摘要： 介绍了高压直流输电 (HVDC) 变压器及平波电抗器的磁芯设计、高压直流绕组设计、导线引出端（换流阀绕组）、直流套管设计方案，举例说明了高压换流变压器的制造过程与传统变压器制造过程的不同。并通过高压换流变压器试验，说明如材料、环境等条件对直流工作的影响。最后介绍了一些高压换流变压器的现场维修经验。
关键词： 直流套管；高压直流；试验；变压器；换流阀绕组；现场维修
约40年前，第一套高压直流输电(HVDC)系统投入商业运行。在当时以及20世纪70年代后期，随着对直流电压需求的增加，人们对变压器设计的研究逐渐增多。在累积了数十年使用与设计经验后的今天，设计者可利用计算机程序处理直流电、直流极性反接以及传统电压波形，提高设计的精确程度。
尽管有所改进，但在高压直流换流变压器与传统交流变压器之间仍然存在根本差异：①对地绝缘以及交流电与换流阀绕组之间的绝缘设计必须考虑交流应力与直流应力的组合；②换流阀绕组，尤其是匝数相对较少的Y型接线换流阀绕组的试验电压应由直流侧的保护级别确定，与交流额定电压无关；电流谐波会导致多个部件的损耗；③直流电流影响铁心的正常工作。
下面是有关设计、制造以及试验的一些特征。
1 磁芯设计
大容量高压直流换流变压器通常为单相变压器。根据额定电压与输送限制要求不同，每个电磁铁心的功率通常在200MVA以内。磁芯由2个弯曲的铁心组成，铁心为2个完全相同的并联换流阀绕组，或者是一个采用角形接线，另一个采用Y型接线。磁芯通常为粒状定向硅钢。表面经过处理的钢铁(用激光划痕或等离子雕刻)主要用于保持低空载损耗。
高压直流换流变压器的铁心堆叠方式与交流变压器相同。当今技术发展水平为阶梯接缝堆叠方式，如图1所示。
铁心的冷却过程还需更多关注。由于整流器站、变流器站的不对称性以及剩余直流电流穿越绕组的控制技术限制，并不能始终做到防止铁心饱和。几安培的直流电流可增加20％左右的空载损耗，增大约22dB的噪声。
图2是相对于交流空载电流而言典型铁心感应系数为1.7T、直流电流变化时空载损耗增加的百分比。在小直流电流非线性增加之后（这里IDC/IAC≈3），随着直流电流增加，空载损耗呈线性增长。图3给出了相对于图2的噪声水平增加情况，可以看出曲线具有饱和特性，此外，已经存在的小直流电流会导致显著的噪声增加。
图1 阶梯接缝堆叠
图2 小直流电流空载损耗增加
图3 小直流电流情况下的噪声级别增长情况
微小的电压谐波会导致额外的损耗，对换流变压器也是如此。由该现象导致的空载损耗低于2%。
2 高压直流绕组设计
高压换流变压器的交流绕组与传统变压器绕组之间没有差异，设计时都要考虑承受交流电力网的应力。由于要考虑所有直流相关应力，交流绕组与阀绕组之间的绝缘是不同的。
换流阀绕组，尤其是整流器/变流器高压端的绕组很特殊。该绕组通常采用Y型接线，需要特别仔细。500kV直流系统换流阀绕组的交流额定电压在
200kV范围内。该绕组的试验电压与直流500kV的保护级别有关，该试验电压较交流200kV试验电压有明显增高。换流阀绕组的脉冲试验需使每个接线端对地（此时另一端接地），或者连接引线对地（电压脉冲试验）。电压脉冲试验使用的绕组内侧电压分布完全不同于接线端子对地的应力。
此外，换流阀绕组谐波电流会产生附加的损耗。因此，需仔细选择铜制导线，当首选连续换位导线(CTC)。
图4 连续换位导线(CTC)与特殊绕组引入端
耐受雷电冲击高电压应力绕组的典型解决方案是采用交错绕组。这种绕组焊接次数多，而且，使用扁平导线往往会产生相对高的附加损耗。较好的解决方案是使用连续换位导线(CTC)，并采用特殊绕组引入端或使用屏蔽绕组，如图4所示。2种解决方案绕组的主要部分焊接点很少或没有，且制造时间非常短，造成的额外损耗可降低到最小。由于高压换流变压器的阻抗电压非常小，还需特别注意所有绕组的公差，绕组长度与直径方向制造和处理公差应在-2～0mm以内。
3 导线引出端 （换流阀绕组）
绕组接线端一定要连接到套管上。根据变压器种类以及其朝向换流阀车间的位置不同，有几种不同设计方案：①
４个换流阀套管排布在箱体的纵长侧；② ４个换流阀套管排布在箱体的前侧；③ 2个换流阀套管排布在箱体的前侧。
对于设计者而言，导线引出端的几何形状总是不同的。铜管的绝缘是由变压器纸板采用栅栏设计方案构成的。
导线的绕组端部一定要与绕组端部的栅栏相匹配，导线的套管端部一定要与直流高压套管的变压器油相匹配。变压器纸板栅栏的布置与厚度设计必须符合交流电压、雷电冲击、操作冲击以及直流电压与极性翻转。
由于直流电压分布由材料的电阻率决定，而交流电、雷电冲击以及操作冲击是由电容决定的，因此需进行优化计算以满足所有需求。与此同时，材料的电阻率取决于磁场强度与温度，但不同材料表现不同。
4 直流套管
对直流套管的要求如下：①满足IEC 62199标准的所有要求；②在换流阀车间内套管部分没有注油；③空气侧爬距极高，尤其是对户外套管而言。
设计内容包括：①树脂注入型冷凝器套管铁心；②注入玻璃纤维的塑料套管外壳；③管路充满SF6；④管路涂层使用硅膜。
这种套管长度可高达9.5m。爬距长度可达24m左右。
5 高压换流变压器试验
高压换流变压器的工厂试验是依客户技术规范要求而定的。技术规范则基于IEC 61378-2与（或）IEEE C57.129 标准，并且可以包括客户专家的额外要求。试验现场应配备合适的交流与脉冲发电机，配备可以在60s内改变极性的直流电源。为了能够测量局部放电，试验现场应适当屏蔽。
工厂试验相当耗时，可根据需要简化环节,如耐热试验、12h空载试验、静电充电测量等。
此外，还需确定谐波引起的损耗。上述标准允许使用不同方法来确定谐波损耗。在不同的变压器上进行这些方法的对比实验显示，根据IEEE建议采用单频电阻的测量可以获得比IEC
提出的双频方法精度更高的结果。使用数字阻抗分析仪进行测量时，测量谐波系数的总时间可以缩减1～2ｈ。
6 材料影响
高压换流变压器所使用的材料与普通变压器相同，但其材料的特性较普通交流变压器更强，尤其是绝缘材料的电导率。随着技术发展，市场上出现了新材料。而且由于新的需求，材料性能也必须改变。
换流阀套管底部电极的设计需要特别注意，必须要准确了解绝缘油压板及下套管端部树脂纸板复合物的材料性能。为此，西门子与德国的大学及主要部件供应商一起对各种材料性能进行了调查［1］。图8给出了几种固体材料的单位电导率，这些数据是在室温环境以及不同磁场强度下测量获得的。
A—纸；B—粘合纸；C—皱纹纸；D—压板TIII；E—压板TIV下标1—E=1kV/mm时；下标10
-E=10kV/mm时
图8 固体材料单位电导率
7 制造特性
高压换流变压器的制造工厂应满足一些必要条件：车间地板的高清洁性；能够处理精细公差的现代绕线机 ；现代铁心切割机（毛刺小，防尘） ； 现代气相与真空装置；合适的绝缘油处理设备；防尘装卸机械；防尘供水箱；优秀的材料供应商与材料防尘存放；优质设备维护
；熟练的劳动力，能在制造全过程处理精细公差。这些也是对所有超高压（EHV）变压器生产的通用要求，但上述部分条款对高压换流变压器的生产具有重大影响。由于使用过程中出现的连续直流应力，或者相对长时间的直流试验与极性翻转试验，颗粒应尽可能地减少。在绝缘部件装配过程中通常存在磨损，一定要在所有制造阶段给予消除。即使如此小心处理，仍然会存在一些颗粒物，因此在装满绝缘油后要对油进行过滤。制造厂商应制定特定颗粒数允许度标准，并通过可靠的颗粒计数与油处理设备实现。另外，受到良好培训的员工，以及合适的装置也是满足这些特殊要求所必须的。
8 高压换流变压器的现场维修
高压换流变压器不仅要承受交流电压应力，还要承受直流电压应力。因此，在设计与制造高压换流变压器时必须特别细心。现场维修时同样如此。
2004年夏天，天生桥—广州 500kV直流输电线路换流站的一台换流变压器出现了气体超标，必须停止运行。现场调查显示2号铁心线路绕组内存在故障。客户坚持用尽可能快的修理方案，因此决定在纽伦堡西门子工厂制造一个完整的绕组模块，以更换故障绕组模块。
为了使待修变压器能够在2005年夏季用电高峰期间投入使用，整个修理项目必须在8个月内完成，时间压力很大。详细的修理计划由西门子制定，并对现场提出2点要求：①提供适合现场修理的环境；②及时获得所有现场必须的工具、设备。
为了提供所需要的清洁环境，2005年2月，业主在天生桥建成了一个维修车间。该车间装配了空调与可拆卸房顶。绝缘油排出后拆开箱盖，在堆放上轭、切割并固定导线时适当的员工尤其重要。2005年3月中旬，绕组模块更换完成。
之后，重新连接导线并重新堆放上轭。由于带电部件无法在烘箱处理，在变压器箱体内部借助于由西门子的油喷淋干燥装置完成油喷淋干燥过程。该过程完成后，对绕组模块加压，并完成变压器的最终装配。6月初，在不到4个月的现场工作后，变压器一切就绪，准时地迎接夏季用电高峰的开始。
9 参考文献
［1］ A Küchler F Huellmantel J Hoppe，等.电介质材料响应对高压直流输电（HVDC）变压器绝缘的影响.ISH03.Delft.2003.
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