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        干式空心橋臂電抗器防范過(guò)熱措施研究

        2022-12-07 01:59:44中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局徐攀騰莊小亮
        電力設(shè)備管理 2022年22期
        關(guān)鍵詞:分配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局 谷 裕 徐攀騰 朱 博 莊小亮

        中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心 劉青松

        隨著我國(guó)大容量長(zhǎng)輸電線(xiàn)路的建設(shè),干式空心橋臂電抗器作為重要的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備,在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。橋臂電抗器與以直流為主的平波電抗器不同,由于交直流在包封間分配特性的差異,導(dǎo)致各包封直流與交流分配的平衡變得更加困難,從而造成各包封發(fā)熱情況的均衡也變得比較困難與復(fù)雜。橋臂電抗器除本體線(xiàn)圈外,還有上下出線(xiàn)匯流排、匯流排下部的不銹支座、絕緣子頂部法蘭金具等金屬附件。如果設(shè)計(jì)不當(dāng),這些金屬附件會(huì)因漏磁感應(yīng),產(chǎn)生嚴(yán)重的渦流發(fā)熱缺陷。

        此外,為了控制噪聲對(duì)居民的影響,若將橋臂電抗器采用室內(nèi)布置,則需要考慮橋臂電抗器交變強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)布置室鋼梁結(jié)構(gòu)的發(fā)熱影響,發(fā)熱影響嚴(yán)重時(shí)須開(kāi)展鋼梁結(jié)構(gòu)的布置優(yōu)化,避免鋼梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部過(guò)熱情況,影響使用壽命。因此,分析不同因素對(duì)橋臂電抗器的過(guò)熱影響,有針對(duì)性地進(jìn)行過(guò)熱研究,對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

        國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于干式空心電抗器的研究主要集中在電感計(jì)算、損耗計(jì)算、絕緣試驗(yàn)、整體設(shè)計(jì)等方面。在電抗器過(guò)熱故障方面,對(duì)電抗器內(nèi)部鐵芯、電氣試驗(yàn)、油中溶解氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題提出了處理措施,對(duì)電抗器色譜分析及故障判斷有一定的借鑒意義。對(duì)配套的電抗器參數(shù)以及生產(chǎn)工藝、材質(zhì)進(jìn)行研究,論證了電抗器在選型上存在容量不匹配的情況,并提出了有效的控制對(duì)策;研究電抗器中性點(diǎn)套管發(fā)熱故障原因,確定套管過(guò)熱原因?yàn)榫植糠烹娀蛘唠娏髦聼?;提出在現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中的工藝要求,以保障設(shè)備運(yùn)行安全;分析并研究了諧波以及環(huán)境溫度等因素對(duì)該電抗器燒毀故障的作用效果,提供了諧波以及溫升對(duì)電抗器故障影響的分析思路。對(duì)在運(yùn)10kV干式空芯電抗器繞組燒毀故障進(jìn)行詳細(xì)診斷分析,判斷出故障原因?yàn)樵验g短路使干式空芯電抗器繞組的直流電阻異常,同時(shí)提出防范措施[1]。

        上文研究成果為本文分析干式空心并聯(lián)電抗器的過(guò)熱溫度場(chǎng)研究,奠定了一定的理論基礎(chǔ)。但目前對(duì)電抗器體的包封間溫差、金屬件過(guò)熱以及防范閥廳內(nèi)電抗器附近鋼梁結(jié)構(gòu)過(guò)熱的研究較為鮮見(jiàn)。因此,本文基于干式空心橋臂電抗器的使用要求,開(kāi)展橋臂電抗器本體包封間電流分配與發(fā)熱關(guān)系影響研究,進(jìn)行橋臂電抗器金屬件結(jié)構(gòu)形式和規(guī)格尺寸形態(tài)與過(guò)熱影響的關(guān)系研究;針對(duì)閥廳內(nèi)典型的鋼梁結(jié)構(gòu)件模型尺寸,建立電抗器與鋼梁結(jié)構(gòu)件一體的仿真簡(jiǎn)化模型,開(kāi)展熱場(chǎng)仿真研究,得出熱場(chǎng)仿真結(jié)果。最后提出控制電抗器本體包封間溫差的控制方案和金屬件過(guò)熱抑制、防范閥廳內(nèi)電抗器附近鋼梁結(jié)構(gòu)過(guò)熱的措施,為電抗器過(guò)熱性故障的處理提供一定的參考意見(jiàn)[2]。

        1 橋臂電抗器主要技術(shù)參數(shù)

        額定直流電壓為±300kV,額定直流電流為2500A,采用多對(duì)稱(chēng)單極接線(xiàn)單元并聯(lián)方式,換流器采用模塊化多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。橋臂電抗器串聯(lián)在閥與柔直變壓器間,采用干式空心式電抗器,橋臂電抗器校核工況見(jiàn)表1。

        表1 橋臂電抗器額定運(yùn)行工況

        另外,根據(jù)系統(tǒng)成套設(shè)計(jì)研究結(jié)果,梳理得到橋臂電抗器端對(duì)端、端對(duì)地雷電沖擊耐受水平和操作沖擊耐受水平,以及額定工況時(shí)的噪聲水平見(jiàn)表2。

        表2 絕緣水平及噪聲水平

        根據(jù)以上橋臂電抗器技術(shù)參數(shù),開(kāi)展橋臂電抗器本體結(jié)構(gòu)及組部件結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì),根據(jù)設(shè)計(jì)的橋臂電抗器結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真計(jì)算。

        2 橋臂電抗器本體與金屬件過(guò)熱影響因素研究

        2.1 包封間電流分配與發(fā)熱關(guān)系影響研究

        根據(jù)橋臂電抗器運(yùn)行工況可知,橋臂電抗器長(zhǎng)期運(yùn)行在交直流復(fù)合大電流的工況下,直流與交流在包封間的電流分配特性截然不同,直流電流主要按照各包封直流電阻進(jìn)行分配,而交流電流則主要依據(jù)自感與互感值進(jìn)行包封電流分配。橋臂電抗器與以直流為主的平波電抗器不同,由于交直流在包封間分配特性的差異,導(dǎo)致各包封直流與交流分配的平衡變得更加困難,從而造成各包封發(fā)熱情況的均衡也變得比較困難與復(fù)雜[3]。

        在橋臂電抗器各包封散熱條件一定的條件下,包封流過(guò)電流越大,損耗越大,其發(fā)熱越嚴(yán)重。內(nèi)、中、外包封的散熱條件一般是內(nèi)包封和外包封散熱效果比中間包封好,其分配電流可適當(dāng)比中間包封大,這樣內(nèi)、中、外包封的發(fā)熱情況有利于保持平衡。因此,通過(guò)監(jiān)測(cè)包封間電流分布,與電流設(shè)計(jì)值比較,比設(shè)計(jì)電流大且偏差量越大,則該包封發(fā)熱會(huì)更嚴(yán)重。

        由圖1可知,正常的橋臂電抗器包封實(shí)際分配電流與設(shè)計(jì)電流吻合度高,誤差幾乎可忽略;在此假設(shè)某包封(第7包封)存在異常時(shí),第7個(gè)包封通流為322.82A,是該包封設(shè)計(jì)電流139.69A的2.31倍;同時(shí)圖2顯示,第7包封異常時(shí)的溫升為120.7K,是其溫升設(shè)計(jì)值53.2K的2.27倍,表明包封分配電流的變化與溫升變化一致,包封電流越大,包封溫升越高,比例也接近??梢岳冒夥峙潆娏髋c設(shè)計(jì)值比較來(lái)表征包封的發(fā)熱情況。

        圖1 包封正常與異常電流分布

        圖2 包封異常溫升與設(shè)計(jì)值對(duì)比

        2.2 橋臂電抗器金屬件結(jié)構(gòu)形態(tài)與過(guò)熱影響的關(guān)系研究

        橋臂電抗器除本體線(xiàn)圈外,還有上下出線(xiàn)匯流排、匯流排下部的不銹支座、絕緣子頂部法蘭金具等金屬附件。如果設(shè)計(jì)不當(dāng),這些金屬附件會(huì)因漏磁感應(yīng),產(chǎn)生嚴(yán)重的渦流發(fā)熱缺陷,如圖3所示。

        圖3 某橋抗匯流排中心過(guò)熱

        為減小匯流排中心集電環(huán)的渦流發(fā)熱,需要從結(jié)構(gòu)上開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì),避免感應(yīng)出大的渦流。集電環(huán)為環(huán)形圓柱開(kāi)口式結(jié)構(gòu),為避免強(qiáng)磁場(chǎng)影響,首先將集電環(huán)內(nèi)外環(huán)的直徑擴(kuò)大,使其遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域,再將環(huán)的厚度減小,使磁場(chǎng)與集電環(huán)交鏈面積減小,從而降低渦流發(fā)熱。

        由圖4和圖5可知,將集電環(huán)結(jié)構(gòu)按以上方法優(yōu)化設(shè)計(jì)后,仿真與試驗(yàn)結(jié)果均表明,集電環(huán)溫度大幅度下降,整個(gè)匯流排最熱點(diǎn)溫度也下降約43~57℃,但匯流排溫度仍然比較高,不符合設(shè)備規(guī)范要求,且最熱點(diǎn)溫度從集電環(huán)轉(zhuǎn)移到匯流排支臂上,因此仍要設(shè)法減小匯流支臂的溫度。

        圖4 集電環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后溫度仿真結(jié)果

        圖5 集電環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后溫度試驗(yàn)結(jié)果

        在對(duì)集電環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,同樣對(duì)匯流排各支臂開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),將匯流排各支臂的厚度減小,從而通過(guò)減小強(qiáng)磁場(chǎng)與支臂的交鏈面積達(dá)到減小匯流支臂的渦流,進(jìn)而減小支臂的溫度。按此方法進(jìn)行匯流支臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)后,圖6和圖7的仿真與試驗(yàn)結(jié)果均表明,匯流排最熱點(diǎn)溫度急劇下降,下降幅度約80K,說(shuō)明對(duì)匯流排進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)使其溫度滿(mǎn)足限值要求。

        圖6 匯流排支臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化后溫度仿真結(jié)果

        圖7 匯流排支臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化后溫度試驗(yàn)結(jié)果

        以上分析表明,橋臂電抗器金屬件結(jié)構(gòu)形態(tài)會(huì)嚴(yán)重影響金屬件的發(fā)熱情況。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng),將引起金屬件溫度超標(biāo),影響設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。但可通過(guò)對(duì)金屬件開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)(遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)、減小與磁場(chǎng)交鏈的金屬件面積),減小因交變強(qiáng)磁場(chǎng)感應(yīng)導(dǎo)致的渦流發(fā)熱,可有效避免金屬件的局部過(guò)熱現(xiàn)象的發(fā)生,這將為橋臂電抗器開(kāi)展金屬件優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有益的技術(shù)指導(dǎo)。

        3 結(jié)論

        通過(guò)以上的研究可知,為了防范通道橋臂電抗器過(guò)熱現(xiàn)象,需要分別從線(xiàn)圈本體、本體金屬結(jié)構(gòu)附件、電抗器對(duì)周?chē)摿旱冉饘偌l(fā)熱影響三方面來(lái)提出針對(duì)性改進(jìn)措施,為橋臂電抗器及周?chē)O(shè)備選型選用提供有益的參考建議。

        本體包封分配電流的變化與溫升變化一致,包封電流越大,包封溫升越高。應(yīng)通過(guò)良好的包封分配電流設(shè)計(jì)來(lái)確保線(xiàn)圈本體溫升設(shè)計(jì)符合工程限值要求,且確保足夠的溫升裕度??衫冒夥峙潆娏髋c設(shè)計(jì)值比較來(lái)反映包封的發(fā)熱情況。為保證實(shí)際包封分配電流值與設(shè)計(jì)值一致,應(yīng)通過(guò)嚴(yán)格控制線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)參數(shù)繞制偏差,滿(mǎn)足匝數(shù)精確、線(xiàn)圈高度、內(nèi)外徑偏差在工藝要求范圍內(nèi)盡量小,從而避免線(xiàn)圈本體過(guò)熱情況發(fā)生。

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