作業(yè)換流變壓器與電力變壓器比較分析

1、換流變壓器與電力變壓器的比較分析課 程：高壓直流輸電原理與運行院 系：電氣與電子工程學(xué)院 班 級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 目錄前言11 換流變壓器與電力變壓器的功能比較11.1 電力變壓器11.2 換流變壓器12 換流變壓器與電力變壓器的結(jié)構(gòu)與原理比較12.1 電力變壓器12.2 換流變壓器23 換流變壓器與電力變壓器的模型比較43.1 電力變壓器43.1.1 電路模型43.1.2 互感支路模型53.1.3 磁路模型53.2 換流變壓器63.2.1 數(shù)學(xué)模型63.2.2 換流變壓器的高頻電路模型64 換流變壓器與電力變壓器內(nèi)部電場類型比較85 換流變壓器與電力變壓器在設(shè)計、制造、運行中的區(qū)別1

2、0參考文獻(xiàn)12前言通常，我們把用于直流輸電的主變壓器稱為換流變壓器。它在交流電網(wǎng)與直流線路之間起連接和協(xié)調(diào)作用，將電能由交流系統(tǒng)傳輸?shù)街绷飨到y(tǒng)或由直流系統(tǒng)傳輸?shù)浇涣飨到y(tǒng)。換流變壓器是超高壓直流輸電工程中至關(guān)重要的關(guān)鍵設(shè)備，是交、直流輸電系統(tǒng)中換流、逆變兩端接口的核心設(shè)備。換流變壓器因其兩端連接的電壓性質(zhì)不同而與電力變壓器有很大區(qū)別。1 換流變壓器與電力變壓器的功能比較1.1 電力變壓器電力變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備，是用來將某一數(shù)值的交流電壓（電流）變成頻率相同的另一種或幾種數(shù)值不同的電壓（電流）的設(shè)備，主要作用是傳輸電能。1.2 換流變壓器在整流站，用換流變壓器將交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)隔離，通過

3、換流裝置將交流網(wǎng)絡(luò)的電能轉(zhuǎn)換為高壓直流電能，利用高壓直流輸電線路傳輸；在逆變站，通過換流裝置將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，再通過換流變壓器送到交流電網(wǎng); 從而實現(xiàn)交流輸電網(wǎng)絡(luò)與高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)絡(luò)。另外，換流變壓器還有下列功能: 提供相位差為 30b 的12 脈波交流電壓，以降低交流側(cè)諧波電流，特別是 5 次和 7 次諧波電流; 作為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的電氣隔離，削弱侵入直流系統(tǒng)的交流側(cè)過電壓; 通過換流變壓器的阻抗限制直流系統(tǒng)的短路電流進(jìn)入交流系統(tǒng); 通過換流變壓器可以實現(xiàn)直流電壓較大幅度的分檔調(diào)節(jié)。2 換流變壓器與電力變壓器的結(jié)構(gòu)與原理比較2.1 電力變壓器1、變壓器鐵心：1)變壓器鐵心材料

4、鐵心是變壓器磁路的主體，變壓器鐵心分為鐵心柱和鐵軛，鐵心柱上套裝繞組，鐵軛的作用是使磁路閉合。為減少鐵心內(nèi)的磁滯損耗和渦流損耗，提高鐵心導(dǎo)磁能力，鐵心采用含硅量約為5%，厚度為0.35mm或0.5mm，兩面涂絕緣漆或氧化處理的硅鋼片疊裝而成。2)變壓器鐵心結(jié)構(gòu)變壓器鐵心分為心式結(jié)構(gòu)和殼式結(jié)構(gòu)。(1)心式變壓器：心式變壓器的原、副繞組套裝在鐵心的兩個鐵心柱上，如下圖所示。結(jié)構(gòu)簡單，電力變壓器均采用心式結(jié)構(gòu)。(2)殼式變壓器：殼式變壓器的鐵心包圍繞組的上下和側(cè)面，如下圖所示。制造復(fù)雜，小型干式變壓器多采用。a) 心式 b)殼式圖2-1 電力變壓器繞組結(jié)構(gòu)2、變壓器繞組(線圈)：繞組是變壓器的電路部

5、分，用絕緣銅線或鋁線繞制而成 。繞組的作用是電流的載體，產(chǎn)生磁通和感應(yīng)電動勢。高壓繞組：工作電壓高的繞組；低壓繞組：工作電壓低的繞組。繞組有同心式和交疊式。同心式繞組：高低壓繞組在同一芯柱上同芯排列，低壓繞組在里，高壓繞組在外，便于與鐵芯絕緣，結(jié)構(gòu)較簡單。交疊式繞組：高低壓繞組分成若干部分形似餅狀的線圈，沿芯柱高度交錯套裝在芯柱上。 3、另外，電力變壓器還有油箱、油枕、分接開關(guān)、安全氣道、絕緣套管等附件。2.2 換流變壓器換流變壓器的結(jié)構(gòu)型式主要取決于它的額定電壓、容量和運行條件。變壓器的繞組結(jié)構(gòu)一般有層式和餅式兩種結(jié)構(gòu)。對于層式繞組，其特點是是線圈沿軸向一匝挨著一匝從鐵芯的一端繞至另一端構(gòu)成

6、了第1層；若繼續(xù)往下去繞，則把銅條適當(dāng)彎折，從“另一端”往回繞一“升層”從而構(gòu)成第2層，其他層依次如此，整個繞組為一層疊一層的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)適合在為高電壓產(chǎn)品的調(diào)壓線圈或低壓線圈，適合匝數(shù)不是很多的線圈的變壓器。對于餅式繞組，其特點是首先把銅條沿繞組的橫向排列成圓餅狀，而后把各個圓餅狀的線餅用不同放入方式沿鐵芯縱向串聯(lián)起來構(gòu)成不同型式的繞組。這種餅式結(jié)構(gòu)適合大、中型變壓器。常用的餅式繞組包括連續(xù)式繞組、糾結(jié)式繞組、螺旋式繞組、內(nèi)屏蔽插入電容式繞組、殼式變壓器的單餅式以及雙餅式繞組，其中糾結(jié)式繞組又分為雙餅糾結(jié)式繞組、多餅糾結(jié)式繞組、插花糾結(jié)式，現(xiàn)在運行的士80OkV換流變壓器繞組采用的是軸向糾

7、結(jié)連續(xù)式繞組。如圖2-2所示為換流變壓器的結(jié)構(gòu)采用軸向糾結(jié)連續(xù)式繞組結(jié)構(gòu)，實際的換流變壓器糾結(jié)繞組如圖4一2所示。圖2-2 軸向糾結(jié)連續(xù)式繞組結(jié)圖2-3換流變壓器繞組圖 圖2-4 單相雙繞組換流變壓器外形 圖2-5 單相三繞組換流變壓器外形3 換流變壓器與電力變壓器的模型比較3.1 電力變壓器3.1.1 電路模型對于變壓器模型，T型等效電路及其近似等效電路是最簡單、最常見的模型，如圖3-1所示。圖3-1 電力變壓器電路模型T型等效電路把漏磁作用作為漏抗壓降處理，把勵磁作用用勵磁阻抗表示，如圖3-1(a)所示。T型等效電路一般只能在穩(wěn)態(tài)計算中運用，如果將勵磁電抗做非線性處理，即變壓器鐵芯的B-H

8、曲線，那么在T型等效電路中將漏抗變?yōu)榭烧{(diào)電抗也可以仿真勵磁涌流，如圖3-1(b)所示。T型等效電路屬于復(fù)聯(lián)電路計算比較繁復(fù)。T型等效電路的勵磁阻抗很大而勵磁電流很小，為了適用工程計算需要可以進(jìn)一步近似和簡化，如圖3-1(c)、(d)所示。圖3-1(c)、(d)這類簡化的模型若考慮了變壓器或傳輸線的電容效應(yīng)，故可以用來對變壓器的高頻響應(yīng)進(jìn)行分析。3.1.2 互感支路模型變壓器亦可以磁路為線性，用具有自感和互感的藕合電路來表示，如圖3-2(a)所不。圖3-2 變壓器互感支路模型在20世紀(jì)50年代這種變壓器互感支路模型就被提出來了，這種分布參數(shù)模型考慮了繞組各部分間甚至匝間的自感和互感，后又經(jīng)過多次

9、改進(jìn)可得到較為準(zhǔn)確的數(shù)值。自感和互感減去一組相當(dāng)于變壓器的漏感的自互感值，如圖3-2(b)所示，圖3-2(b)中的各個電氣量都用的不是歸算值而是實際值。所以，一般情況下這類互感支路模型沒有考慮鐵芯的非線性及鐵芯的損耗，存在一定局限性。3.1.3 磁路模型變壓器是完成電磁轉(zhuǎn)換的設(shè)備，通過磁路連接一次側(cè)和二次側(cè)，所以利用磁路可以更方便地描述變壓器鐵芯的持性。單相變壓器磁路如圖3-3(a)所示，磁路等值回路如圖3-3(b)所示。圖3-3 變壓器磁路模型這種變壓器磁路模型一般用集中參數(shù)的磁路描述變壓器鐵芯的特性，然后可根據(jù)電磁關(guān)系將磁路模型轉(zhuǎn)換為用自感和互感表示的電路參數(shù)進(jìn)行計算。對于三相三柱和三相五

10、柱變壓器，就可以用這一方法建立變壓器模型。利用磁路模型可以較為準(zhǔn)確的對變壓器磁特性的進(jìn)行計算，尤其是可以方便、精確的描述變壓器鐵芯的非線性特性。3.2 換流變壓器3.2.1 數(shù)學(xué)模型設(shè)換流變壓器有k個繞組，各繞組的電流向量分別為i1，i2，、，ik，匝數(shù)為N1，N2，、，Nk，對于諸電回路有:V=Ri+Ldi/dt+cdm/dt (3-1)F=C1Ti (3-2)式中V，C1由各繞組匝數(shù)和變壓器接線方式?jīng)Q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 換流變壓器的高頻電路模型對于變壓器，在工頻電壓作用

11、下它的等值電路非常簡單，只包括線圈的集中電感和電阻、線圈的線匝間電容和線圈對地部分間電容值很小，可以忽略不計;而在高頻電壓作用下，換流變壓器的等值電路將變得非常復(fù)雜，它的模型為一系列的電容、電感鏈，必須考慮變壓器中諸如:線圈之間、段間、匝間等各元件間的藕合電容，耦合電感一其與換流變壓器的線圈的結(jié)構(gòu)形式、絕緣結(jié)構(gòu)、繞制、厚度、布置方式等因素有著直接的聯(lián)系。只有考慮這些因素計算出的換流變壓器參數(shù)并利用這些參數(shù)建立的換流變壓器高頻電路模型才具有高頻特性。如上所述，變壓器線圈的高頻模型就是一個由一系列電容和電感交鏈在一起的等值電路模型。下面將介紹四種國內(nèi)外專家在做大量研究工作基礎(chǔ)上總結(jié)出的(換流)變壓

12、器高頻模型:1、基于匝間集合參數(shù)模型和匝對匝的集中參數(shù)模型在傳統(tǒng)的集中參數(shù)模型的基礎(chǔ)上，日本學(xué)者 Yoshikazushibuya等提出將電容和電感參數(shù)以每匝為單元進(jìn)行計算，而傳統(tǒng)的集中參數(shù)模型是以兩段為一單元，即將集中參數(shù)分布化。以匝為單元用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計算的方法必將增加計算時間，故將匝間的參數(shù)進(jìn)行合并形成一支路以減少了網(wǎng)絡(luò)的支路數(shù)，這樣就大大節(jié)省了計算機(jī)的計算時間。具體做法如下:將每匝間的L和c進(jìn)行迭加得到支路中的L和C。用一個N維(N為總匝數(shù))的電感矩陣L來表示所有匝數(shù)的自感和互感，這個矩陣考慮了鐵芯和其它線圈中的渦流影響。所有的匝間電容、匝地電容、靜電環(huán)對地電容等電容構(gòu)成了電容矩陣C

13、，該矩陣為為N+2維。日本學(xué)者 Yoshikazu Shibuya等基于傳統(tǒng)的集中參數(shù)模型，提出的匝間集合模型，以單匝為基礎(chǔ)進(jìn)行參數(shù)計算，其結(jié)果非常準(zhǔn)確，但為了減少計算時間，并沒有考慮實際的變壓器繞組線圈，它們都是多導(dǎo)線并聯(lián)繞制線圈，而且多采用糾結(jié)式結(jié)構(gòu)，電容和電感值隨著單匝間的并聯(lián)導(dǎo)線的幾何位置的不同而不同。2、單根傳輸線模型和多導(dǎo)線傳輸線模型相結(jié)合的混合模型IEEE資深成員 Marjan Popov、Lou van der Sluis等提出MTLM和STLM相結(jié)合的混合模型，如圖3-4所示。圖3-4 線圈的段數(shù)分布及其等值電路圖3-4中的模型的建立步驟如下:第一步，通過一定邊界條件和改進(jìn)的

14、連續(xù)快速傅里葉變換法(FFT法)求出每一段線圈首端的電流和電壓;第二步，將在SLTM法得到的段電壓和電流為已知條件，對每一段線圈應(yīng)用MLTM模型，從而得到匝間的電壓和電流分布。這種多導(dǎo)體傳輸線模型和單根傳輸線模型相結(jié)合的混合模型，對于單匝模型方程較多，計算機(jī)運算時間較長的問題以得到克服，對于殼式變壓器薄餅式線圈進(jìn)行分析時，并沒有根據(jù)實際的變壓器電氣參數(shù)進(jìn)行分析，也沒有考慮段間的互感。所以，這種模型對于其它形式的變壓器和線圈繞組可用性并不適用。3、段間詳盡模型疊加m個段內(nèi)的黑匣子模型的混合線圈模型為了減少節(jié)點方程的個數(shù)、矩陣大小以減少計算時間和使模型更具有實用性，伊朗的 GB.Gharehpet

15、ain和德國的K.Mner等學(xué)者提出了段間詳盡模型疊加m個段內(nèi)的黑匣子模型的混合線圈模型的。該模型基本的思想是:由于一個變壓器的線圈結(jié)構(gòu)不會完全相同，故其電容和電感參數(shù)也不一樣，可將線圈分為m個部分。首先是應(yīng)用以兩段線圈為一基本單元的集中線性模型，即線圈線圈詳細(xì)模型(Coil-by-Coil Detailed Model)，但是這種模型的電容、電感、電抗等參數(shù)是通過頻域測量得到，解決此問題一般采用繞組繞組模型(Tum-to-Turn Model)，但采用這種方法時會增加節(jié)點數(shù)從而增加高維網(wǎng)絡(luò)方程增加計算時間。本模型中，在線圈端部增加inter coil Black Box Model，其參數(shù)也

16、是通過頻域測量得到，模型中以兩段線圈為基本單元，由于兩段內(nèi)部的暫態(tài)特性可以通過阻抗參數(shù)反映，所示阻抗函數(shù)中的兩個最重要的極點可以用兩條RLC并聯(lián)電路串聯(lián)在一起來表示。伊朗科學(xué)家GB.Gharehpetain等提出上述模型，很好地解決了單根傳輸線模型和多導(dǎo)線傳輸線模型相結(jié)合的混合模型中同一線圈中采用不同結(jié)構(gòu)型式，如糾結(jié)和連續(xù)餅式的問題，但是黑匣子模型與段間模型沒有電磁上的并不存在聯(lián)系。4、互耦的分布參數(shù)電路和集中參數(shù)組成的混合電路模型。通過電路分析可知，集中參數(shù)模型并不適合快速暫態(tài)過電壓過程的分析必須依靠分布參數(shù)模型。應(yīng)用變壓器多傳輸線模型，在快速暫態(tài)下可以清晰地反應(yīng)變壓器線圈中的波過程。但線圈

17、中線匝換位時會造成電磁邊界不連續(xù)，一根傳輸線就要求是每一匝線圈，由于變壓器有幾百匝線圈，那么變壓器線圈方程規(guī)模會很大，這將大大加大求解的難度和技術(shù)數(shù)值計算的時間。為了減少計算量和兼顧線圈的電磁場系統(tǒng)的完整性，清華大學(xué)王贊基提出集中參數(shù)電路和互有藕合的分布參數(shù)電路組成的混合電路模型。這種模型包括四部分:一是在集中電路和分布電路中引入了的等效電壓源;二是集中參數(shù)電路的節(jié)點電壓方程;三是邊界條件;四是在單位長度電壓源之后添加了的多傳輸線方程。清華大學(xué)王贊基教授提出了變壓器高頻混合參數(shù)模型，較好地解決了匝間振蕩的問題，這種模型對糾結(jié)式線圈很難實現(xiàn)而特高壓換流變壓器的繞組采用的是糾結(jié)式繞組，而且模型中的

18、電壓源的計算不是很準(zhǔn)確，故這種模型并不適合特高壓換流變壓器的內(nèi)部故障分析。上述分析可知，上述四種變壓器各自具有優(yōu)缺點，對于本文的特高壓換流變壓器，其結(jié)構(gòu)采用軸向連續(xù)糾結(jié)式繞組，故應(yīng)在上述四種模型基礎(chǔ)上建立一種新型的換流變壓器高頻參數(shù)模型。4 換流變壓器與電力變壓器內(nèi)部電場類型比較由于工況的特殊性，換流變壓器閥側(cè)繞組所承受的電壓與普通電力變壓器有很大差別：除承受交流電壓、雷電沖擊和操作過電壓外，還承受直流、直流疊加交流和極性反轉(zhuǎn)電壓作用。在交流電壓作用下，油紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的電場分布取決于介電常數(shù)e，呈容性分布；而在直流電壓作用下，油紙復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的電場分布取決于材料的電阻率lD，呈阻性分布，這是

19、換流變壓器和電力變壓器電場分布特性的根本區(qū)別。交流電壓作用下，材料的介電常數(shù)不隨溫度、場強(qiáng)等因素而變化，此時電場分布呈線性；直流電壓作用下，材料的電阻率隨溫度、場強(qiáng)等因素的變化而變化11|，其變化幅值可達(dá)到3個數(shù)量級，而且油浸紙的層疊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電阻率在順紙面方向和垂直紙面方向有明顯的不同，所以直流電場的分布呈非線性。在直流電場作用下，電場大部分集中在固體絕緣中，在沒有發(fā)生擊穿情況下，局部放電不會在固體絕緣表面留下電損傷痕跡。而在交流電場的作用下，由于油的介電常數(shù)較低，油承擔(dān)著較大的電場應(yīng)力，局部放電易在固體絕緣纖維孔隙的油中發(fā)生，造成固體絕緣內(nèi)部或表面不可恢復(fù)的電損傷，隨著電場作用時間的延長，這

20、種損傷不斷擴(kuò)大，以至于引起絕緣損壞；如果局部放電發(fā)生在較大的油隙中，由油中的雜質(zhì)或氣泡產(chǎn)生，隨著油的流動、雜質(zhì)的燒融、氣泡的消失，油的絕緣特性是可以恢復(fù)的，局放電量將趨于穩(wěn)定。在直流電場作用下，由于不同介質(zhì)問的電阻率相差較大(oil：pa=1：101：300)，所以電阻率較小的油中流過的離子電流要大于紙板中流過的離子電流，這就造成了油紙界面的電荷積累，形成界面空間電荷。隨著空間電荷的積累，油中場強(qiáng)逐漸減小，紙中場強(qiáng)逐漸增大，從而兩種材料中的離子電流趨于接近。經(jīng)過一段時間后，兩種材料中的離子電流相等，達(dá)到穩(wěn)態(tài)。此時，空間電荷電場以及容性分布電場疊加形成阻性分布電場，即E=Eq十Eg (4-1)式

21、中，E、Eq、Eg分別為阻性分布電場、空間電荷電場及容性分布電場在場域中某點形成的場強(qiáng)。當(dāng)激勵電壓極性反轉(zhuǎn)時(+DC-DC)，因空間電荷的放電時間(一般為幾十min甚至更長)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反轉(zhuǎn)時間(十幾ms)，所以可認(rèn)為在反轉(zhuǎn)瞬間空間電荷的分布保持不變，因此空間電荷電場依然存在。而一DC施加的瞬問呈容性分布，于是得Epr=Eq-Eg (4-2)式中，Epr為極性反轉(zhuǎn)電場在場域中某點的場強(qiáng)。故Epr=Ep-2Eg (4-3)即在反轉(zhuǎn)瞬間，極性反轉(zhuǎn)電場是由反轉(zhuǎn)前阻性分布電場(+DC)與反轉(zhuǎn)后容性分布的2倍負(fù)極性激勵電場(-2DC)合成的疊加電場。在反轉(zhuǎn)瞬間，空間電荷電場在油中與外加電場相互加強(qiáng)，而在紙中

22、則與外加電場相互削弱(與直流穩(wěn)態(tài)時相反)，這導(dǎo)致油中場強(qiáng)驟然變大n引。此外，空間電荷的存在，將吸引油中的雜質(zhì)，使之聚集在固體絕緣表面，形成連續(xù)或不連續(xù)的放電通道。因此，換流變壓器的絕緣故障往往發(fā)生在極性反轉(zhuǎn)時。圖4-1 油紙絕緣結(jié)構(gòu)模型圖4-2 外施電壓變化圖5 換流變壓器與電力變壓器在設(shè)計、制造、運行中的區(qū)別換流變壓器閥側(cè)繞組所承受的電壓為交流電壓疊加交流電流和極性反轉(zhuǎn)電壓，并且兩側(cè)繞組中均有一系列諧波電流，換流變壓器和普通交流系統(tǒng)變壓器在設(shè)計、制造和運行中具有一定區(qū)別：1、短路阻抗為了限制當(dāng)閥臂及直流母線短路時的故障電流以免損壞換流閥的晶閘管元件，換流變壓器應(yīng)有足夠大的短路阻抗。但短路阻抗

23、也不能太大，否則會使運行中的無功損耗增加，需要增加額外的無功補(bǔ)償裝置，并導(dǎo)致?lián)Q相壓降過大。2、絕緣換流變壓器閥側(cè)繞組同時要承受交流電壓和直流電壓產(chǎn)生的應(yīng)力。另外，直流全壓起動以及極性反轉(zhuǎn)時，都會造成換流變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比普通的交流變壓器復(fù)雜。3、諧波電流換流變壓器在運行中有特征諧波電流和非特征諧波電流流過。變壓器漏磁的諧波分量會使變壓器的雜散損耗增大，有時還可能會使某些金屬部件和油箱產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象。數(shù)值較大諧波磁通所引起的磁致伸縮噪音，一般處于聽覺較為靈敏的頻帶，必要時要采取更有效的隔音措施。4、有載調(diào)壓為補(bǔ)償換流變壓器網(wǎng)側(cè)電壓的變化以及觸發(fā)角運行在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)以保證運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，要求有載調(diào)壓分接開關(guān)的調(diào)壓范圍較大，特別是可能采用直流降壓模式時，要求的調(diào)壓范圍往往到達(dá)20%一30%。5、直流分量由于換流閥的輪流導(dǎo)通，換流變壓器閥側(cè)繞組對地電位含有直流分量，這就要求換流變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比普通電力變壓器復(fù)雜。在運行中，由于換流變壓器閥側(cè)繞組不僅受到交流電壓而且受到直流電壓的作用，此外，直流電壓的極性還應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行反轉(zhuǎn)，因此，閥側(cè)繞組內(nèi)部絕緣中的電位分布和場強(qiáng)與普通電力變壓器不同，要采用全絕緣。換流變壓器和普通電力變壓器的內(nèi)絕緣都采用變壓器油和絕緣紙板的復(fù)合結(jié)構(gòu)，但兩者的絕緣紙板與變壓器油的比例不同