浅析特高压换流站平波电抗器选型

罗 宁

（四川省电力公司电网规划中心，四川 成都 610041）

引言

平波电抗器也称直流电抗器，通常串接在换流器与直流线路之间，是特高压换流站的重要设备之一。平波电抗器主要参数包括额定直流电流、额定直流电压和额定增量电感，由于上述参数要求不同，特高压平波电抗器的选型、设计、制造、运输、布置以及备用等均与±500kV直流工程平波电抗器有较大区别。

平波电抗器具有干式和油浸式两种型式，各有优缺点，目前±500kV直流工程平波电抗器多采用油浸式，而±660kV及±800kV直流工程则均采用干式。但干式平波电抗器存在对环境影响较大、占用土地资源较多、抗震能力较差等问题。因此有必要对特高压换流站工程设计中关于平波电抗器的选型所关联的问题作分析，并展望将来特高压平波电抗器的可能发展方向。

1 特高压平波电抗器的作用

平波电抗器也称直流电抗器，一般串接在换流器与直流线路之间，是特高压换流站的重要设备之一。其主要作用为：1）在直流系统发生扰动或事故时，抑制直流电流的突变速度，以避免事故扩大；2）当逆变器发生故障时，可避免引发换相失败；3）在交流电压下降时，可减少逆变器换相失败的概率；4）当直流线路短路时，可在调节器的配合下，限制短路电流的峰值；5）起到抑制换流阀产生的纹波电压，并同直流滤波器配合，一起极大地抑制和削减换流过程中产生的谐波电压和谐波电流，从而大幅度削弱直流线路沿线对通信的干扰；6）在直流低负荷时，避免因电流发生间断而导致换流变压器等电感元件产生很高的过电压；7）限制线路和装在线路端的容性设备通过换流阀的放电电流，以免损坏阀的元件。

2 特高压平波电抗器主要参数选择

平波电抗器主要参数包括额定直流电流、额定直流电压和额定增量电感。对特高压工程，因系统设计均采用双桥更经济合理可行，因此参数分析均以此为前提。

运行中的平波电抗器，总是串联于直流回路中，由于我国目前的特高压直流工程均为两端直流系统，因此其额定直流电流可根据直流输电线路的额定电流确定。若将来发展多端直流系统，则其额定直流电流应根据系统潮流分析及换流站主接线确定。

平波电抗器与高压直流极线路串联时，其额定直流电压可根据直流输电线路的额定电压确定。干式平波电抗器采用平抗分置方式（即分别串联于极线与中性母线）时，串联于中性母线者理论上其额定电压可根据中性母线额定电压确定，但考虑到采用相同参数的设备可减少备用平波电抗器的数量，将更经济，一般仍按直流输电极线的额定电压确定。因此，总的来说平波电抗器额定直流电压可根据直流输电线路的额定电压确定。

额定增量电感的确定涉及到多方面的因素，受具体工程的若干运行参数如额定关断角、换流变压器阀侧两相短路电流的幅值、允许的最小直流电流限值、直流低负荷时的换流器触发角和具体工程的低频谐振条件、直流滤波回路设计、平抗布置方式等影响，因此没有一个统一的计算公式，而需要通过一个性能价格逐步优化的过程来确定最优值。这也与以往直流输电工程的经验相吻合。根据工程经验，大部分平波电抗器的工频电抗标幺值在0.2～0.7范围内。

基于以上分析，宜在对特高压直流工程进行系统设计时，考虑工程实际可能的平抗布置方式以及系统参数，采用合理的规划方法初步确定特高压平波电抗器的额定增量电感取值范围，并结合直流滤波器的设计和系统中各点最高正常运行电压的取值等，进行技术经济比较以确定合适的增量电感，并利用先进的仿真技术作验证，最终确定该参数作为具体工程设计参数。

3 特高压平波电抗器结构型式选择

平波电抗器具有干式和油浸式两种型式，各有优缺点，目前±500kV直流工程平波电抗器多采用油浸式，而±660kV及±800kV直流工程则均采用干式。

无论干式或油浸式平波电抗器，两者均有成熟的运行经验。其中，西变引进ABB技术，沈变引进Siemens技术，向三峡—常州±500kV直流输电工程提供了当时世界上最大的油浸式平波电抗器；1988年，我国第一条±500kV/2×600MW葛洲坝—南桥直流输电系统的500kV/1200A的平波电抗器是由BBC公司成套供应的户外干式平波电抗器。在葛—南平抗事故整改及现在的技术改造及天—广等高压直流输电系统中均采用Trench公司的户外干式平波电抗器。

通过近年来的技术引进与开发研究，国内现已具有独立设计、制造±500kV的油浸式平波电抗器的能力。目前西变、沈变都具有制造±500kV油浸式平波电抗器的能力。但是由于制造能力的原因，目前尚未有±800kV油浸式平波电抗器的应用。

干式平波电抗器开发较晚，但随着制造水平和介质材料的进步，干式平波电抗器性能有了很大提高，目前国内具备±500kV及以上电压等级干式平抗制造能力的设备厂商主要包括北京电力设备总厂、沈变、西变、上海MWB、西安中扬、保变等。由于特高压干式平波电抗器的绝缘问题相对容易解决，现已在特高压直流输电工程中得到应用，并且国内主要的生产厂商已具备制造能力。

干式平波电抗器具有以下主要优点：1）对地绝缘简单，主绝缘由支柱绝缘子提供，只需考虑纵绝缘；2）无油，消除了火灾危险和环境影响，不需要提供油处理系统；3）电抗器可分置于极线与中性母线，提供了更灵活的工程设计方案；4）潮流反转时无临界介质场强。高压直流输电系统的潮流反转需改变电压极性，但对干式平抗仅在支柱绝缘子上产生应力，没有临界场强的限制。5）负荷电流与磁链成线性关系，即使在故障条件下也不会出现磁链饱和现象。6）暂态过电压较低。由于干式平波电抗器对地电容小，因此所要求的冲击绝缘水平相对较低。7）由于无铁芯，空气对流自然冷却，因此可听噪音水平较低。8）重量轻，便于运输。9）运行维护费用低。能够在内绝缘结构上作到导线无接头、避免故障点。

但是干式平波电抗器普遍存在以下一些问题：1）占地大。由于结构的原因，因此要达到相同的电感量，其体积必然增加。如向家坝－上海±800千伏特高压直流示范工程单极额定电感量为4×75mH/极，每极分别在极线和中性线上布置两组，增加了直流场的占地面积。2）虽然设备自身可听噪音水平相对油浸式较低，但由于不能象油浸式一样紧贴阀厅布置，而是布置在开放的直流场，控制其噪音向换流站外传播的代价大。3）采用支柱绝缘子支撑，设备布置高度高，抗震性能差，防振动难度大。4）与干式平波电抗器配套的穿墙套管在技术上也存在一系列问题，如室外部分的不均匀湿闪和不同安装方式下的机械强度要求不同等5）户外干式电抗器谐波电流产生的电磁辐射和干扰较大。6）在复杂的外界气候条件下，产品绝缘材料的抗龟裂、抗老化、抗紫外线及耐污秽的性能需要进一步提高。7）动热稳定性的要求不易提高，比油浸式电抗器易老化。

油浸式平波电抗器具有与干式平波电抗器几乎相反的特点，其主要优点为：1）由于有铁芯，增加单台电感量很容易；2）主、纵绝缘均为油纸绝缘，技术成熟，运行可靠；3）油浸式平波电抗器在地面安装，重心低，抗震性能好；4）油浸式平波电抗器阀侧套管可插入阀厅布置，取代了水平穿墙套管，很好的解决了穿墙套管的不均匀湿闪问题。可相应地减少套管发生闪络的故障概率，以及由湿闪产生的对换流阀较大的故障电流冲击的可能性；5）过电流能力较强。

油浸式平波电抗器存在的一些主要问题：1）类似于特高压高端换流变压器，由于出线装置及套管等部位的结构设计难度大，目前还没有成熟的±800kV产品。2）由于采用风扇和油泵强迫冷却，增加站用电负荷；3）重量重，容易受运输条件限制；4）需经常性运行维护；5）油浸式平波电抗器的电感值随电流的变化而改变，呈非线性；6）有铁芯，采用油纸绝缘系统，潮流反转时会产生介质临界场强，对绝缘结构有一定的影响。

对于常规±500kV高压直流输电工程，由于油浸式平抗可节约穿墙套管、降低污闪概率、布置可节约占地、能较容易地设置声屏障以解决噪音问题、以及有较好的抗震及抗振能力等方面综合考虑，近年来国内多采用油浸式平抗。

但对于特高压直流工程，由于还没有成熟的±800kV油浸式平波电抗器，且油浸式平抗运输受到一定制约；而采用干式平抗分置接线方式，能降低极线设备绝缘水平、降低平抗制造难度、减少平抗备用台数、节约投资。综合考虑上述因素，目前向家坝－上海±800kV特高压直流示范工程以及±660kV银川东-山东直流工程的两端换流站中的平波电抗器均采用干式平抗。

4 ±660kV及以上换流站平波电抗器选型现状

向家坝－上海±800kV特高压直流示范工程选取户外干式平波电抗器，支撑式结构，自然冷却方式。采用干式平抗分置接线方式，额定电感量为4×75mH/极，每极在极线和中性线分别布置2组75mH，额定直流电流4000A。全站备用1组75mH。

±660kV银川东-山东直流工程也是选取户外干式平波电抗器，支撑式结构，自然冷却方式。采用干式平抗分置接线方式，额定电感量为4×75mH/极，每极在极线和中性线分别布置2组75mH，额定直流电流为3030A。全站备用1组75mH。

5 特高压换流站平波电抗器选型展望

平波电抗器的主要作用是利用电感元件限制电流变化率的特性，因而要求平波电抗器有较大的电感量；但电感量太大，运行时容易产生过电压，并可能使直流输电系统自动调节特性的反映速度下降，而且平波电抗器的投资也将增加。宜在对特高压直流工程的系统设计中进行技术经济比较以确定合适的增量电感，并利用先进的仿真技术作验证，以确定具体工程平波电抗器的增量电感设计参数。

油浸式平波电抗器由于有铁芯，增加单台电感量很容易，但电感值随电流的变化而改变，呈非线性；而干式平波电抗器由于没有铁芯，增加单台电感量较困难，目前特高压直流工程均采取多台串联的方式，增加了占地面积，但负荷电流与磁链成线性关系，即使在故障条件下也不会出现磁链饱和现象。从平抗的额定增量电感参数看，将来随着制造工艺的提高，若能适当提高油浸式平波电抗器的电感线性范围，则采用油浸式平波电抗器能减少设备数量和节约占地面积。

从以往的制造及运行经验看，额定直流电流不是制约平波电抗器选型的参数。油浸式和干式平波电抗器均能满足要求。

干式平波电抗器对地绝缘简单，主绝缘由支柱绝缘子提供，只需考虑纵绝缘，并且对地电容小，因此所要求的冲击绝缘水平相对较低。因而提高其额定电压相对容易。而额定直流电压是制约油浸式平波电抗器制造的主要因素。但将来随着特高压高端换流变压器的国产化，其取得的经验若运用于油浸式平波电抗器的制造和设计，有希望较好地解决油浸式平波电抗器的绝缘问题，从而使特高压油浸式平波电抗器的应用成为可能。

干式平波电抗器具有设备布置占地面积大、噪音不容易屏蔽、抗震性能差及防振动难度大、配套的穿墙套管增加了成本及故障几率、电磁辐射和干扰较大、产品绝缘材料的抗老化性能较差等不利因素，这些因素均是因为干式平波电抗器固有的结构特点所决定，在具体工程设计中必然增加建设成本，造成对环境更大的影响，以及增加土地资源的消耗。

油浸式平波电抗器易受运输条件限制是产品特点所决定的，而采用现场组装工艺克服运输问题目前看还不现实，因此在运输受限的换流站，采用干式平波电抗器是工程设计的必然选择。但油浸式平波电抗器目前存在的其它主要问题，如±800kV产品结构设计难度大、技术不成熟；电感值随电流的变化而改变，呈非线性；潮流反转时会产生介质临界场强，对绝缘结构有一定的影响等，均有望随着产品设计和制造能力的提高得到适当的改善。

因此，目前的特高压直流工程均采用干式平波电抗器，更多地是因为尚无成熟的特高压油浸式平波电抗器可供选择，从而是一种现实的选择而并非可能的最优选择。一旦有技术成熟的特高压油浸式平波电抗器产品，对于运输不受限的换流站，仍然是有竞争力的选择，因此继续加大特高压油浸式平波电抗器的研制力度仍是有必要的。

届时，可针对具体工程进行详细的技术经济比较以确定平波电抗器的选型。

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