工频变压器与换流变压器

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1、2015 年 5 月 22 日 高 电 压 工 程 第二次项目训练报告 1工频变压器与换流变压器摘要： 变压器关键词：换流变压器；工频变压器；异同0 引言1 变压器绕组三相工频变压器和换流变压器都是通过绕组 间的电磁感应来实现电压变换的，绕组结构对电 压有直接的影响。 1.1 三相变压器联结组 在工频三相变压器中，不论是一次侧绕组还 是二次侧绕组，主要有两种联结方式，即星形联 结（简称 Y 联结）和三角形联结（简称 D 联结） 。 并规定三相高压绕组首、末端的标志分别用大写 字母 A、B、C 和 X、Y、Z 表示，三相低压绕组 首、末端的标志分别用大写字母 a、b、c 和 x、y、z 表示。Y

2、 联结将三个末端 X、Y、Z 或 x、y、z 联在一起成为中性点，以 N（高压侧）和 n（低压侧）标记。D 联结将三相绕组首末端依次 联结在一起，形成闭合环形，并根据连接的方向 有两种联结方法。图 1 变压器绕组 Y 联结图 2 变压器绕组 D 联结 三相变压器的高、低压绕组，都既可以采用 星形联结，也可采用三角形联结；同一铁心柱上 的高低压绕组，可以绕向相同或不同进而使得电压正负不同，也可以是同相的或不同相的。这样 高低压绕组的联结方式就有各种不同的组合，每 种组合即为一种联结组。 对于三相变压器，同一相低压侧和高压侧的 线电动势的相位差总是 30的整数倍。由于钟面 上相邻两个时数刻度的夹角

3、是 30，因此可以用 时钟序数来表示该相位差。时钟序数和表示绕组 联结方式的英文字母结合起来，构成三相变压器 的联结组标号。如联结组标号为 YNyn0d11 的变 压器为三相三绕组变压器，高压和中压绕组均为 星形联结，并有中性点引出，低压绕组为三角形 联结，中压侧线电动势与高压侧对应的线电动势 同相，低压侧线电动势滞后高压侧对应的线电动 势 330。 为了制造和使用方便，我国国家标准规定三 相双绕组电力变压器的联结组为 YNd11，Yyn0，Dyn11 和 Yd11。YNd11 联结组主 要用于高压输电线路中，Yyn0 和 Dyn11 联结组主 要用于配电变压器，Yd11 用于二次电压超过 4

4、00V，额定容量不超过 6300kVA 的电力变压器。1.2 变压器绕组结构形式 变压器绕组有多种结构形式，实际使用时要 根据变压器的容量、额定电压和使用条件来选择。1.2.1 圆筒式绕组 圆筒式绕组一般用圆线和扁线绕制而成，线 匝通常由按轴向排列的一根或几根并联导线组成， 层间联接通过过渡线实现。为了填平端部线匝的 螺旋表面，用斜纹布带将绝缘纸板条或酚醛楔形 端圈固定在端部线匝上，构成绕组端部支撑面。 圆筒式绕组可以做成单层、双层和多层绕组等。 1) 单层圆筒式绕组线匝由一根或几根扁导导 构成，绕组的始末端布置在两端。其机械稳定性 较差，所以常用于小型变压器的低压绕组。 2) 双层圆筒式绕组

5、的始末端一般布置在绕组 一端，引出线固定。一般用于中小型油浸变压器 的低压绕组。 3) 多层圆筒式绕组一般用圆导线绕制。层中4高电压工程第二次项目训练报告导线一匝挨一匝紧密排列，从一层到另一层的过 渡线在绕组的两端。多层式绕组可用于较高电压 的变压器。 1.2.2 饼式绕组 饼式绕组种类较多，包括连续式、螺旋式、 纠结式、内屏连续式等。 1) 连续式绕组由沿轴向分布的若干连续绕制 的线段组成，因此得名。连续式绕组的每个线段 由若干匝组成，线匝按螺旋方向一个挨一个叠绕 起来。连续式绕组端部支撑表面大，所以短路时 轴向力变化不大，同时散热性良好，所以被广泛 采用。 2) 螺旋式绕组为低电压、大电流

6、的绕组结构， 根据绕成每匝线饼的并联导线的条数可以分为单 列螺旋、双列螺旋和三列螺旋等。在螺旋式绕组 中，为使各并联导线所在外漏磁场中的长度和位 置尽可能相同，必须进行换位。单列螺旋绕组采 用组合式换位法；双列螺旋绕组采用交叉换位法； 三列螺旋绕组换位方法有两种，一种相当于三个 单列螺旋，每个单列螺旋各自换位，另一种是完 全均匀换位法。 3) 纠结式绕组主要用于 220kV 级及以上电压 等级的变压器高压绕组上。纠结式绕组常用的结 构形式有：纠结连续式、普通纠结、插花纠结。4) 内屏连续式就是在连续式绕组线段内部插 入增加纵向电容的屏线而成，故又称为插入电容 式。这种方式可以通过插入屏线的匝数

7、调节纵向 电容， 这是它的优点。图 3 变压器连续式绕组图 4 变压器三列螺旋绕组图 5 变压器纠结式绕组1.3 换流变压器绕组 工频变压器按照相数可以分为单相和三相变 压器，按照绕组数又可分为双绕组和三绕组变压 器。根据不同的电压等级、容量和运行环境灵活 选择不同的联结组和绕组结构。 换流变压器的线圈包括网侧线圈、阀侧线圈 和调压线圈三部分。绕组的排列方式通常有两种， 即“铁心柱阀绕组网绕组调压绕组”式和“铁 心柱调压绕组网绕组阀绕组”式。 1.3.1 网测线圈 换流变压器网侧线圈通过交流套管与交流系 统联接，线圈的电压等级和绝缘水平取决于直流 系统两端联接的交流网络的电压等级。换流变压 器

8、网侧线圈与相同电压等级的电力变压器的线圈 结构基本相同，此处不再介绍。 1.3.2 调压线圈 因为变流变压器有较多的调压级数，所以调 压线圈导线的并绕根数比较多，为此通常设计成 一个独立的线圈，并与网侧线圈末端相联。第 00 期阮广春等：工频变压器与换流变压器 3当在网侧线圈首端施加冲击电压时，调压线 圈内的冲击电压梯度较大，为防止击穿，调压线 圈匝间绝缘厚度及对相邻线圈或接地部件的距离 均要加大。为限制调压线圈内匝间电压梯度，防 止调压线圈的匝间绝缘损坏，必要时需采用非线 性电阻，以限制调压线圈的级间过电压。 1.3.3 阀侧线圈 换流变压器阀侧线圈通过阀侧套管与换流阀 桥联接。因其与换流阀

9、桥相连，必然受到阀桥换 流过程的影响，其设计与普通电力变压器线圈相 比有很大的特殊性。 一是绝缘的特殊要求。阀侧线圈的绝缘设计 除了考虑交流耐受电压的作用外，还必须考虑试 验及运行中的直流电压和极性反转电压作用的影 响。例如500kV 直流输电系统中的换流变压器， 其阀侧线圈的交流额定电压一般仅为 200kV 左右， 但其绝缘水平因上述原因，其绝缘水平，包括交 流耐受电压水平，操作冲击电压水平和雷电冲击 电压水平都高于相同电压等级的交流线圈的绝缘 水平。因此阀侧线圈的结构型式的选择和绝缘设 计比较复杂，要特别注意绝缘方面的分析计算和 采取相应的措施。 二是谐波电流的影响。换流变压器在实际运 行

10、时，线圈中会有大量谐波电流流通，进而产生 较大的附加损耗。所以在选择线圈的导线时，要 特别注意导线的规格，以降低线圈导线中的涡流 损耗，合理控制导线的电流密度，防止线圈产生 局部过热。2 特殊之处换流变压器主要用于高压直流输电中直流到 交流的变换，因此其阀侧线圈与整流桥相连。而 整流桥在进行直流到交流变换时，会对系统的运 行产生较大的影响，这使得换流变压器与工频变 压器相比存在很多特殊之处。 2.1 短路阻抗 直流输电中换流阀的换相过程实际上就是两 相短路的过程，因此会产生较大的电流。为了将 换向过程中的电流限制在一定范围内以免损坏换 流阀的晶闸管元件，换流变压器应有足够大的短 路阻抗，因此换

11、流变压器的短路阻抗一般大于普 通工频变压器的短路阻抗。但短路阻抗也不能过 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。 2.2 绝缘 在额定工况下，换流变压器阀侧绕组端部与 地之间以及阀侧绕组与网侧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。因 此换流变压器要长期持续受到交直流叠加电场的 作用以及以极性反转为代表的直流跃变电压的作 用。由此造成换流变压器的绝缘结构远比普通的 交流变压器复杂。 2.3 谐波 换流变压器在运行中会有较大的特征谐波电 流和非特征谐波电流流过。谐波电流会使换流变 压器损耗

12、和温升增加，产生局部过热，还会造成 交流电网中的发电机和电容器过热。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，必要时要采取有效的 隔音措施。 2.4 有载调压 考虑到运行的安全性和经济性，应使换流器 触发角运行在适当的范围内，保证直流输电系统 经常运行在接近最佳状态。因此换流变压器应具 有较大的调压范围。一般调压分接开关的调压范 围一般为 20%30%，每档调节量为 1%2%，使 得其有载分接头档位远多于普通工频变压器。 2.5 直流偏磁 换流器触发时刻的间隔不等，交

13、流母线正序 2 次谐波电压和与直流线路并行的交流线路的感应 作用等将在换流变压器阀侧绕组电流中产生直流 分量；接地极的入地电流引起的地电位变化会在 网侧绕组电流中产生直流分量，二者共同使换流 变压器产生直流偏磁现象。直流偏磁使得铁芯的 BH 曲线上的运行工作点绕行轨迹偏离对称状态， 部分进入一侧的饱和段，导致励磁电流分量出现 一个半波的尖峰波形，使变压器损耗、温升及噪 音均有所增加。因此直流偏磁问题在设计时必须 给予充分的考虑。参考文献1张燕秉，郑劲，汪德华，李文平特高压直流换流变4高电压工程第二次项目训练报告压器的研制J 高电压技术 2010，36(1) ：255-264 2文闿成换流变压器的技术要求J变压器，1996(2)：2-63郭光焰，张凯特高压工程用换流变压器简介J甘肃电力技术4王承志，姜恒大，杨恩明变压器绕组制造工艺M北京：机械工业出版社，1998：26-345孙旭东，王善铭电机学M北京：清华大学出版社，2006：53-57