高压干式平波电抗器关键技术分析与研究

2018-07-06肖朋

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2018年2期

肖朋

(营口职业技术学院电气电子工程系，辽宁营口 115000)

直流输电具有送电稳定、易于控制、损耗小、造价低等优点，平波电抗器作为直流输电中的重要设备之一，主要用来抑制整流后电路中的纹波[1]。以宁东-山东直流输电工程中的±660 kV高压干式平波电抗器为例，对平抗的技术特点、设计原理、安装方式、电气性能、谐波损耗、噪声防治、并联避雷器选型等关键技术问题逐一进行阐述，旨在为今后直流输电工程中平波电抗器的设计和研究提供参考。

1 高压干式平波电抗器的技术特点

1.1 平波电抗器的主要技术参数

1) 型式：干式、空心；

2) 额定电感：75 mH；

3) 额定电流：3 030 A；

4) 最大连续运行直流电流：3 250 A；

5) 额定电压：±660 kV；

6) 额定损耗：≤206 kW；

7) 平均温升：≤80 K；

8) 热点温升：≤95 K；

9) 噪声水平：≤70 dB(声压级)；

10) 绝缘水平：如表1所示。

1.2 平波电抗器的设计原理

平波电抗器的设计关键在于绕组的设计，绕组采用多并联支路方式，每个支路又由多根相同的导线并联绕制；数个支路并联叠绕组成一个包封，数个包封并联组成一个绕组[2]。各包封不仅有自感，而且还与其它包封之间有互感。根据包封之间电阻电压相等的方法与损耗最小原理，准确计算电感和各包封的温升。包封温升主要由绕组导线的电阻损耗、导线的涡流损耗及各包封绕组的循环电流等构成的附加损耗所决定。

表1 绝缘水平

包封绕组有自感L11、L22、L33……Lnn，包封与包封之间有互感M12、M13、M21、M31……，其中M12=M21，M13=M31，包封绕组等效的数学方程式如下：

(jωL11+R1)I1+jωM12I2+jωM13I3+…+jωM1nIn=U1

jωM21I1+(jωL22+R2)I2+jωM23I3+…+jωM2nIn=U2

jωM31I1+jωM32I2+(jωL33+R3)I3+…+jωM3nIn=U3

…

jωMn1I1+jωMn2I2+jωMn3I3+…+(jωLnn+Rn)In=Un

转化为矩阵方程为

(1)

解此方程组可求得包封绕组电流分配，平波电抗器的等效电感、等效电阻。

由于对上述方程组进行直接求解计算比较困难，可运用Bartky变换法计算出自感和互感[3]。由于干式平波电抗器每个包封的厚度相对于其直径几乎可以忽略不计，所以可以将各包封看作无限薄螺线管绕组。

图1 无限薄螺线管绕组模型

如图1中所示，半径为r1、r2，高为h1、h2，单位长度匝数为N1、N2，中心距离为s的同轴螺线管之间的互感为

M=2πμ0(r1r2)3/2N1N2[C(r1,r2,z1)-C(r1,r2,z2)+C(r1,r2,z3)-C(r1,r2,z4)]

(2)

式中，z1=h1+h2+s，z2=h1-h2+s，z3=-h1-h2+s，z4=-h1+h2+s。

函数C(r1,r2,z)定义如下：

(3)

从式(3)得出，当r1=r2=r，h1=h2=h，s=0时，还可以求得高度为h、半径为r、单位长度匝数为N的螺线管的自感为

(4)

由式(4)可知，螺线管的自感与互感主要在于C(r1,r2,z)的求解。通过Bartky变换得到有效的解决方案。函数C(r1,r2,z)可以改写为下面的形式：

C(r1,r2,z)=

(5)

其中：

1.3 平波电抗器的布局方式

送电端与受电端换流站平波电抗器的安装布局方式有所不同。在布局上，两座换流站在极母线侧放置单台75 mH平抗，中性点侧放置3台 75 mH 平抗相串联，单极电感总量300 mH，即“1+3”设计方式。不同的是，由于送电端银川东换流站环境污染比较严重，因此极母线侧平抗被安装于户内，而受电端青岛站换流站环境较好，所以极母线侧平抗被安装于户外。

1.4 平波电抗器的内部结构

两座换流站使用的干式平波电抗器内部结构完全相同，都是由线圈、上下汇流排、撑条、绝缘树脂等组成。导线股间绝缘采用耐热等级为H级绝缘材料，匝绝缘采用耐热等级为H级绝缘材料，整个线圈由多层导线并联制成，如图2所示，导线并联结构使线圈相邻匝间的工作场强接近相等，保证了平波电抗器在工作电压下运行的可靠性。每层线圈在直流电压作用下电场呈阻性分布，由于线圈导线的匝绝缘采用H级薄膜和稀纬无碱玻璃丝带复合绝缘结构，有很高的电阻率，同时使匝绝缘具备良好的击穿强度和韧性，高温下不会融化、流动或助燃。根据设备散热需要，在线圈层间放置气道撑条，被气道分隔开的导线内外侧用绝缘胶束缠绕密封，线圈上下端部分也用绝缘胶束缠绕密封成斜梢状，如图3所示。

图2 绕组电气连接

图3 绕组包封示意图

1.5 平波电抗器的外部结构

送电端银川东极母线侧平波电抗器整体安装结构如图4所示，支撑部分由10柱支柱绝缘子构成，每一柱包括高低不同的四节，支柱绝缘子采用倾斜的方式安装，与水泥平台成80°的倾斜角，同时为保证稳定性，绝缘子之间使用拉筋连成整体。极母线侧电抗器上下两端配备有安装避雷器的接口支架。因为平抗工作在高压直流线路中，在高场强位置均装配有均压环，防止产生电晕现象。

图4 银川东换流站极母线侧平波电抗器整体安装结构

受电端青岛站极母线侧平波电抗器整体安装结构如图5所示，支撑部分由10柱支柱绝缘子构成，每一柱包括高低不同的五节，支柱绝缘子采用倾斜的方式安装，与水泥平台成80°的倾斜角，同时为保证稳定性，绝缘子之间使用拉筋连成整体[4-5]。由于该站的平抗被安装于户外，因此电抗器的线圈本体设计有防雨降噪装置，可以降低平抗的噪声水平和防止淋雨。极母线侧电抗器上下两端配备由安装避雷器的接口支架，在平抗的各高场强位置均装配有均压环。

图5 青岛换流站极母线侧平波电抗器整体安装结构

送、受电两端中性点侧平波电抗器结构与极母线侧完全不同，如图6所示。中性点侧平抗与极母线侧平抗的区别包括三方面：一是绝缘支撑结构不同，极母线侧平抗对绝缘子高度的选取比较高，中性点侧对绝缘子高度选取较低，每柱只有一节绝缘子[6]；二是电晕环直径不同，极母线侧直径为Φ100 mm的电晕环，中性点侧直径为Φ60 mm的电晕环；三是低压侧无需安装避雷器。

图6 两站中性点侧平波电抗器整体安装结构

2 高压干式平波电抗器的绝缘技术

电抗器的绝缘主要指每层绕组的表面绝缘，为避免出现漏电起痕等问题，电抗器上下端之间的表面爬电距离设计的越大越好[7-8]。根据宁东-山东直流输电工程中660 kV、3 030 A、75 mH平波电抗器的冲击耐受要求指标1 050 kV，两端之间的爬电距离取3 290 mm，表面50%冲击闪络电压约为1 190 kV，因此完全可以保证线圈在1 050 kV雷电冲击下无闪络。

3 高压干式平波电抗器的谐波损耗

谐波电流在绕组上产生的电能损耗，会加大温升，带来负面影响。谐波损耗这一指标从某种程度上反映着设备的可靠性，也是反映制造水平的一个关键参数。为了尽可能减小谐波电流产生的涡流损耗和环流损耗，仍然利用全绝缘H级换位导线进行抑制。换位导线的关键点在于各股导线之间良好的绝缘，没有感应电流的环路，进而使谐波损耗得到了有效的控制。换位导线由多根小直径的单丝铝导线组成，铝导线高密度换位使一个绕组包内的所有并列导线就像绞线那样合并成一个支路，大大减少电抗器绕组并联支路数，因此对于3 030 A的宁东-山东直流输电工程中的平波电抗器，并联支路仅仅20个，与中小容量电抗器和限流电抗器属于同一个范围，因而谐波电流分布偏差对工艺偏差的敏感性得到有效控制。

4 高压干式平波电抗器的噪声防治

4.1 噪声计算

平波电抗器通电工作时，既有电流也有磁场。当电流和磁场强度两个因素中的任何一个或全部随时间交变时，绕组所受的磁场力就会发生变化，从而引起绕组的振动和电磁噪声。

根据数值计算，如果不采取必要的措施，在距离线圈表面3 m远处，声压级为85.4 dB，比技术协议要求超过了15.4 dB，计算还表明干式平波电抗器的噪声声谱集中在600 Hz～1 200 Hz，其中600 Hz为最大值，基本决定了电抗器的总声压级。

4.2 降噪装置

众所周知，平波电抗器线圈主要是根据温升、绝缘以及动热稳定要求来设计的。在结构形式和工艺方法一定的条件下，很难通过绕组的优化设计来大幅度地降低噪声。计算表明，对于厚包封和热固化成型的线圈，假设增大单层绕组厚度使弹性振动幅度降低一半，也只能降低3 dB。因此，必须采用其他的技术手段进行降噪处理。

一般电抗器降噪装置通常是采用各种各样的隔声罩。隔声罩将线圈包围在内，影响了通风条件，温升难于控制。因此国内外只在损耗小、发热量低的小型电抗器上有加装隔声罩。在宁东-山东直流输电工程中的平波电抗器在最大连续电流下的发热损耗为234 kW，如果像普通电抗器那样被完整地罩起来，温升将会受到很严重的影响。为此，该产品采取了吸声为主、隔声为辅的设计原理的新型结构降噪装置，化解了降噪与升温之间的矛盾。图7中给出了平波电抗器独有的防雨降噪装置结构，主要包括消声器、吸声罩、吸声筒等组成部分。

图7 平波电抗器防雨降噪装置结构

装配降噪装置后，噪声降为69 dB，满足技术协议规定的不超过70 dB的要求。其中上下两端噪声罩体内的吸声材料选用阻燃等级不低于C级的有机棉，难以持续燃烧。而对于承受电压的中部吸声筒，其内部填充的吸声棉为无机棉，完全不能燃烧。此外，为防止吸声筒吸声棉吸潮而放电，与空气接触的一面铺设一层憎水性耐高温电工薄膜，隔离雾气。

5 高压干式平波电抗器的避雷器选型

宁东-山东直流输电工程中单台平抗的雷电冲击水平要求为1 050 kV，考虑1.2倍绝缘保护系数，则并联避雷器的保护残压值可设定为875 kV，根据避雷器厂家通常的制作能力，其参考电压值应选取467 kV，可推出避雷器的额定电压值大约在330 kV左右，同时避雷器还应具有3.3 MJ的短时能量吸收能力，最终并联避雷器的主要参数如表2所示。