肖 朋

(營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子工程系，遼寧 營(yíng)口 115000)

直流輸電具有送電穩(wěn)定、易于控制、損耗小、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，平波電抗器作為直流輸電中的重要設(shè)備之一，主要用來抑制整流后電路中的紋波[1]。以寧東-山東直流輸電工程中的±660 kV高壓干式平波電抗器為例，對(duì)平抗的技術(shù)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)原理、安裝方式、電氣性能、諧波損耗、噪聲防治、并聯(lián)避雷器選型等關(guān)鍵技術(shù)問題逐一進(jìn)行闡述，旨在為今后直流輸電工程中平波電抗器的設(shè)計(jì)和研究提供參考。

1 高壓干式平波電抗器的技術(shù)特點(diǎn)

1.1 平波電抗器的主要技術(shù)參數(shù)

1) 型式：干式、空心；

2) 額定電感：75 mH；

3) 額定電流：3 030 A；

4) 最大連續(xù)運(yùn)行直流電流：3 250 A；

5) 額定電壓：±660 kV；

6) 額定損耗：≤206 kW；

7) 平均溫升：≤80 K；

8) 熱點(diǎn)溫升：≤95 K；

9) 噪聲水平：≤70 dB(聲壓級(jí))；

10) 絕緣水平：如表1所示。

1.2 平波電抗器的設(shè)計(jì)原理

平波電抗器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于繞組的設(shè)計(jì)，繞組采用多并聯(lián)支路方式，每個(gè)支路又由多根相同的導(dǎo)線并聯(lián)繞制；數(shù)個(gè)支路并聯(lián)疊繞組成一個(gè)包封，數(shù)個(gè)包封并聯(lián)組成一個(gè)繞組[2]。各包封不僅有自感，而且還與其它包封之間有互感。根據(jù)包封之間電阻電壓相等的方法與損耗最小原理，準(zhǔn)確計(jì)算電感和各包封的溫升。包封溫升主要由繞組導(dǎo)線的電阻損耗、導(dǎo)線的渦流損耗及各包封繞組的循環(huán)電流等構(gòu)成的附加損耗所決定。

表1 絕緣水平

包封繞組有自感L11、L22、L33……Lnn，包封與包封之間有互感M12、M13、M21、M31……，其中M12=M21，M13=M31，包封繞組等效的數(shù)學(xué)方程式如下：

(jωL11+R1)I1+jωM12I2+jωM13I3+…+jωM1nIn=U1

jωM21I1+(jωL22+R2)I2+jωM23I3+…+jωM2nIn=U2

jωM31I1+jωM32I2+(jωL33+R3)I3+…+jωM3nIn=U3

…

jωMn1I1+jωMn2I2+jωMn3I3+…+(jωLnn+Rn)In=Un

轉(zhuǎn)化為矩陣方程為

(1)

解此方程組可求得包封繞組電流分配，平波電抗器的等效電感、等效電阻。

由于對(duì)上述方程組進(jìn)行直接求解計(jì)算比較困難，可運(yùn)用Bartky變換法計(jì)算出自感和互感[3]。由于干式平波電抗器每個(gè)包封的厚度相對(duì)于其直徑幾乎可以忽略不計(jì)，所以可以將各包封看作無限薄螺線管繞組。

圖1 無限薄螺線管繞組模型

如圖1中所示，半徑為r1、r2，高為h1、h2，單位長(zhǎng)度匝數(shù)為N1、N2，中心距離為s的同軸螺線管之間的互感為

M=2πμ0(r1r2)3/2N1N2[C(r1,r2,z1)-C(r1,r2,z2)+C(r1,r2,z3)-C(r1,r2,z4)]

(2)

式中，z1=h1+h2+s，z2=h1-h2+s，z3=-h1-h2+s，z4=-h1+h2+s。

函數(shù)C(r1,r2,z)定義如下：

(3)

從式(3)得出，當(dāng)r1=r2=r，h1=h2=h，s=0時(shí)，還可以求得高度為h、半徑為r、單位長(zhǎng)度匝數(shù)為N的螺線管的自感為

(4)

由式(4)可知，螺線管的自感與互感主要在于C(r1,r2,z)的求解。通過Bartky變換得到有效的解決方案。函數(shù)C(r1,r2,z)可以改寫為下面的形式：

C(r1,r2,z)=

(5)

其中：

1.3 平波電抗器的布局方式

送電端與受電端換流站平波電抗器的安裝布局方式有所不同。在布局上，兩座換流站在極母線側(cè)放置單臺(tái)75 mH平抗，中性點(diǎn)側(cè)放置3臺(tái) 75 mH 平抗相串聯(lián)，單極電感總量300 mH，即“1+3”設(shè)計(jì)方式。不同的是，由于送電端銀川東換流站環(huán)境污染比較嚴(yán)重，因此極母線側(cè)平抗被安裝于戶內(nèi)，而受電端青島站換流站環(huán)境較好，所以極母線側(cè)平抗被安裝于戶外。

1.4 平波電抗器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

兩座換流站使用的干式平波電抗器內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，都是由線圈、上下匯流排、撐條、絕緣樹脂等組成。導(dǎo)線股間絕緣采用耐熱等級(jí)為H級(jí)絕緣材料，匝絕緣采用耐熱等級(jí)為H級(jí)絕緣材料，整個(gè)線圈由多層導(dǎo)線并聯(lián)制成，如圖2所示，導(dǎo)線并聯(lián)結(jié)構(gòu)使線圈相鄰匝間的工作場(chǎng)強(qiáng)接近相等，保證了平波電抗器在工作電壓下運(yùn)行的可靠性。每層線圈在直流電壓作用下電場(chǎng)呈阻性分布，由于線圈導(dǎo)線的匝絕緣采用H級(jí)薄膜和稀緯無堿玻璃絲帶復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，有很高的電阻率，同時(shí)使匝絕緣具備良好的擊穿強(qiáng)度和韌性，高溫下不會(huì)融化、流動(dòng)或助燃。根據(jù)設(shè)備散熱需要，在線圈層間放置氣道撐條，被氣道分隔開的導(dǎo)線內(nèi)外側(cè)用絕緣膠束纏繞密封，線圈上下端部分也用絕緣膠束纏繞密封成斜梢狀，如圖3所示。

圖2 繞組電氣連接

圖3 繞組包封示意圖

1.5 平波電抗器的外部結(jié)構(gòu)

送電端銀川東極母線側(cè)平波電抗器整體安裝結(jié)構(gòu)如圖4所示，支撐部分由10柱支柱絕緣子構(gòu)成，每一柱包括高低不同的四節(jié)，支柱絕緣子采用傾斜的方式安裝，與水泥平臺(tái)成80°的傾斜角，同時(shí)為保證穩(wěn)定性，絕緣子之間使用拉筋連成整體。極母線側(cè)電抗器上下兩端配備有安裝避雷器的接口支架。因?yàn)槠娇构ぷ髟诟邏褐绷骶€路中，在高場(chǎng)強(qiáng)位置均裝配有均壓環(huán)，防止產(chǎn)生電暈現(xiàn)象。

圖4 銀川東換流站極母線側(cè)平波電抗器整體安裝結(jié)構(gòu)

受電端青島站極母線側(cè)平波電抗器整體安裝結(jié)構(gòu)如圖5所示，支撐部分由10柱支柱絕緣子構(gòu)成，每一柱包括高低不同的五節(jié)，支柱絕緣子采用傾斜的方式安裝，與水泥平臺(tái)成80°的傾斜角，同時(shí)為保證穩(wěn)定性，絕緣子之間使用拉筋連成整體[4-5]。由于該站的平抗被安裝于戶外，因此電抗器的線圈本體設(shè)計(jì)有防雨降噪裝置，可以降低平抗的噪聲水平和防止淋雨。極母線側(cè)電抗器上下兩端配備由安裝避雷器的接口支架，在平抗的各高場(chǎng)強(qiáng)位置均裝配有均壓環(huán)。

圖5 青島換流站極母線側(cè)平波電抗器整體安裝結(jié)構(gòu)

送、受電兩端中性點(diǎn)側(cè)平波電抗器結(jié)構(gòu)與極母線側(cè)完全不同，如圖6所示。中性點(diǎn)側(cè)平抗與極母線側(cè)平抗的區(qū)別包括三方面：一是絕緣支撐結(jié)構(gòu)不同，極母線側(cè)平抗對(duì)絕緣子高度的選取比較高，中性點(diǎn)側(cè)對(duì)絕緣子高度選取較低，每柱只有一節(jié)絕緣子[6]；二是電暈環(huán)直徑不同，極母線側(cè)直徑為Φ100 mm的電暈環(huán)，中性點(diǎn)側(cè)直徑為Φ60 mm的電暈環(huán)；三是低壓側(cè)無需安裝避雷器。

圖6 兩站中性點(diǎn)側(cè)平波電抗器整體安裝結(jié)構(gòu)

2 高壓干式平波電抗器的絕緣技術(shù)

電抗器的絕緣主要指每層繞組的表面絕緣，為避免出現(xiàn)漏電起痕等問題，電抗器上下端之間的表面爬電距離設(shè)計(jì)的越大越好[7-8]。根據(jù)寧東-山東直流輸電工程中660 kV、3 030 A、75 mH平波電抗器的沖擊耐受要求指標(biāo)1 050 kV，兩端之間的爬電距離取3 290 mm，表面50%沖擊閃絡(luò)電壓約為1 190 kV，因此完全可以保證線圈在1 050 kV雷電沖擊下無閃絡(luò)。

3 高壓干式平波電抗器的諧波損耗

諧波電流在繞組上產(chǎn)生的電能損耗，會(huì)加大溫升，帶來負(fù)面影響。諧波損耗這一指標(biāo)從某種程度上反映著設(shè)備的可靠性，也是反映制造水平的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。為了盡可能減小諧波電流產(chǎn)生的渦流損耗和環(huán)流損耗，仍然利用全絕緣H級(jí)換位導(dǎo)線進(jìn)行抑制。換位導(dǎo)線的關(guān)鍵點(diǎn)在于各股導(dǎo)線之間良好的絕緣，沒有感應(yīng)電流的環(huán)路，進(jìn)而使諧波損耗得到了有效的控制。換位導(dǎo)線由多根小直徑的單絲鋁導(dǎo)線組成，鋁導(dǎo)線高密度換位使一個(gè)繞組包內(nèi)的所有并列導(dǎo)線就像絞線那樣合并成一個(gè)支路，大大減少電抗器繞組并聯(lián)支路數(shù)，因此對(duì)于3 030 A的寧東-山東直流輸電工程中的平波電抗器，并聯(lián)支路僅僅20個(gè)，與中小容量電抗器和限流電抗器屬于同一個(gè)范圍，因而諧波電流分布偏差對(duì)工藝偏差的敏感性得到有效控制。

4 高壓干式平波電抗器的噪聲防治

4.1 噪聲計(jì)算

平波電抗器通電工作時(shí)，既有電流也有磁場(chǎng)。當(dāng)電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度兩個(gè)因素中的任何一個(gè)或全部隨時(shí)間交變時(shí)，繞組所受的磁場(chǎng)力就會(huì)發(fā)生變化，從而引起繞組的振動(dòng)和電磁噪聲。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算，如果不采取必要的措施，在距離線圈表面3 m遠(yuǎn)處，聲壓級(jí)為85.4 dB，比技術(shù)協(xié)議要求超過了15.4 dB，計(jì)算還表明干式平波電抗器的噪聲聲譜集中在600 Hz～1 200 Hz，其中600 Hz為最大值，基本決定了電抗器的總聲壓級(jí)。

4.2 降噪裝置

眾所周知，平波電抗器線圈主要是根據(jù)溫升、絕緣以及動(dòng)熱穩(wěn)定要求來設(shè)計(jì)的。在結(jié)構(gòu)形式和工藝方法一定的條件下，很難通過繞組的優(yōu)化設(shè)計(jì)來大幅度地降低噪聲。計(jì)算表明，對(duì)于厚包封和熱固化成型的線圈，假設(shè)增大單層繞組厚度使彈性振動(dòng)幅度降低一半，也只能降低3 dB。因此，必須采用其他的技術(shù)手段進(jìn)行降噪處理。

一般電抗器降噪裝置通常是采用各種各樣的隔聲罩。隔聲罩將線圈包圍在內(nèi)，影響了通風(fēng)條件，溫升難于控制。因此國(guó)內(nèi)外只在損耗小、發(fā)熱量低的小型電抗器上有加裝隔聲罩。在寧東-山東直流輸電工程中的平波電抗器在最大連續(xù)電流下的發(fā)熱損耗為234 kW，如果像普通電抗器那樣被完整地罩起來，溫升將會(huì)受到很嚴(yán)重的影響。為此，該產(chǎn)品采取了吸聲為主、隔聲為輔的設(shè)計(jì)原理的新型結(jié)構(gòu)降噪裝置，化解了降噪與升溫之間的矛盾。圖7中給出了平波電抗器獨(dú)有的防雨降噪裝置結(jié)構(gòu)，主要包括消聲器、吸聲罩、吸聲筒等組成部分。

圖7 平波電抗器防雨降噪裝置結(jié)構(gòu)

裝配降噪裝置后，噪聲降為69 dB，滿足技術(shù)協(xié)議規(guī)定的不超過70 dB的要求。其中上下兩端噪聲罩體內(nèi)的吸聲材料選用阻燃等級(jí)不低于C級(jí)的有機(jī)棉，難以持續(xù)燃燒。而對(duì)于承受電壓的中部吸聲筒，其內(nèi)部填充的吸聲棉為無機(jī)棉，完全不能燃燒。此外，為防止吸聲筒吸聲棉吸潮而放電，與空氣接觸的一面鋪設(shè)一層憎水性耐高溫電工薄膜，隔離霧氣。

5 高壓干式平波電抗器的避雷器選型

寧東-山東直流輸電工程中單臺(tái)平抗的雷電沖擊水平要求為1 050 kV，考慮1.2倍絕緣保護(hù)系數(shù)，則并聯(lián)避雷器的保護(hù)殘壓值可設(shè)定為875 kV，根據(jù)避雷器廠家通常的制作能力，其參考電壓值應(yīng)選取467 kV，可推出避雷器的額定電壓值大約在330 kV左右，同時(shí)避雷器還應(yīng)具有3.3 MJ的短時(shí)能量吸收能力，最終并聯(lián)避雷器的主要參數(shù)如表2所示。

表2 寧東-山東直流輸電工程平抗并聯(lián)避雷器主要參數(shù)

6 結(jié) 語

對(duì)高壓干式平波電抗器的主要技術(shù)參數(shù)、安裝布局方式、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、內(nèi)絕緣設(shè)計(jì)、外絕緣設(shè)計(jì)、諧波損耗、噪聲理論、噪聲計(jì)算、降噪裝置和避雷器選型等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析與研究，并提出應(yīng)對(duì)措施，為今后高壓干式平波電抗器的設(shè)計(jì)和制造提供了重要參考。

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