鄭帥 李政

摘要：高壓直流斷路器的正常工作需要實(shí)現(xiàn)在高電位平臺(tái)上的供能，因此需要一種特殊的高壓隔離變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)此需求，同時(shí)該供能變壓器的可靠性對(duì)直流斷路器的整體運(yùn)行可靠性有著決定性的意義，對(duì)直流電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行有著極其重要的作用。本文介紹一種國(guó)內(nèi)研制的500kV SF6氣體絕緣供能變壓器，它經(jīng)過(guò)型式試驗(yàn)驗(yàn)證、近1年的世界首個(gè)±500千伏多端柔性直流電網(wǎng)工程上掛網(wǎng)試運(yùn)行，情況良好。

關(guān)鍵詞：500kv;斷路器;sf6氣體

1 直流斷路器對(duì)供能變壓器設(shè)備的基本要求

1.1 基本功能

500kV SF6氣體絕緣供能變壓器作為主供能變壓器，實(shí)現(xiàn)將地電位的交流電源送到535kV高電位平臺(tái)，用于直流斷路器轉(zhuǎn)移支路及開(kāi)關(guān)支路元器件的供能。其中對(duì)于機(jī)械式直流斷路器，其高電位平臺(tái)的用電負(fù)載主要有儲(chǔ)能電容的充電及續(xù)流、閥組的驅(qū)動(dòng)、高速開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)及控制、二次裝置等，作為層間變壓器的輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)主支路電力電子開(kāi)關(guān)、主支路快速機(jī)械開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)移支路電力電子開(kāi)關(guān)等設(shè)備的能量提供，確保直流斷路器設(shè)備運(yùn)行不依賴系統(tǒng)電源，實(shí)現(xiàn)站用電與斷路器供電回路的電氣隔離。

1.2 潛在要求

1.2.1 輸出接口

區(qū)別于普通的隔離變壓器，供能變的隔離電壓非常高，導(dǎo)致原副邊之間絕緣距離較大（>200mm），因此其阻抗電壓較高，導(dǎo)致其在斷路器空載（對(duì)機(jī)械式斷路器指其儲(chǔ)能電容未充電）及滿載（對(duì)機(jī)械式斷路器指其儲(chǔ)能電容充滿電并且充放電平衡時(shí)）的電壓輸出波動(dòng)較大，無(wú)法滿足閥組及高速開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)要求（閥組驅(qū)動(dòng)要求電壓波動(dòng)5%，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)要求波動(dòng)<3%），雖然可以通過(guò)在高電位平臺(tái)上增設(shè)穩(wěn)壓電源實(shí)現(xiàn)，但在實(shí)際運(yùn)行中，特別是斷路器執(zhí)行開(kāi)斷過(guò)程中，高頻高幅值（幾十kA，幾千Hz）的電磁脈沖對(duì)電子設(shè)備的抗干擾是非常大的考驗(yàn)。因此，綜合考慮可行性及斷路器的運(yùn)行可靠性，一般采用對(duì)供能變進(jìn)行匝數(shù)（整數(shù)或分?jǐn)?shù)匝）調(diào)節(jié)的辦法平衡其在斷路器空載及滿載下的電壓波動(dòng)范圍。

1.2.2 絕緣可靠性

SF6氣體絕緣變壓器內(nèi)部采用純SF6氣體絕緣，出線采用復(fù)合套管加內(nèi)外屏蔽電極的方式，在絕緣設(shè)計(jì)上有以下特點(diǎn)：1）無(wú)內(nèi)部環(huán)氧支撐件，避免了長(zhǎng)期直流電場(chǎng)下的絕緣件表面積聚及由于電荷積聚導(dǎo)致的沿面閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn);2）大直徑復(fù)合套管，該供能變出線套管類(lèi)比于相同沖擊水平的交流套管，其直徑大約40%，目的在于降低復(fù)合套管SF6側(cè)的法向電場(chǎng)，保證了其在長(zhǎng)期直流電壓下的沿面絕緣強(qiáng)度;3）全屏蔽電極結(jié)構(gòu)，高低壓繞組全部有屏蔽電極，實(shí)現(xiàn)氣室內(nèi)部電場(chǎng)的均勻化，有效利用SF6氣體在稍不均勻電場(chǎng)下的高絕緣強(qiáng)度。

2 500kV SF6氣體絕緣供能變壓器的研制工作原理及結(jié)構(gòu)

2.1 鐵芯及繞組合理的電磁設(shè)計(jì)

對(duì)于供能變壓器而言，由于受絕緣氣體散熱及空間尺寸的限制，變壓器的設(shè)計(jì)容量非常受限，因此提高對(duì)平臺(tái)負(fù)載的供電效率即可以減低供能變的運(yùn)行壓力，降低其損耗發(fā)熱，也可以提高平臺(tái)層的電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)各子平臺(tái)層間隔離變的多級(jí)串聯(lián)供電。從主供能變的設(shè)計(jì)角度，主要考慮以下兩方面實(shí)現(xiàn)：1）低磁密設(shè)計(jì)：最大程度上減輕由于磁化曲線的非線性導(dǎo)致的波形畸變及對(duì)供電效率的影響;2）低損耗設(shè)計(jì)：降低的空載損耗及空載電流既可以實(shí)現(xiàn)變壓器本體的低溫升，同時(shí)降低了有功及無(wú)功功率對(duì)電壓波形畸變的影響。

因此選用B23R085，寶鋼磁疇細(xì)化高磁感型硅鋼片，鐵心參數(shù)：P15/50=0.59W/kg，P17/50=0.80W/kg，額定磁密1.47T，飽和磁密1.9～2.0T，斜接縫多級(jí)疊片，保證鐵心性能及工藝性能遠(yuǎn)優(yōu)于常用規(guī)格硅鋼片30Q120。

2.2 短路阻抗

由于供能變壓器主要用于對(duì)系統(tǒng)電源供電，因此短路阻抗將是其主要考核性能指標(biāo)之一，該變壓器為兩個(gè)同心式繞組。輸入（一次）線圈套裝于鐵心柱上，外套屏蔽筒，輸出（二次）線圈澆注于鋁殼中后套裝于輸入線圈的外側(cè)，保持同心結(jié)構(gòu)，且一次線圈和二次線圈之間保持一定的絕緣距離，滿足輸出輸入之間的隔離耐壓要求。

500kV SF6氣體絕緣供能變壓器作為主供能變壓器，其安裝位置一般在閥廳內(nèi)，而其輸入電源（一般為站用電或UPS電源）離供能變較遠(yuǎn)，因此需要盡可能避免由于供能變合閘勵(lì)磁涌流引起的保護(hù)跳閘，適當(dāng)提高阻抗電壓的設(shè)計(jì)可以有效降低其合閘勵(lì)磁涌流，并且相對(duì)于投切合閘電阻的方案，其實(shí)現(xiàn)成本較低，控制邏輯簡(jiǎn)單且可靠性較高。采用高阻抗設(shè)計(jì)，由此導(dǎo)致較大的合閘勵(lì)磁涌流，該合閘勵(lì)磁涌流的峰值與供能變的短路阻抗及合閘相角相關(guān)，短路阻抗越小，合閘相角越接近零，則合閘勵(lì)磁涌流越大，對(duì)變壓器繞組的沖擊也越大。采用高阻抗設(shè)計(jì)的供能變可以有效降低在各合閘相角工況下的勵(lì)磁涌流，與常規(guī)同容量的隔離變相比，其峰值勵(lì)磁涌流僅為43.5%，由此推算的短時(shí)電動(dòng)力沖擊僅為19%。因此短路阻抗的設(shè)計(jì)既要考慮變壓器的經(jīng)濟(jì)性，又要考慮耐沖擊能力。

2.3 高壓線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸出高壓繞組及高壓出線裝置采用懸掛式結(jié)構(gòu)，避免了高壓線圈組件與接地外殼之間的絕緣支撐件，從根本上消除了絕緣件沿面在長(zhǎng)期直流電壓作用下的表面電荷積聚，該表面電荷積聚會(huì)導(dǎo)致界面上的絕緣強(qiáng)度顯著下降（據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可產(chǎn)生30%沿面閃絡(luò)電壓的損失）及絕緣界面的老化風(fēng)險(xiǎn)，長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性高。

輸出高壓繞組為保證有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，先將高壓導(dǎo)線繞制與高壓絕緣筒上，再用環(huán)氧樹(shù)脂將其澆注固定于高壓線圈筒中，為滿足外部的屏蔽要求，高壓線圈筒外側(cè)兩端安裝開(kāi)口式半圓弧形屏蔽環(huán)，兩半屏蔽環(huán)卡夫結(jié)構(gòu)用鉚釘緊固連接，滿足均壓環(huán)大曲率半徑的設(shè)計(jì)要求，且滿足高壓繞組距鐵心側(cè)屏蔽的絕緣要求。

2.4 內(nèi)部屏蔽的設(shè)計(jì)

內(nèi)部高電位區(qū)設(shè)置上屏蔽電極，在直流電壓下由于電場(chǎng)力方向恒定，微粒將可能直接運(yùn)動(dòng)到高壓導(dǎo)體附近及絕緣件表面，因此直流場(chǎng)下需采用有效的微粒抑制措施。為了抑制產(chǎn)品內(nèi)部金屬導(dǎo)電微粒，高壓頂板上設(shè)計(jì)成倒八字形帶凹槽的屏蔽電極，該電極一方面可以均勻內(nèi)外部電場(chǎng)分布，另一方面，它電極底部設(shè)置凹槽，形成一個(gè)凹陷的低電場(chǎng)區(qū)，當(dāng)金屬導(dǎo)電微粒一旦被捕捉到該電極凹槽區(qū)，由于微粒向上運(yùn)動(dòng)需要滿足電場(chǎng)大于臨界浮起場(chǎng)強(qiáng)的條件，而微粒所在的低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)將使此條件無(wú)法滿足，微粒將很難再次躍出凹槽，達(dá)到有效捕捉高壓端游離的導(dǎo)電微粒。

2.5 高低壓線圈散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

供能變壓器運(yùn)行中，高低壓繞組、鐵心及其他結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生的損耗轉(zhuǎn)化為熱量，使這些部件的溫度升高，絕緣材料長(zhǎng)期在熱作用下，將導(dǎo)致絕緣的老化逐漸喪失絕緣性能。為了將熱量從線圈或鐵心中發(fā)散到介質(zhì)中去，將高壓線圈固定于高壓線圈筒內(nèi)，分段澆注環(huán)氧樹(shù)脂，且高壓線圈筒一端開(kāi)口;低壓線圈繞制在低壓絕緣筒上，再套裝于鐵心柱上，將低壓絕緣筒中心開(kāi)腰形孔，兩端開(kāi)通孔，形成縱向和橫向通道。采用開(kāi)間隙的方法以增大熱傳導(dǎo)和對(duì)流散熱，及時(shí)有效地將熱量傳遞到周?chē)橘|(zhì)中，達(dá)到最終的熱平衡狀態(tài)。

該結(jié)構(gòu)通過(guò)熱仿真計(jì)算，計(jì)算表明鐵心溫升最高，熱點(diǎn)溫升值約為38K。產(chǎn)品在額定負(fù)荷下，關(guān)鍵部件高壓線圈、低壓線圈、鐵心的熱量得到充分散熱，均滿足溫升<40K的要求。

計(jì)算結(jié)果可知：1）空氣電阻率的取值及污穢情況對(duì)套管內(nèi)部低壓屏蔽罩表面的電場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)影響;2）套管表面上部1/3段覆蓋污穢會(huì)使玻璃鋼表面的場(chǎng)強(qiáng)增大，但是無(wú)論套管表面潔凈或上部1/3段覆蓋污穢，玻璃鋼在SF6測(cè)表面的場(chǎng)強(qiáng)均符合判斷要求，而在硅橡膠傘裙表面（空氣側(cè)）會(huì)出現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)大的現(xiàn)象;3）套管表面1/3段覆蓋污穢的情況下，會(huì)造成下部剩余表面潔凈的傘裙表面場(chǎng)強(qiáng)大幅提高。因此對(duì)于直流場(chǎng)下復(fù)合緣套管表面電場(chǎng)需控制較小值。

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