陳宗器

1 引言

眾所周知，在直流輸電系統(tǒng)中，換流變壓器是最重要的設(shè)備之一，它不僅參與了換流器的交流電與直流電的相互變換，而且還承擔(dān)著改變交流電壓數(shù)值、抑制直流短路電流等作用，此外特高壓換流變壓器容量大，由其組成的換流站額定功率為5200～6400MW，額定電流為 3250～4000A。額定電壓為±800kV、±600kV、±400kV、±200kV四檔換流變壓器，型式為單相、雙繞組、油浸式，設(shè)備復(fù)雜，投資昂貴，單臺(tái)平均突破4000萬元。西門子公司提供向上線的±800kV換流變壓器單臺(tái)售價(jià)高達(dá)1億元。因此，換流變壓器的可靠性、可用率以及投資對(duì)整個(gè)直流輸電系統(tǒng)起著關(guān)鍵性的影響。

我國(guó)掌握換流變壓器設(shè)計(jì)制造技術(shù)應(yīng)該歸功于三峽工程的建設(shè)。

2 三峽工程簡(jiǎn)介

三峽電網(wǎng)是三峽工程的三大組成部分之一，承擔(dān)著三峽電力外送的重要任務(wù)，要使機(jī)組發(fā)電“送得出、落得下、用得上”。原設(shè)計(jì)送電能力為華中12000 MW，華東7200 MW、川渝2000MW。三峽電網(wǎng)共建 500kV線路 9100km，其中交流輸電線路總長(zhǎng)度6900km，直流輸電線路總長(zhǎng)2200km，交流變電容量24750MVA，直流換流站容量12000MW。2002年起調(diào)整為：交流線路 55個(gè)單項(xiàng)，線路總長(zhǎng)6519km，交流變電33個(gè)單項(xiàng)，變電容量22750MVA，直流工程總計(jì)3個(gè)單項(xiàng)，線路3條，總長(zhǎng)2965km，換流站 6座總?cè)萘?18000MW。建設(shè)安排分三個(gè)階段：第一階段 1997-2003年關(guān)鍵是建三峽至常州直流輸電工程，并保證500kV交流工程配套送出，并加強(qiáng)鄂豫、鄂湘、鄂贛聯(lián)網(wǎng)。第二階段 2004-2006年關(guān)鍵是建三峽至廣東直流輸電工程，保證左岸電站發(fā)電送出，建設(shè)相應(yīng)交流工程，第三階段2007-2010年確保右岸電站發(fā)電送出，關(guān)鍵是建三峽至上海直流工程，并保證500kV交流工程配套送出。實(shí)際執(zhí)行結(jié)果第三階段已于2007年提前結(jié)束，整個(gè)三峽輸變電工程 2008年 12月 20日通過國(guó)務(wù)院驗(yàn)收，動(dòng)態(tài)投資343.87億元。

三峽電站3條直流線路的建成，使中國(guó)成為世界上第一個(gè)直流輸電大國(guó)，并基本上學(xué)會(huì)自行設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)、調(diào)試及運(yùn)行。在資源配備上也以充沛的綠色水電供應(yīng)缺電嚴(yán)重的蘇粵滬。表1列出了三峽電量外送情況。

單從輸電的業(yè)績(jī)來看，一條三峽到廣東的超高壓直流輸電線可年送電量140億 kW·h左右，而晉東南到荊門的特高壓輸電線運(yùn)行一年來輸送電量?jī)H91億 kW·h。由此看來直流輸電效率要比交流輸電高，其中換流變壓器功勛卓著。

3 換流變壓器的功能與特點(diǎn)

換流變壓器的主要功能體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

表1 三峽電量外送情況

（1）參與實(shí)現(xiàn)交流電與直流電之間的相互交換。

（2）實(shí)現(xiàn)電壓變換。將交流系統(tǒng)的高電壓（一般為500kV或220kV）降低到適合換流器需要的交流電壓（一般為220kV左右）。

（3）抑制直流故障電流。換流變壓器的漏抗限制了閥臂短路的直流母線短路時(shí)的故障，能有效保護(hù)換流閥。

（4）削弱交流系統(tǒng)入侵直流系統(tǒng)的過電壓。

（5）減少換流器注入直流系統(tǒng)的諧波。換流變壓器的漏抗對(duì)換流器產(chǎn)生的諧波電流具有一定的抑制作用。

（6）實(shí)現(xiàn)交、直流系統(tǒng)的電氣隔離。

換流變壓器的特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）絕緣要求高。換流變壓器閥側(cè)繞組同時(shí)承受交流電壓和直流電壓，因此換流變壓器的閥側(cè)繞組除承受正常交流電壓產(chǎn)生的應(yīng)力外，還要承受直流電壓產(chǎn)生的應(yīng)力。另外，直流電壓全壓起動(dòng)以及極性反轉(zhuǎn)都會(huì)造成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。

（2）有載調(diào)壓范圍寬。為了將觸發(fā)延遲角控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)以保證直流輸電運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)滿足換流母線電壓變化的要求，換流變壓器采用有載調(diào)壓式，且其調(diào)壓范圍很寬，一般高達(dá)20%～30%，操作也頻繁。

（3）噪聲大。換流器產(chǎn)生的諧波全部流過換流變壓器，這些諧波頻率低，容量大，導(dǎo)致?lián)Q流變壓器鐵心磁滯伸縮而產(chǎn)生噪聲。這些噪聲一般處于聽覺較靈敏的頻帶，因此換流變壓器產(chǎn)生的可聽噪聲較諧波污染不嚴(yán)重的普通電力變壓器更嚴(yán)重，大約能增加20Db。

（4）損耗高。大量諧波流過換流變壓器導(dǎo)致渦流和雜散損耗加大，有時(shí)可能使換流變壓器的某些金屬部件和油箱產(chǎn)生局部過熱。

（5）短路阻抗較大。為了限制閥臂或直流母線短路導(dǎo)致的故障電流，以免損壞換流閥的晶閘管器件，換流變壓器應(yīng)有足夠大的短路阻抗。但短路阻抗不能太大，否則會(huì)使換流器正常運(yùn)行時(shí)吸收的無功增加，增加無功補(bǔ)償設(shè)備容量，并導(dǎo)致?lián)Q相壓降過大。換流變壓器的短路阻抗百分?jǐn)?shù)通常為12%～18%。

（6）直流偏磁嚴(yán)重。運(yùn)行中由于交直流線路的耦合、換流閥觸發(fā)延遲角的不平衡、接地極電位的升高以及換流變壓器閥側(cè)存在2次諧波等原因，將導(dǎo)致?lián)Q流變壓器閥側(cè)及網(wǎng)側(cè)繞組的電流中產(chǎn)生直流分量，使換流變壓器產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象，導(dǎo)致?lián)Q流變壓器鐵心損耗、溫升及噪聲都有所增加。

（7）試驗(yàn)繁復(fù)。除了普通電力變壓器的例行試驗(yàn)和型式試驗(yàn)之外，還要添加直流方面的試驗(yàn)、直流電壓局部放電試驗(yàn)、直流電壓極性反轉(zhuǎn)試驗(yàn)等。

4 我國(guó)掌握換流變壓器技術(shù)的過程

從20世紀(jì)80年代我國(guó)先后引進(jìn)法國(guó)阿爾斯通公司和日本日立公司交流 500kV大型電力變壓器的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，并通過技術(shù)合作和項(xiàng)目合作等方式學(xué)習(xí)借鑒了瑞典 ABB、德國(guó)西門子、日本三菱、東芝、烏克蘭扎布羅日變壓器廠、奧地利伊林等國(guó)外主要變壓器制造企業(yè)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，已經(jīng)形成了自己的大型變壓器設(shè)計(jì)、制造和開發(fā)能力，80年代初我國(guó)制造出第一臺(tái) 500kV變壓器。三峽工程開建前，我國(guó)并不具備三峽直流工程換流變壓器的設(shè)計(jì)制造能力。為使國(guó)家重大裝備制造的核心技術(shù)不再受制于別人，三峽建委決定三峽直流工程設(shè)備實(shí)行國(guó)際采購，并制定了“技貿(mào)結(jié)合、技術(shù)引進(jìn)、聯(lián)合設(shè)計(jì)、合作制造”的技術(shù)路線，運(yùn)用國(guó)際招標(biāo)的方式引進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)后消化吸收再創(chuàng)新，逐步實(shí)現(xiàn)我國(guó)換流變壓器的國(guó)產(chǎn)化，同時(shí)選擇我國(guó)最具優(yōu)勢(shì)的沈陽變壓器廠和西安變壓器廠作為引進(jìn)技術(shù)的受讓方。

在招標(biāo)文件的編制階段，國(guó)務(wù)院專門設(shè)立了技術(shù)轉(zhuǎn)讓組，國(guó)內(nèi)制造廠參加，并根據(jù)其自身的技術(shù)和產(chǎn)品需求，列出量身定衣的采購清單，以此作為國(guó)際招標(biāo)的主要內(nèi)容，同時(shí)組織國(guó)內(nèi)相關(guān)專家評(píng)估外商技術(shù)轉(zhuǎn)讓的深度，并把評(píng)估結(jié)果作為評(píng)標(biāo)的重要指標(biāo)。在招標(biāo)設(shè)計(jì)中，將國(guó)外供貨商向國(guó)內(nèi)企業(yè)轉(zhuǎn)讓關(guān)鍵技術(shù)作為必要條件，不僅要求轉(zhuǎn)讓圖紙，還要將相關(guān)設(shè)計(jì)軟件和管理理念等全部轉(zhuǎn)讓，使國(guó)內(nèi)企業(yè)能夠獨(dú)立進(jìn)行換流變壓器的制造。招標(biāo)文件中明確了三個(gè)必須：①投標(biāo)者對(duì)供貨設(shè)備的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)負(fù)全部責(zé)任，必須與中國(guó)有資格的企業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)、合作制造；②投標(biāo)者必須向中國(guó)制造企業(yè)轉(zhuǎn)讓技術(shù)，并培訓(xùn)中方；③中國(guó)制造企業(yè)分包份額不低于總價(jià)合同的30%（三常線）、50%（三廣線）、70%（三滬線），必須由中國(guó)制造企業(yè)為主制造4臺(tái)（三常線）、8臺(tái)（三廣線）、14臺(tái)（三滬線）換流變壓器。

在三峽第一條線三常線的招標(biāo)過程中，經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、公正的態(tài)度，歷時(shí) 40天的評(píng)標(biāo)，確定ABB公司和西門子公司中標(biāo)，合同總金額為4.2億美元，其中包括制造技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)1527萬美元。同時(shí)簽署的還有直流技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)和合作生產(chǎn)合同，融資協(xié)議總金額5.06億美元。具體來說三峽送端龍泉站設(shè)備全系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)、受端政平換流站設(shè)備（除換流變壓器）由瑞典ABB總承包，政平站換流變壓器由西門子公司承包。西變和沈變分別為ABB和西門子公司的分包單位，兩單位在原已掌握500kV大型電力變壓器技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過消化吸收引進(jìn)技術(shù)，掌握了電氣原理，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算方法，完成計(jì)算程序及圖樣的轉(zhuǎn)化，采購了先進(jìn)的工藝設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了工藝方法的更新和調(diào)整，并結(jié)合本企業(yè)成熟經(jīng)驗(yàn)，加以創(chuàng)新，分別制造出合格換流變壓器樣品。產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)，性能優(yōu)良，運(yùn)行情況良好，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，然而售價(jià)卻有一定幅度的下降。

西變合作生產(chǎn)三常線送端龍泉換流站±500kV單相雙繞組、容量297.5MVA、電壓比（）/（）kV的換流變壓器（其中 Y/Y聯(lián)結(jié)和Y/D聯(lián)結(jié)各一臺(tái)）；沈變合作生產(chǎn)三常線政平換流站±500kV單相雙繞組、容量 283.7MVA、電壓比（×1.25%）/（）kV的換流變壓器（其中Y/Y聯(lián)結(jié)和Y/D聯(lián)結(jié)各一臺(tái)）。就這樣我國(guó)僅用五年時(shí)間趕上了與發(fā)達(dá)國(guó)家±500kV換流變壓器相差23年的差距。

2006年國(guó)家電網(wǎng)公司根據(jù)國(guó)情提出要建設(shè)±800kV特高壓直流輸電線路，因?yàn)橐换靥馗邏褐绷骶€路可輸送電力64000MW，是±500kV級(jí)直流線路輸送能力的2倍，線路損耗可降低約60%，輸電距離可達(dá)2500km。但高端換流變壓器（指±800kV級(jí)及±600kV級(jí)）制造難度較大，尚需得到國(guó)外廠商的協(xié)助。國(guó)家發(fā)改委曾電告有關(guān)廠商，西門子、ABB公司聞風(fēng)而動(dòng)，先期做出概念設(shè)計(jì)，并通過有關(guān)試驗(yàn)，驗(yàn)證了技術(shù)上的可行性。其中云廣線最難制作的換流變壓器單臺(tái)容量為800kV252MVA單相雙繞組，向上線則為800kV321MVA。與三峽項(xiàng)目不同，這次由我方總承包，但仍采用“技貿(mào)結(jié)合、技術(shù)引進(jìn)、聯(lián)合設(shè)計(jì)、合作制造”的技術(shù)路線。

2009年，12月6日特變電工沈變向上線奉賢站使用的±800kV換流變壓器順利通過關(guān)鍵絕緣試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異，部分試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于國(guó)外企業(yè)同類產(chǎn)品。12月 8日云廣線楚雄站（海拔1850m）使用的±800kV換流變壓器成功升壓至額定電壓 800kV。12月 2日西電西變?yōu)橄蛏暇€制造的ZZDFPZ-321100/500-400換流變壓器一次性通過全部出廠試驗(yàn)，空載和負(fù)載損耗、空載電流、溫升等主要性能指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)標(biāo)和技術(shù)協(xié)議要求，其中局部放電量小于 50PC，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。12月19日西電常變通過400t運(yùn)河碼頭，將一臺(tái)向上線換流變壓器發(fā)往西川向家壩。10月±800kV換流變壓器在保變秦皇島基地試制成功。與此同時(shí)我方駐西門子紐倫堡變壓器廠的監(jiān)造組曾提出過向上線高端變壓器產(chǎn)氣過多、局部放電量偏大問題，經(jīng)德方改進(jìn)后，已于11月27日通過試驗(yàn)。目前云廣線單極已于12月28日單極投運(yùn)，2010年6月18號(hào)雙極投運(yùn)，項(xiàng)目綜合國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到62.9%。向上線2010年 7月 8號(hào)雙極投運(yùn)綜合國(guó)產(chǎn)化率又稍有提高至67%，充分說明我國(guó)已掌握±800kV換流變壓器的制造技術(shù)。表2為已建和在建換流變壓器各廠中標(biāo)情況。

表2 國(guó)內(nèi)已在建換流變中標(biāo)情況

5 換流變壓器的市場(chǎng)預(yù)測(cè)

眾所周知，直流工程一般依賴于大型水、火電基地。目前我國(guó)十三大水電基地中，黃河上游、烏江、紅水河已開發(fā)過半；正在積極開發(fā)全沙江、雅礱江、大渡河、瀾滄江；怒江因環(huán)保人士有爭(zhēng)議暫時(shí)擱置；黑龍江中俄界河，因俄方電力過剩，經(jīng)濟(jì)實(shí)力缺乏，不能積極配合中方，前期工作進(jìn)度緩慢。火電基地中皖北、黑東、云貴已開發(fā)過半，今后則將依賴山西、陜北、寧東、蒙西、錫盟、呼盟、哈密等火電基地。電力傳輸基地離受端發(fā)達(dá)地區(qū)的距離已由原1000km左右擴(kuò)展到2000km左右，非依賴超高壓和特高壓直流遠(yuǎn)距離輸電工程不可。根據(jù)有關(guān)部門預(yù)測(cè)未來線路如表3所示。

根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)，其中±220kV級(jí)1項(xiàng)±400kV級(jí)1項(xiàng)，±500kV級(jí)5項(xiàng)，±660kV級(jí)9項(xiàng)，±800kV級(jí)14項(xiàng)，±1000kV級(jí)5項(xiàng)，初步估算約需換流變壓器1526臺(tái)，價(jià)值為610億元以上。

表3 2020年中國(guó)直流輸電工程規(guī)劃