Comsol大型换流变压器电场计算

换流变压器

换流变压器(Converter Transformer) 是指接在换流桥与交流系统之间的电力变压器。采用换流变压器实现换流桥与交流母线的连接，并为换流桥提供一个中性点不接地的三相换相电压。换流变压器与换流桥是构成换流单元的主体。

   

图1.  大型换流变压器

换流变压器是超高压直流输电工程中至关重要的关键设备，是交、直流输电系统中的整流、逆变两端接口的核心设备。它的投入和安全运行是工程取得发电效益的关键和重要保证。换流变压器的关键作用，要求其具有高可靠性和高技术性能。因为有交、直流电场、磁场的共同作用，所以换流变压器的结构特殊、复杂，关键技术高难，对制造环境和加工质量要求严格。开展换流变压器设计制造关键技术的研究、攻克和制造条件改造工作，不断提高试验手段，将有利于全面掌握换流变压器的设计制造技术，实现换流变压器国产化，填补国内空白。同时可促进国内交、直流输电设备设计制造水平的进一步提高和发展，为特高压交、直流输变电设备的发展打下基础，做好前期准备，实现换流变压器国产化。

换流变压器在直流输电系统中的作用有：

1、传送电力；

2、把交流系统电压变换到换流器所需的换相电压；

3、利用变压器绕组的不同接法，为串接的两个换流器提供两组幅值相等、相位相差30°(基波电角度)的三相对称的换相电压以实现十二脉动换流；

4、将直流部分与交流系统相互绝缘隔离，以免交流系统中性点接地和直流部分中性点接地造成直接短接，使得换相无法进行；

5、换流变压器的漏抗可起到限制故障电流的作用；

6、对沿着交流线路侵入到换流站的雷电冲击过电压波起缓冲抑制的作用。

仿真模型

在换流变压器的绝缘结构设计中，也采用小油隙间隔的结构，但普通电力变压器只承受工频交流电压，工频交流电压下的电场分布是由介电常数决定的；而换流变压器需要承受直流电压，直流电压下的电场分布是由电导率决定。

由于换流变压器内部几何结构复杂，各部分结构尺寸相差悬殊，在满足电场求解精度的前提下，为了合理简化求解过程，以满足计算机工作限度，在电场计算中对换流变压器模型作出以下基本假设，即忽略了绕组端部的套管、引线对其电场分布的影响。

基于Comsol有限元计算软件建立二维换流变压器计算模型，各部分的尺寸按照1：1的比例结构图建立，具体计算模型和材料参数设置如图2和3所示。

   

图2. 换流变压器物理计算模型

   

图3. 计算材料参数和铁芯BH曲线

物理场边界条件

模型采用电流场模型进行计算，详细的物理场及边界条件设置如图4所示，网格剖分及质量分布如图5所示。

   

图4. 物理场边界条件

   

   

图5. 网格分布图

结果展示

通过计算得到换流变压器直流和交流电势、电场分布下所示。

   

图6. 直流电势分布

   

图7. 直流电场分布

   

图8. 直流电场线分布

   

图9. 交流电势分布

   

图10. 交流电场分布

   

图11. 交流电场线分布