國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院 李龍飛 劉磊 張飛 韓雪峰 葛志杰 國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司 張維寧

1 引言

換流變壓器和換流閥共同作為交流和直流系統(tǒng)的接口設(shè)備，在交流電網(wǎng)與直流線路之間起連接和協(xié)調(diào)作用。網(wǎng)側(cè)套管是換流變重要部件，常規(guī)網(wǎng)側(cè)充油套管內(nèi)部故障會(huì)誘發(fā)瓷套炸裂、變壓器燒毀等嚴(yán)重事件。為消除充油套管安全隱患，2019年國(guó)家推行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗爆、抗燃性能好的環(huán)氧樹(shù)脂浸紙?zhí)坠埽ǜ墒教坠埽┰趽Q流變網(wǎng)側(cè)的試點(diǎn)應(yīng)用。

干式套管與油式套管相比，除在無(wú)燃燒及無(wú)爆炸危險(xiǎn)方面具有優(yōu)勢(shì)，還具有設(shè)計(jì)緊湊、體積小、重量輕、運(yùn)行中無(wú)局放、免維修、適配性強(qiáng)、氣密性好及可以任意角度安裝等優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)換流變油式套管進(jìn)行替換時(shí)，需要對(duì)替換套管的電氣性能、尺寸及變壓器油枕油位及升高座結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面考慮，同時(shí)，還要對(duì)替換套管的絕緣裕度是否滿足要求進(jìn)行驗(yàn)證[1-2]。

結(jié)合800kV 換流變網(wǎng)側(cè)高壓套管替換方案，對(duì)替換套管的電氣性能、套管結(jié)構(gòu)及升高座改造方案進(jìn)行分析。采用專業(yè)電磁有限元分析軟件，建立二維軸對(duì)稱有限元模型，對(duì)替換套管的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算，并分析絕緣裕度，對(duì)套管替換過(guò)程作出詳細(xì)說(shuō)明。

2 套管電氣參數(shù)

與原套管相比，替換套管的電氣性能試驗(yàn)參數(shù)須不低于原套管電氣性能試驗(yàn)參數(shù)，替換套管為環(huán)氧樹(shù)脂浸紙式套管，主要由環(huán)氧樹(shù)脂浸紙電容芯子、法蘭、復(fù)合外套、均壓球等結(jié)構(gòu)組成。環(huán)氧樹(shù)脂浸紙式套管與原油套管結(jié)構(gòu)如圖1所示。環(huán)氧樹(shù)脂浸紙式套管結(jié)構(gòu)與原套管電氣試驗(yàn)參數(shù)對(duì)比如表1所示。

圖1 環(huán)氧樹(shù)脂浸紙式套管結(jié)構(gòu)與原油套管結(jié)構(gòu)

由表1可知，環(huán)氧樹(shù)脂浸紙式套管的電氣試驗(yàn)參數(shù)比原油式套管裕度更大，500kV 環(huán)氧樹(shù)脂浸紙式套管溫升試驗(yàn)電流確定為3150A，試驗(yàn)時(shí)油溫控制（90±2）℃、空氣側(cè)環(huán)溫控制(50±2）℃，載流導(dǎo)電桿最熱點(diǎn)溫度要求＜120℃。因此，環(huán)氧樹(shù)脂浸紙式套管電氣絕緣參數(shù)優(yōu)于原油套管，滿足替換需求。

表1 原油式套管與替換干式套管電氣試驗(yàn)參數(shù)對(duì)比

3 套管安裝尺寸

原油套管與環(huán)氧樹(shù)脂浸紙式套管的安裝尺寸對(duì)比如表2所示。

由表2可知，環(huán)氧樹(shù)脂浸紙式套管與原油套管除在變壓器總長(zhǎng)方面需要改進(jìn)外，其他方面的安裝尺寸均可行。在原油套管長(zhǎng)為1285mm 時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂浸紙式套管總長(zhǎng)為1485mm，新套管比原油套管高200mm，采用將升高座加高200mm的方式進(jìn)行套管替換。

表2 原油套管及新套管安裝尺寸對(duì)比

4 環(huán)氧樹(shù)脂浸紙式套管電場(chǎng)仿真計(jì)算

利用有限元分析軟件，結(jié)合環(huán)氧樹(shù)脂浸紙式套管及天山宜賓站低端換流變壓器網(wǎng)側(cè)500kV的裝置模型，建立相應(yīng)的二維軸對(duì)稱有限元模型，計(jì)算測(cè)試電壓為AC680kV[3-5]。

在有限元計(jì)算模型中，與該電場(chǎng)分析對(duì)應(yīng)的邊值問(wèn)題為：

式中：u為電位；γ為材料電導(dǎo)率。

場(chǎng)域中各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度E=-?u。

施加的邊界條件設(shè)置如下。

一是導(dǎo)電桿作為電壓承載部件，定義為高電位，即額定電壓為680kV；二是與導(dǎo)電桿相連的金屬部件（如出線裝置和均壓環(huán)）與導(dǎo)電桿為等電位，設(shè)置為高電位；三是法蘭、升高座接地，設(shè)置為零電位；四是對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂芯子內(nèi)的鋁箔屏蔽，每層鋁箔的電位相同，層與層之間鋁箔電位等量增加（由外至內(nèi)），首屏與導(dǎo)電桿電位相同，設(shè)為高電位。末屏與法蘭電位相同，設(shè)為零電位。將末屏與首屏頂部節(jié)點(diǎn)相連，等效為電位等量增加的斜面，將其設(shè)置為零電位到高電位的線性電位。不同材料的電氣參數(shù)，材料為Oil變壓器油相對(duì)介電常數(shù)為2.2，材料為Rip 環(huán)氧樹(shù)脂浸紙相對(duì)介電常數(shù)為4.0。

圖2為套管底部均壓球與升高座之間電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖。套管電壓為680kV,電力線從導(dǎo)電桿,均壓環(huán),草帽到升高座內(nèi)壁由密到疏,整體電場(chǎng)強(qiáng)度最大值位于草帽均壓球處,則油中電場(chǎng)強(qiáng)度約為4.6kV/mm。研究表明，套管電場(chǎng)畸變最為嚴(yán)峻的區(qū)域?yàn)閾Q流變套管均壓球外表面及尖角電極附近區(qū)域。在本文中重點(diǎn)研究均壓球外表面電場(chǎng)分布。

圖3為電位分布云圖，圖4為電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖。由圖2～圖4可知，在交流680kV電壓下，油中最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在上均壓球絕緣表面，為6.67kV/mm，因此絕緣結(jié)構(gòu)可行。

圖2 套管底部均壓球與升高座之間電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖

圖3 電位分布云圖

圖4 整體電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖

5 套管替換方案

干式套管首先在備用換流變上完成安裝，隨換流變一同推至運(yùn)行位置，且備用換流變?yōu)樾略O(shè)備入場(chǎng)狀態(tài)，即無(wú)換流變排油、引線拆除、原套管拆除等工作，直接安裝增長(zhǎng)升高座及干式套管。

5.1 換流變網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)套管設(shè)備連線拆除

拆除網(wǎng)側(cè)套管的設(shè)備連線接頭，將設(shè)備連線進(jìn)行固定。拆除閥側(cè)套管母線時(shí)，合理利用電動(dòng)葫蘆和閥廳作業(yè)車，提高效率，對(duì)管母線接頭拍照，填寫斷復(fù)引記錄。拆卸后的管母線按照換流變相位統(tǒng)一堆放在閥側(cè)套管下方，避免混淆。

5.2 換流變本體排油

排油過(guò)程中需要注意排油時(shí)油面變化大，容易引起瓦斯繼電器動(dòng)作，應(yīng)將保護(hù)短暫閉鎖，并將換流變本體排油模塊打到手動(dòng)狀態(tài)，防止換流變誤排油。

5.3 原套管拆除

一是防止連接螺栓或異物掉落到升高座中。

二是防止由于套管提升力過(guò)大等原因?qū)е鲁鼍€裝置受損。

5.4 新套管安裝

套管安裝過(guò)程中，若與出線裝置均壓結(jié)構(gòu)不對(duì)，可能導(dǎo)致套管擠壓出線，造成絕緣不可修復(fù)性變形?？赏ㄟ^(guò)內(nèi)窺鏡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)+拉桿拉力監(jiān)測(cè)的方式，對(duì)套管與底座對(duì)接過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。將內(nèi)窺鏡放入升高座內(nèi)，使鏡頭可以清晰看到下拉桿底部接線端子處，保證在安裝過(guò)程中下拉桿與套管導(dǎo)電桿同心。

6 結(jié)論

一是環(huán)氧樹(shù)脂浸紙式套管的電氣試驗(yàn)參數(shù)比原油式套管裕度更大，滿足現(xiàn)場(chǎng)套管替換需求。

二是經(jīng)過(guò)電場(chǎng)仿真計(jì)算，套管電場(chǎng)最大場(chǎng)強(qiáng)處位于換流變套管均壓球外表面，則其電場(chǎng)強(qiáng)度為6.67kV/mm，滿足絕緣裕度要求，絕緣結(jié)構(gòu)可行。

三是套管更換方案的工藝步驟為網(wǎng)側(cè)套管設(shè)備連線拆除，換流變本體排油，原套管拆除，新套管安裝，為同類型套管更換具有指導(dǎo)借鑒作用。