漫谈换流变压器

陈宗器

1 引言

众所周知，在直流输电系统中，换流变压器是最重要的设备之一，它不仅参与了换流器的交流电与直流电的相互变换，而且还承担着改变交流电压数值、抑制直流短路电流等作用，此外特高压换流变压器容量大，由其组成的换流站额定功率为5200～6400MW，额定电流为 3250～4000A。额定电压为±800kV、±600kV、±400kV、±200kV四档换流变压器，型式为单相、双绕组、油浸式，设备复杂，投资昂贵，单台平均突破4000万元。西门子公司提供向上线的±800kV换流变压器单台售价高达1亿元。因此，换流变压器的可靠性、可用率以及投资对整个直流输电系统起着关键性的影响。

我国掌握换流变压器设计制造技术应该归功于三峡工程的建设。

2 三峡工程简介

三峡电网是三峡工程的三大组成部分之一，承担着三峡电力外送的重要任务，要使机组发电“送得出、落得下、用得上”。原设计送电能力为华中12000 MW，华东7200 MW、川渝2000MW。三峡电网共建 500kV线路 9100km，其中交流输电线路总长度6900km，直流输电线路总长2200km，交流变电容量24750MVA，直流换流站容量12000MW。2002年起调整为：交流线路 55个单项，线路总长6519km，交流变电33个单项，变电容量22750MVA，直流工程总计3个单项，线路3条，总长2965km，换流站 6座总容量 18000MW。建设安排分三个阶段：第一阶段 1997-2003年关键是建三峡至常州直流输电工程，并保证500kV交流工程配套送出，并加强鄂豫、鄂湘、鄂赣联网。第二阶段 2004-2006年关键是建三峡至广东直流输电工程，保证左岸电站发电送出，建设相应交流工程，第三阶段2007-2010年确保右岸电站发电送出，关键是建三峡至上海直流工程，并保证500kV交流工程配套送出。实际执行结果第三阶段已于2007年提前结束，整个三峡输变电工程 2008年 12月 20日通过国务院验收，动态投资343.87亿元。

三峡电站3条直流线路的建成，使中国成为世界上第一个直流输电大国，并基本上学会自行设计、制造、建设、调试及运行。在资源配备上也以充沛的绿色水电供应缺电严重的苏粤沪。表1列出了三峡电量外送情况。

单从输电的业绩来看，一条三峡到广东的超高压直流输电线可年送电量140亿 kW·h左右，而晋东南到荆门的特高压输电线运行一年来输送电量仅91亿 kW·h。由此看来直流输电效率要比交流输电高，其中换流变压器功勋卓著。

3 换流变压器的功能与特点

换流变压器的主要功能体现在以下几点：

表1 三峡电量外送情况

（1）参与实现交流电与直流电之间的相互交换。

（2）实现电压变换。将交流系统的高电压（一般为500kV或220kV）降低到适合换流器需要的交流电压（一般为220kV左右）。

（3）抑制直流故障电流。换流变压器的漏抗限制了阀臂短路的直流母线短路时的故障，能有效保护换流阀。

（4）削弱交流系统入侵直流系统的过电压。

（5）减少换流器注入直流系统的谐波。换流变压器的漏抗对换流器产生的谐波电流具有一定的抑制作用。

（6）实现交、直流系统的电气隔离。

换流变压器的特点体现在以下几个方面：

（1）绝缘要求高。换流变压器阀侧绕组同时承受交流电压和直流电压，因此换流变压器的阀侧绕组除承受正常交流电压产生的应力外，还要承受直流电压产生的应力。另外，直流电压全压起动以及极性反转都会造成换流变压器的绝缘结构远比普通电力变压器复杂。

（2）有载调压范围宽。为了将触发延迟角控制在适当的范围内以保证直流输电运行的安全性和经济性，同时满足换流母线电压变化的要求，换流变压器采用有载调压式，且其调压范围很宽，一般高达20%～30%，操作也频繁。

（3）噪声大。换流器产生的谐波全部流过换流变压器，这些谐波频率低，容量大，导致换流变压器铁心磁滞伸缩而产生噪声。这些噪声一般处于听觉较灵敏的频带，因此换流变压器产生的可听噪声较谐波污染不严重的普通电力变压器更严重，大约能增加20Db。

（4）损耗高。大量谐波流过换流变压器导致涡流和杂散损耗加大，有时可能使换流变压器的某些金属部件和油箱产生局部过热。

（5）短路阻抗较大。为了限制阀臂或直流母线短路导致的故障电流，以免损坏换流阀的晶闸管器件，换流变压器应有足够大的短路阻抗。但短路阻抗不能太大，否则会使换流器正常运行时吸收的无功增加，增加无功补偿设备容量，并导致换相压降过大。换流变压器的短路阻抗百分数通常为12%～18%。

（6）直流偏磁严重。运行中由于交直流线路的耦合、换流阀触发延迟角的不平衡、接地极电位的升高以及换流变压器阀侧存在2次谐波等原因，将导致换流变压器阀侧及网侧绕组的电流中产生直流分量，使换流变压器产生直流偏磁现象，导致换流变压器铁心损耗、温升及噪声都有所增加。

（7）试验繁复。除了普通电力变压器的例行试验和型式试验之外，还要添加直流方面的试验、直流电压局部放电试验、直流电压极性反转试验等。

4 我国掌握换流变压器技术的过程

从20世纪80年代我国先后引进法国阿尔斯通公司和日本日立公司交流 500kV大型电力变压器的设计制造技术，并通过技术合作和项目合作等方式学习借鉴了瑞典 ABB、德国西门子、日本三菱、东芝、乌克兰扎布罗日变压器厂、奥地利伊林等国外主要变压器制造企业的设计制造技术，已经形成了自己的大型变压器设计、制造和开发能力，80年代初我国制造出第一台 500kV变压器。三峡工程开建前，我国并不具备三峡直流工程换流变压器的设计制造能力。为使国家重大装备制造的核心技术不再受制于别人，三峡建委决定三峡直流工程设备实行国际采购，并制定了“技贸结合、技术引进、联合设计、合作制造”的技术路线，运用国际招标的方式引进关键技术后消化吸收再创新，逐步实现我国换流变压器的国产化，同时选择我国最具优势的沈阳变压器厂和西安变压器厂作为引进技术的受让方。

在招标文件的编制阶段，国务院专门设立了技术转让组，国内制造厂参加，并根据其自身的技术和产品需求，列出量身定衣的采购清单，以此作为国际招标的主要内容，同时组织国内相关专家评估外商技术转让的深度，并把评估结果作为评标的重要指标。在招标设计中，将国外供货商向国内企业转让关键技术作为必要条件，不仅要求转让图纸，还要将相关设计软件和管理理念等全部转让，使国内企业能够独立进行换流变压器的制造。招标文件中明确了三个必须：①投标者对供货设备的经济和技术负全部责任，必须与中国有资格的企业联合设计、合作制造；②投标者必须向中国制造企业转让技术，并培训中方；③中国制造企业分包份额不低于总价合同的30%（三常线）、50%（三广线）、70%（三沪线），必须由中国制造企业为主制造4台（三常线）、8台（三广线）、14台（三沪线）换流变压器。

在三峡第一条线三常线的招标过程中，经过严谨、科学、公正的态度，历时 40天的评标，确定ABB公司和西门子公司中标，合同总金额为4.2亿美元，其中包括制造技术转让费1527万美元。同时签署的还有直流技术转让费和合作生产合同，融资协议总金额5.06亿美元。具体来说三峡送端龙泉站设备全系统研究与设计、受端政平换流站设备（除换流变压器）由瑞典ABB总承包，政平站换流变压器由西门子公司承包。西变和沈变分别为ABB和西门子公司的分包单位，两单位在原已掌握500kV大型电力变压器技术的基础上，通过消化吸收引进技术，掌握了电气原理，结构设计与计算方法，完成计算程序及图样的转化，采购了先进的工艺设备，实现了工艺方法的更新和调整，并结合本企业成熟经验，加以创新，分别制造出合格换流变压器样品。产品技术经济指标先进，性能优良，运行情况良好，填补了国内空白，达到了国际先进水平，然而售价却有一定幅度的下降。

西变合作生产三常线送端龙泉换流站±500kV单相双绕组、容量297.5MVA、电压比（）/（）kV的换流变压器（其中 Y/Y联结和Y/D联结各一台）；沈变合作生产三常线政平换流站±500kV单相双绕组、容量 283.7MVA、电压比（×1.25%）/（）kV的换流变压器（其中Y/Y联结和Y/D联结各一台）。就这样我国仅用五年时间赶上了与发达国家±500kV换流变压器相差23年的差距。

2006年国家电网公司根据国情提出要建设±800kV特高压直流输电线路，因为一回特高压直流线路可输送电力64000MW，是±500kV级直流线路输送能力的2倍，线路损耗可降低约60%，输电距离可达2500km。但高端换流变压器（指±800kV级及±600kV级）制造难度较大，尚需得到国外厂商的协助。国家发改委曾电告有关厂商，西门子、ABB公司闻风而动，先期做出概念设计，并通过有关试验，验证了技术上的可行性。其中云广线最难制作的换流变压器单台容量为800kV252MVA单相双绕组，向上线则为800kV321MVA。与三峡项目不同，这次由我方总承包，但仍采用“技贸结合、技术引进、联合设计、合作制造”的技术路线。

2009年，12月6日特变电工沈变向上线奉贤站使用的±800kV换流变压器顺利通过关键绝缘试验，各项性能指标优异，部分试验项目试验结果优于国外企业同类产品。12月 8日云广线楚雄站（海拔1850m）使用的±800kV换流变压器成功升压至额定电压 800kV。12月 2日西电西变为向上线制造的ZZDFPZ-321100/500-400换流变压器一次性通过全部出厂试验，空载和负载损耗、空载电流、温升等主要性能指标均优于国标和技术协议要求，其中局部放电量小于 50PC，达到了国际先进水平。12月19日西电常变通过400t运河码头，将一台向上线换流变压器发往西川向家坝。10月±800kV换流变压器在保变秦皇岛基地试制成功。与此同时我方驻西门子纽伦堡变压器厂的监造组曾提出过向上线高端变压器产气过多、局部放电量偏大问题，经德方改进后，已于11月27日通过试验。目前云广线单极已于12月28日单极投运，2010年6月18号双极投运，项目综合国产化率达到62.9%。向上线2010年 7月 8号双极投运综合国产化率又稍有提高至67%，充分说明我国已掌握±800kV换流变压器的制造技术。表2为已建和在建换流变压器各厂中标情况。

表2 国内已在建换流变中标情况

5 换流变压器的市场预测

众所周知，直流工程一般依赖于大型水、火电基地。目前我国十三大水电基地中，黄河上游、乌江、红水河已开发过半；正在积极开发全沙江、雅砻江、大渡河、澜沧江；怒江因环保人士有争议暂时搁置；黑龙江中俄界河，因俄方电力过剩，经济实力缺乏，不能积极配合中方，前期工作进度缓慢。火电基地中皖北、黑东、云贵已开发过半，今后则将依赖山西、陕北、宁东、蒙西、锡盟、呼盟、哈密等火电基地。电力传输基地离受端发达地区的距离已由原1000km左右扩展到2000km左右，非依赖超高压和特高压直流远距离输电工程不可。根据有关部门预测未来线路如表3所示。

根据表3统计，其中±220kV级1项±400kV级1项，±500kV级5项，±660kV级9项，±800kV级14项，±1000kV级5项，初步估算约需换流变压器1526台，价值为610亿元以上。

表3 2020年中国直流输电工程规划