唐世雄，喻悅簫，曹運龍，張 鵬，黃 宇，趙 冉，劉隆晨

(1.國網(wǎng)四川省電力公司特高壓直流中心，四川 成都 610042；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

復奉直流為雙極直流系統(tǒng)，額定電壓±800 kV，最高運行電壓為±809 kV，額定電流為4000 A。復龍換流站通常為整流運行，單極為2個電壓相等的12脈動換流器串聯(lián)而成，換流閥設備為西安西電電力整流器有限責任公司(以下簡稱西整公司)生產(chǎn)的采用西門子技術的KGWF-4000/±800型ETT換流器。該站采用的西整公司西門子大組件換流閥在國內(nèi)外直流輸電工程中有著廣泛應用，其安裝于雙極高、低端4個閥廳中。每個閥廳安裝有6個雙重閥(閥塔)，閥塔采用懸吊式結構，每個雙重閥(閥塔)由2個單閥組成，每個單閥包括2個閥組件，每個閥組件(閥層)包括2個閥模塊，每個閥模塊由15個晶閘管級、2個飽和電抗器、1個沖擊電容組成[1]。

復龍站雙極四閥組換流閥共有飽和電抗器384只。換流閥中串聯(lián)飽和電抗器，在閥剛觸發(fā)導通或出現(xiàn)電流突變時限制了電流的變化速率，使閥免受于不均勻導通產(chǎn)生局部過熱而引起的破壞[2-3]。當閥導通穩(wěn)定，流過閥的電流很大時，電抗器飽和，呈現(xiàn)出低阻抗。在閥組件的電氣連接中，電流、電壓首先接入2個串聯(lián)電抗器，后接入晶閘管級中，起到保護閥組件的作用。飽和電抗器不但能限制晶閘管剛開通時的di/dt，還可在晶閘管關斷過程中限制di/dt，降低反向恢復電荷，抑制其反向過沖[4]。另外，也可利用足夠的阻尼來阻止電流過零時產(chǎn)生振蕩涌流，保護晶閘管；在沖擊電壓下起輔助均壓作用，使晶閘管免受電壓損壞。

西門子大組件換流閥配置的陽極飽和電抗器采用雙線圈與電抗器阻尼電阻的配置結構，運行時需同時冷卻線圈及二次電阻[5-7]。該型電抗器的電氣接線、機械結構和冷卻水路均較為復雜，其中各類接頭多達20余處，且整體呈現(xiàn)開放式結構，密封性較差。西門子閥電抗器存在多種設計缺陷，長時間運行各類隱患逐漸暴露，導致電抗器電氣特性退化[8-11]，且其冷卻回路易漏水、可靠性降低，影響了換流閥設備本質(zhì)安全及直流輸電工程穩(wěn)定運行。

針對西門子閥電抗器在運行中出現(xiàn)的漏水、發(fā)熱等重大缺陷隱患，下面基于復龍換流站近10年的運行數(shù)據(jù)，統(tǒng)計換流閥飽和電抗器典型缺陷，并分析成因、制定對策。參考ABB公司換流閥飽和電抗器的先進設計經(jīng)驗，設計并試制適用于復龍站西門子大組件換流閥的新型一體式飽和電抗器，開展新型電抗器伏秒特性試驗及特高壓工程應用。

1 飽和電抗器典型缺陷及分析

西門子大組件換流閥飽和電抗器外形如圖1所示。該型電抗器的主要部件為鐵芯和線圈，采用了“雙線圈+電抗器阻尼電阻”的配置結構。將硅鋼片制成U形，兩組硅鋼片對接為環(huán)形，組成電抗器的鐵芯，并在其連接處放置一層特制的紙板作為氣隙。鐵芯兩側各環(huán)繞10匝線圈。電抗器內(nèi)部布置了二次電纜和細水管，其中二次電纜是電抗器內(nèi)部的等電位線；細水管分為氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated efhylene propylene,FEP)軟管和金屬水管，F(xiàn)EP軟管用于電抗器散熱，金屬水管主要用作二次線圈的散熱電阻[12-13]。

圖1 西門子閥電抗器外形

±800 kV復龍換流站投運至今，西門子大組件換流閥飽和電抗器出現(xiàn)了各類型缺陷及故障，包括二次電纜磨損、阻尼金屬水管漏水、FEP水管磨損、鐵心下沉、硅鋼片散落等，詳見圖2所示。特別是近5年，復龍換流站先后有7臺閥電抗器在運行過程中或靜態(tài)水壓試驗時出現(xiàn)金屬水管漏水故障，嚴重影響了復奉特高壓直流工程的安全穩(wěn)定運行。

圖2 西門子閥電抗器典型缺陷

1.1 二次電纜與金屬水管接觸磨損及腐蝕

電抗器二次電纜與金屬水管接觸磨損如圖3所示。電抗器內(nèi)部二次電纜設計過長且電抗器內(nèi)部空間有限，導致電抗器在運行一段時間之后，電纜與金屬水管發(fā)生接觸。在接觸位置，二次電纜首先產(chǎn)生磨損，露出內(nèi)部芯線。內(nèi)部芯線暴露后，與阻尼電阻金屬水管之間存在電位差，因此產(chǎn)生放電導致金屬水管遭受電腐蝕，長期運行后產(chǎn)生穿孔導致內(nèi)冷水泄漏。當環(huán)境較潮濕時，二次電纜與金屬水管接觸部分會產(chǎn)生冷凝水，吸附灰塵發(fā)生電化學腐蝕。

圖3 電纜和水管接觸磨損缺陷

1.2 金屬水管與環(huán)氧壓板振動磨損

如圖4所示，電抗器金屬水管用一個環(huán)氧壓板固定，兩者間是剛性連接。換流閥正常開通關斷時產(chǎn)生的電壓跳變會導致電抗器出現(xiàn)高頻振動，而環(huán)氧壓板材質(zhì)較硬，長期振動情況下支撐部位的阻尼電阻金屬水管壁磨損嚴重，極易導致漏水。另外，換流閥長期運行后，水管壓板表面積累了一些灰塵，產(chǎn)生了輕微的局部放電現(xiàn)象，對金屬水管產(chǎn)生了電腐蝕。在兩種因素的共同作用下，金屬水管表面破損漏水。

圖4 水管與壓板振動磨損缺陷

1.3 FEP水管磨損與鐵芯脫落散片

由于FEP水管較長，外部纏繞一圈包裹帶，并用卡扣固定。由于換流閥運行振動，水管與水管、水管與卡扣、水管與包裹帶之間都會產(chǎn)生機械磨損，導致水管漏水。飽和電抗器鐵芯是豎直布置，兩側結構件通過夾緊力將鐵芯壓緊。長期運行后，內(nèi)部結構有所松動，夾緊力下降，結構件無法將鐵芯壓緊，導致鐵芯出現(xiàn)下沉(向下位移)的現(xiàn)象，見圖5所示。

圖5 鐵芯下沉缺陷

飽和電抗器鐵芯是開放的，長期運行后其表面積累灰塵，其內(nèi)部容易發(fā)生局部放電，從而降低了鐵芯硅鋼片的絕緣強度。絕緣性能下降又會加劇局部放電，產(chǎn)生惡性循環(huán)，最后鐵芯硅鋼片間短路。在電熱應力和機械振動的雙重作用下，硅鋼片出現(xiàn)散落。散落的硅鋼片掉落到下層閥塔，導致下層閥塔放電甚至起火。另外，電抗器鐵芯腐蝕加長期振動散片，還會造成阻尼電阻和邊框搭接產(chǎn)生放電，長期作用下?lián)舸┙饘偎芤l(fā)滲漏。

2 新型飽和電抗器的結構設計和性能驗證

2.1 新型飽和電抗器的結構及優(yōu)勢

基于上述分析，不難看出西門子閥陽極飽和電抗器的運行缺陷主要集中于鐵芯和水管，而鐵芯作為飽和電抗器的核心部件，在傳統(tǒng)設計結構的基礎上難以實現(xiàn)優(yōu)化升級，隱患無法得到根治。因此，針對上述傳統(tǒng)西門子換流閥電抗器的缺陷與隱患，參考ABB技術小組件換流閥飽和電抗器的成熟設計和運行經(jīng)驗，設計了如圖6所示的新型一體式結構的飽和電抗器，用于替換復龍站西門子大組件換流閥的電抗器。

圖6 新型飽和電抗器外觀

如圖7所示，該型飽和電抗器采用中空的圓形鋁管制成電抗器的線圈，運行時內(nèi)冷水從鋁管中流過，為線圈散熱。鐵芯采用分布式布局，固定在線圈上，并置于玻璃鋼的絕緣外殼中，其間再用環(huán)氧樹脂填充。環(huán)氧樹脂既是固體絕緣材料，也可在鐵芯和線圈之間起到緩沖作用。新型飽和電抗器不必配置二次電纜，徹底消除了二次電纜導致的多種缺陷。

圖7 新型飽和電抗器內(nèi)部結構

相比較于原有設計，新型飽和電抗器的優(yōu)點如下：

1) 新型飽和電抗器保持外部電氣性能、冷卻水流量特性、安裝結構尺寸及質(zhì)量基本不變，其電氣參數(shù)及接口與原電抗器保持一致，不需要改變換流閥設計。

2) 新型飽和電抗器優(yōu)化了水路設計，水路采用單一路徑通流形式，且整體封裝于電抗器內(nèi)部；相比老式電抗器，其冷卻回路減少兩路，且只有“一進一出”兩個接頭，水路接頭數(shù)量由12個減少到2個。新設計減少了水管支路和接頭數(shù)量，大幅消除水路接頭滲漏水隱患，有效避免冷卻回路暴露于空氣中易受外部因素影響而漏水，顯著提高了冷卻水路的可靠性。

3) 新型飽和電抗器采用單線圈設計，不再需要配置電抗器二次阻尼電阻及其等電位連接電纜，徹底摒棄了薄壁金屬水管用作二次阻尼電阻的設計，消除了薄壁金屬水管漏水和二次電纜磨損等隱患。

4) 新型飽和電抗器采用全包裹式結構，線圈、鐵芯和外殼封裝為一個整體，內(nèi)部填充絕緣材料，在保證密閉性同時提高絕緣特性。通過優(yōu)化結構設計[14]，降低了噪聲和振動，避免原電抗器運行中出現(xiàn)的硅鋼片脫落、漏水等問題。

2.2 新型飽和電抗器的試驗驗證

為了確保新型飽和電抗器滿足西門子大組件換流閥的技術要求，需對飽和電抗器及其閥組件開展多項試驗，其中：飽和電抗器的本體試驗13項，包括伏秒特性試驗、工頻和沖擊電壓耐受試驗、工頻電感和直流電阻測量、熱循環(huán)和熱態(tài)沖擊試驗、線圈溫升試驗、故障電流耐受試驗等；閥組件試驗4項，分別為最大連續(xù)運行負載試驗、最大暫態(tài)運行負載試驗、故障電流試驗、非周期觸發(fā)試驗。

直流輸電換流閥用飽和電抗器的不飽和電感值及伏秒積是其運行關鍵電氣參數(shù)，按照目前西門子換流閥設計報告中所提供的晶閘管參數(shù)及直流工程經(jīng)驗，要求閥電抗器的不飽和時間大于2 μs，且電流上升率不高于350 A/μs，以避免晶閘管因di/dt過高而損壞，換流閥電氣設計時還應考慮一定的晶閘管保護裕度。

飽和電抗器的伏秒特性試驗是評估其保護特性的重要試驗，要求在58 kV沖擊電壓下，電壓電流波形無異常，伏秒積滿足(155±5%) V·ms。西門子閥飽和電抗器和新型飽和電抗器的保護特性通過電流時間曲線表征，如圖8所示。試驗結果表明，新型電抗器特性滿足晶閘管開通時電流上升率要求，且電氣特性與原西門子電抗器保持一致。

圖8 飽和電抗器電流時間曲線

同時，在特高壓換流閥組件合成試驗平臺上對新型飽和電抗器和老式西門子閥電抗器開展了運行振動對比試驗。

試驗結果表明，新式飽和電抗器的振動受力及噪聲水平全面優(yōu)于老式西門子閥電抗器：

1)振動加速度：新式電抗器振動強度約相當于老式電抗器振動30%～40%。

2)振動噪聲：新型飽和電抗器為82.86 dB，西門子閥電抗器為87.02 dB。

3 新型飽和電抗器的工程應用

在±800 kV特高壓復龍換流站的西門子大組件換流閥中換裝上述新型飽和電抗器，在2021年度“迎峰度夏”間持續(xù)監(jiān)測其運行狀態(tài)，最大運行電流為4000 A，輸送功率為6400 MW。紅外測溫結果如圖9所示，發(fā)現(xiàn)新型飽和電抗器運行溫度在40～55 ℃正常范圍，最高溫度為52.5 ℃，略低于原飽和電抗器的最高運行溫度53.4 ℃。經(jīng)運行巡視、紅外測溫和紫外放電檢測，確認所有換裝的飽和電抗器均運行良好，未出現(xiàn)放電現(xiàn)象，換流閥整體及其元部件均工作正常，符合工程技術與應用要求。

圖9 新型飽和電抗器運行紅外圖譜

4 結 論

上面基于復龍換流站西門子大組件換流閥技術特點與運行故障統(tǒng)計，分析了換流閥飽和電抗器的典型缺陷及其成因，研制了一種可替換老式西門子閥電抗器的新型一體式飽和電抗器，并成功用于復龍站換流閥電抗器改造，得到了以下結論：

1)西門子閥電抗器采用雙線圈與阻尼電阻的配置，導致電氣接線、機械結構和冷卻水路復雜，且整體呈開放式結構、密封性差易漏水。長時間運行，該型閥電抗器多次出現(xiàn)了二次電纜與金屬水管接觸磨損及腐蝕、金屬水管與環(huán)氧壓板振動磨損、FEP水管磨損與鐵芯脫落散片等多種缺陷。

2)新型飽和電抗器采用單線圈和單管路設計，既保持了電抗器的外部電氣性能、冷卻水流量特性、安裝結構尺寸及重量等基本不變，還顯著提高了電抗器冷卻水路的可靠性，也降低了運行振動受力及噪聲水平，可滿足西門子特高壓換流閥設備的應用要求。