百分比。在小直流電流非線性增加之后（這里IDC/IAC≈3），隨著直流電流增加，空載損耗呈線性增長。圖3給出了相對于圖2的噪聲水平增加情況，可以看出曲線具有飽和特性，此外，已經存在的小直流電流會導致顯著的噪聲增加。
　　

　　圖1階梯接縫堆疊
　　 　　
　　
圖2小直流電流空載損耗增加
　　
　　
圖3小直流電流情況下的噪聲級別增長情況
　　 微小的電壓諧波會導致額外的損耗，對換流變壓器也是如此。由該現象導致的空載損耗低于2%。
　　2高壓直流繞組設計
　　高壓換流變壓器的交流繞組與傳統變壓器繞組之間沒有差異，設計時都要考慮承受交流電力網的應力。由于要考慮所有直流相關應力，交流繞組與閥繞組之間的絕緣是不同的。
　　
　　換流閥繞組，尤其是整流器/變流器高壓端的繞組很特殊。該繞組通常采用Y型接線，需要特別仔細。500kV直流系統換流閥繞組的交流額定電壓在
　　200kV范圍內。該繞組的試驗電壓與直流500kV的保護級別有關，該試驗電壓較交流200kV試驗電壓有明顯增高。換流閥繞組的脈沖試驗需使每個接線端對地（此時另一端接地），或者連接引線對地（電壓脈沖試驗）。電壓脈沖試驗使用的繞組內側電壓分布完全不同于接線端子對地的應力。
　　 此外，換流閥繞組諧波電流會產生附加的損耗。因此，需仔細選擇銅制導線，當首選連續換位導線(CTC)。
　　

圖4連續換位導線(CTC)與特殊繞組引入端
　　 耐受雷電沖擊高電壓應力繞組的典型解決方案是采用交錯繞組。這種繞組焊接次數多，而且，使用扁平導線往往會產生相對高的附加損耗。較好的解決方案是使用連續換位導線(CTC)，并采用特殊繞組引入端或使用屏蔽繞組，如圖4所示。2種解決方案繞組的主要部分焊接點很少或沒有，且制造時間非常短，造成的額外損耗可降低到最校由于高壓換流變壓器的阻抗電壓非常小，還需特別注意所有繞組的公差，繞組長度與直徑方向制造和處理公差應在-2～0mm以內。
　　
3導線引出端（換流閥繞組）
　　
繞組接線端一定要連接到套管上。根據變壓器種類以及其朝向換流閥車間的位置不同，有幾種不同設計方案：①
　　４個換流閥套管排布在箱體的縱長側；②４個換流閥套管排布在箱體的前側；③2個換流閥套管排布在箱體的前側。
　　 對于設計者而言，導線引出端的幾何形狀總是不同的。銅管的絕緣是由變壓器紙板采用柵欄設計方案構成的。
　　 導線的繞組端部一定要與繞組端部的柵欄相匹配，導線的套管端部一定要與直流高壓套管的變壓器油相匹配。變壓器紙板柵欄的布置與厚度設計必須符合交流電壓、雷電沖擊、操作沖擊以及直流電壓與極性翻轉。
　　 由于直流電壓分布由材料的電阻率決定，而交流電、雷電沖擊以及操作沖擊是由電容決定的，因此需進行優化計算以滿足所有需求。與此同時，材料的電阻率取決于磁場強度與溫度，但不同材料表現不同。
　　4直流套管
　　對直流套管的要求如下：①滿足IEC62199標準的所有要求；②在換流閥車間內套管部分沒有注油；③空氣側爬距極高，尤其是對戶外套管而言。
　　 設計內容包括：①樹脂注入型冷凝器套管鐵心；②注入玻璃纖維的塑料套管外殼；③管路充滿SF6；④管路涂層使用硅膜。
　　 這種套管長度可高達9.5m。爬距長度可達24m左右。
　　
5高壓換流變壓器試驗
　　高壓換流變壓器的工廠試驗是依客戶技術規范要求而定的。技術規范則基于IEC61378-2與（或）IEEEC57.129標準，并且可以包括客戶專家的額外要求。試驗現場應配備合適的交流與脈沖發電機，配備可以在60s內改變極性的直流電源。為了能夠測量局部放電，試驗現場應適當屏蔽。
　　 工廠試驗相當耗時，可根據需要簡化環節,如耐熱試驗、12h空載試驗、靜電充電測量等。
　　 此外，還需確定諧波引起的損耗。上述標準允許使用不同方法來確定諧波損耗。在不同的變壓器上進行這些方法的對比實驗顯示，根據IEEE建議采用單頻電阻的測量可以獲得比IEC
　　提出的雙頻方法精度更高的結果。使用數字阻抗分析儀進行測量時，測量諧波系數的總時間可以縮減1～2ｈ。
　　
6材料影響
　　高壓換流變壓器所使用的材料與普通變壓器相同，但其材料的特性較普通交流變壓器更強，尤其是絕緣材料的電導率。隨著技術發展，市場上出現了新材料。而且由于新的需求，材料性能也必須改變。
　　 換流閥套管底部電極的設計需要特別注意，必須要準確了解絕緣油壓板及下套管端部樹脂紙板復合物的材料性能。為此，西門子與德國的大學及主要部件供應商一起對各種材料性能進行了調查［1］。圖8給出了幾種固體材料的單位電導率，這些數據是在室溫環境以及不同磁場強度下測量獲得的。
　　
A—紙；B—粘合紙；C—皺紋紙；D—壓板TIII；E—壓板TIV下標1—E=1kV/mm時；下標10
　　-E=10kV/mm時
　　圖8固體材料單位電導率
　　7制造特性
　　高壓換流變壓器的制造工廠應滿足一些必要條件：車間地板的高清潔性；能夠處理精細公差的現代繞線機；現代鐵心切割機（毛刺小，防塵）；現代氣相與真空裝置；合適的絕緣油處理設備；防塵裝卸機械；防塵供水箱；優秀的材料供應商與材料防塵存放；優質設備維護
　　；熟練的勞動力，能在制造全過程處理精細公差。這些也是對所有超高壓（EHV）變壓器生產的通用要求，但上述部分條款對高壓換流變壓器的生產具有重大影響。由于使用過程中出現的連續直流應力，或者相對長時間的直流試驗與極性翻轉試驗，顆粒應盡可能地減少。在絕緣部件裝配過程中通常存在磨損，一定要在所有制造階段給予消除。即使如此小心處理，仍然會存在一些顆粒物，因此在裝滿絕緣油后要對油進行過濾。制造廠商應制定特定顆粒數允許度標準，并通過可靠的顆粒計數與油處理設備實現。另外，受到良好培訓的員工，以及合適的裝置也是滿足這些特殊要求所必須的。
　　8高壓換流變壓器的現場維修
　　高壓換流變壓器不僅要承受交流電壓應力，還要承受直流電壓應力。因此，在設計與制造高壓換流變壓器時必須特別細心。現場維修時同樣如此。
　　2004年夏天，天生橋—廣州500kV直流輸電線路換流站的一臺換流變壓器出現了氣體超標，必須停止運行。現場調查顯示2號鐵心線路繞組內存在故障。客戶堅持用盡可能快的修理方案，因此決定在紐倫堡西門子工廠制造一個完整的繞組模塊，以更換故障繞組模塊。
　　
　　為了使待修變壓器能夠在2005年夏季用電高峰期間投入使用，整個修理項目必須在8個月內完成，時間壓力很大。詳細的修理計劃由西門子制定，并對現場提出2點要求：①提供適合現場修理的環境；②及時獲得所有現場必須的工具、設備。
　　 為了提供所需要的清潔環境，2005年2月，業主在天生橋建成了一個維修車間。該車間裝配了空調與可拆卸房頂。絕緣油排出后拆開箱蓋，在堆放上軛、切割并固定導線時適當的員工尤其重要。2005年3月中旬，繞組模塊更換完成。
　　
　　之后，重新連接導線并重新堆放上軛。由于帶電部件無法在烘箱處理，在變壓器箱體內部借助于由西門子的油噴淋干燥裝置完成油噴淋干燥過程。該過程完成后，對繞組模塊加壓，并完成變壓器的最終裝配。6月初，在不到4個月的現場工作后，變壓器一切就緒，準時地迎接夏季用電高峰的開始。
　　9參考文獻
　　［1］AKüchlerFHuellmantelJHoppe，等.電介質材料響應對高壓直流輸電（HVDC）變壓器絕緣的影響.ISH03.Delft.2003.