杜大鵬 閏興龍 王紫鑫 劉 鵬

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司直流中心）

1 換流閥水冷系統(tǒng)分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及近年來(lái)國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的財(cái)政投入和對(duì)生態(tài)資源的保護(hù)，逐漸形成了東西部不同的經(jīng)濟(jì)走廊，東部以發(fā)展經(jīng)濟(jì)為主，西部以提供清潔能源為主的發(fā)展模式。清潔能源主要是光能、風(fēng)能、水電，這些電能生產(chǎn)出來(lái)不易儲(chǔ)存，而 （特）高壓直流輸電在東西經(jīng)濟(jì)走廊之間起到了橋梁作用，它能將西部電能遠(yuǎn)距離輸送至東部地區(qū)，支撐了東部經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的需求。

（特）高壓直流輸電線(xiàn)路兩端是送端換流站和受端換流站，交流電經(jīng)過(guò)換流變壓器升壓、經(jīng)過(guò)換流閥整流后轉(zhuǎn)變成直流電壓，目前電壓等級(jí)最高達(dá)到±1100kV。

直流電母管從閥廳伸出室外需要穿墻，并在直流穿墻套管的保護(hù)下伸出閥廳外連接。直流穿墻套管作為高壓輸電系統(tǒng)的重要設(shè)備，是高壓直流母線(xiàn)引線(xiàn)絕緣的核心部件，直流穿墻套管的性能和質(zhì)量對(duì)直流母線(xiàn)穿過(guò)墻壁時(shí)的絕緣隔離和連接過(guò)渡具有重要作用。若直流穿墻套管因發(fā)生電擊穿或者絕緣閃絡(luò)，使得穿墻套管的絕緣性遭到破壞，會(huì)對(duì)高壓輸電系統(tǒng)的其他設(shè)備以及電力運(yùn)行均造成嚴(yán)重破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)， （特）高壓換流站發(fā)生的閃絡(luò)事故中，直流穿墻套管及設(shè)備外瓷套的閃絡(luò)事故約占總數(shù)的70%。直流穿墻套管發(fā)生電擊穿和絕緣閃絡(luò)的因素有很多，例如，在寒冷氣候條件下，直流穿墻套管的表面積雪或者積冰易導(dǎo)致穿墻套管發(fā)生電擊穿和絕緣閃絡(luò)事故，使得高壓電氣設(shè)備在高壓運(yùn)行中發(fā)生故障。因此，及時(shí)清除高壓穿墻套管的積雪是防止閃絡(luò)事故的關(guān)鍵。目前，高壓穿墻套管的除雪方法主要包括人工清雪和風(fēng)機(jī)風(fēng)力除雪等。其中，人工清雪需要在停電工況下完成，并且，容易造成人身安全隱患；而風(fēng)機(jī)風(fēng)力除雪的除雪效率較低，不利于對(duì)積雪的快速清除。

本文提出了一種新型的高效快速的覆雪融化裝置，利用熱風(fēng)對(duì)覆雪的噴射溶解積雪，并能夠解決諸如直流穿墻套管絕緣表面積雪難以融化可能導(dǎo)致外絕緣電擊穿、閃絡(luò)問(wèn)題，防止直流系統(tǒng)閉鎖，提高能量可用率。

2 覆雪融化裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 伸縮式內(nèi)螺旋絕緣導(dǎo)風(fēng)筒的設(shè)計(jì)

直流穿墻套管在閥廳穿墻位置高度因換流站不同而有所不同，根據(jù)對(duì)現(xiàn)有換流站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察測(cè)繪，覆雪融化裝置伸縮式螺旋絕緣風(fēng)筒需要能夠伸縮到最高15m，就可以全覆蓋目前換流站全部的閥廳穿墻位置高度，如圖1所示。

圖1 主泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

伸縮式螺旋絕緣風(fēng)筒內(nèi)部流通的是熱風(fēng)，在換流站帶電區(qū)域使用，需要同時(shí)具備幾個(gè)特性：

1）電絕緣、絕緣層耐磨損。

2）風(fēng)筒材質(zhì)耐高溫、高溫不變形、阻燃、具有較大的伸縮比。

伸縮節(jié)作為伸縮式螺旋絕緣風(fēng)筒的支撐構(gòu)件，其應(yīng)能具有15m的延展性能和剛性，在伸縮節(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，擺動(dòng)不超過(guò)5°，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮伸縮過(guò)程中摩擦力盡可能小、運(yùn)行平穩(wěn)。

2.2 絕緣伸縮桿固定支撐裝置的設(shè)計(jì)

覆雪融化裝置底盤(pán)上安裝有熱風(fēng)機(jī)和伸縮式內(nèi)螺旋絕緣導(dǎo)風(fēng)筒及絕緣伸縮桿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為避免頭重腳輕，整個(gè)裝置需要很好的穩(wěn)定性能，因此在底盤(pán)還加有配重。為了穩(wěn)定伸縮式內(nèi)螺旋絕緣導(dǎo)風(fēng)筒及絕緣伸縮桿在伸高15m時(shí)，擺動(dòng)量小于5°，底盤(pán)還應(yīng)設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定的四角支撐裝置和水平儀。

支撐裝置如圖2所示。支撐裝置為四個(gè)支撐臂，裝置不工作時(shí)，支撐臂可以縮進(jìn)底盤(pán)內(nèi)側(cè)，使用時(shí)可以伸出底盤(pán)，利用垂直的落地支腳來(lái)支撐整個(gè)裝置。落地支腳能夠進(jìn)行高度調(diào)整，裝置底盤(pán)上部設(shè)有球形水平儀，通過(guò)調(diào)整四角的支腳高度，讓底盤(pán)平面處于理想的水平位置。

圖2 可伸縮式支撐裝置示意圖

2.3 弧形出風(fēng)口的設(shè)計(jì)

從閥廳到換流變壓器的直流母管需要經(jīng)過(guò)直流穿墻套管相連接，直流穿墻套管是傾斜安裝，如圖3所示。因此，設(shè)計(jì)了一套弧形融雪布風(fēng)器，如圖4所示。

圖3 直流套管示意圖

圖4 弧形融雪布風(fēng)器

弧形融雪布風(fēng)器的半徑是直流穿墻套管半徑的2倍，并且可以旋轉(zhuǎn)，當(dāng)需要融雪時(shí)，布風(fēng)器能夠正好卡在直流穿墻套管外側(cè)，布風(fēng)器能夠均勻地將熱風(fēng)噴射到直流穿墻套管表面附著的積雪上。

3 覆雪融化裝置電氣設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算所需暖風(fēng)機(jī)功率

融雪布風(fēng)器寬度600mm，弧形尺寸1200mm，出風(fēng)量為600m3／h。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣的比重為1.185kg／m3，空氣的比熱是1.006kJ／（kg.k），所以溫度升高1℃，需要消耗的能量可以根據(jù)式（1）計(jì)算得到1192.1J，即：

式中，Q為消耗能量；Δt為溫度的變化；ρ為標(biāo)注大氣壓空氣比重；c為標(biāo)準(zhǔn)大企業(yè)下空氣比熱。

在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1m3的空氣溫度升高1℃，需要消耗1192.1J的能量。而1度電等于1kWh即3600000J，所以1192.1J約等于0.00033114kWh。選擇高效能循環(huán)熱風(fēng)機(jī)，效率達(dá)到90%，風(fēng)量要求為600m3／h，溫度由常溫20℃加熱到80℃，那么功率按照式（2）計(jì)算得10.729kW，即：

式中，w為計(jì)算功率；F為熱風(fēng)量；Δt為溫度的變化；Q1溫度變化1℃時(shí)的消耗能量；γ熱轉(zhuǎn)換效率；h為1h。

3.2 暖風(fēng)機(jī)控制電氣設(shè)計(jì)

考慮現(xiàn)場(chǎng)電源來(lái)源難易程度，暖風(fēng)機(jī)主電源采用三相AC380V，主斷路器設(shè)置過(guò)電流、漏電保護(hù)功能，加熱器出口設(shè)置溫度檢測(cè)傳感器?？刂瞥鲲L(fēng)口溫度為80℃，當(dāng)出風(fēng)口溫度高于80℃時(shí)，溫控開(kāi)關(guān)會(huì)臨時(shí)關(guān)閉加熱器。暖風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置一鍵啟動(dòng)按鈕，當(dāng)啟動(dòng)按鈕按下后，風(fēng)機(jī)自動(dòng)開(kāi)始工作，加熱器根據(jù)出風(fēng)口溫控器自動(dòng)控制出風(fēng)口溫度。

4 覆雪融化裝置集成

覆雪融化裝置使用時(shí)需平穩(wěn)、可靠和便于移動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了很多因素，其結(jié)構(gòu)組成模塊有底盤(pán)、移動(dòng)輪、固定支臂、伸縮風(fēng)道、伸縮架、布風(fēng)器，如圖5所示。

圖5 覆雪融化裝置結(jié)構(gòu)模塊

5 結(jié)束語(yǔ)

（特）高壓換流站直流穿墻套管覆雪融化裝置研制的應(yīng)用解決了直流穿墻套管外絕緣表面積雪難以融化可能導(dǎo)致外絕緣電擊穿、閃絡(luò)的問(wèn)題，防止直流系統(tǒng)閉鎖，提高能量可用率。該裝置具有推廣價(jià)值，可廣泛用于國(guó)內(nèi)其他直流輸電換流站。同時(shí)對(duì)光CT HV-link、旁通開(kāi)關(guān)上的覆雪融化也具有同樣的功效。

（特）高壓換流站直流穿墻套管覆雪融化裝置研制成功后，率先在中州換流站進(jìn)行了應(yīng)用，并達(dá)到了預(yù)期效果：

1）該裝置利用大風(fēng)量暖風(fēng)機(jī)及可伸縮式高熔點(diǎn)絕緣風(fēng)筒，將熱風(fēng)凝聚匯集傳導(dǎo)至設(shè)備附近，能夠快速融化表面覆雪；

2）該裝置在融雪工作時(shí)，不需要停電換流站內(nèi)相關(guān)設(shè)備。