（特） 高压换流站直流穿墙套管覆雪融化装置的研制

杜大鹏 闰兴龙 王紫鑫 刘 鹏

（国网河南省电力公司直流中心）

1 换流阀水冷系统分析

随着社会经济的发展以及近年来国家对环境保护的财政投入和对生态资源的保护，逐渐形成了东西部不同的经济走廊，东部以发展经济为主，西部以提供清洁能源为主的发展模式。清洁能源主要是光能、风能、水电，这些电能生产出来不易储存，而 （特）高压直流输电在东西经济走廊之间起到了桥梁作用，它能将西部电能远距离输送至东部地区，支撑了东部经济发展对能源的需求。

（特）高压直流输电线路两端是送端换流站和受端换流站，交流电经过换流变压器升压、经过换流阀整流后转变成直流电压，目前电压等级最高达到±1100kV。

直流电母管从阀厅伸出室外需要穿墙，并在直流穿墙套管的保护下伸出阀厅外连接。直流穿墙套管作为高压输电系统的重要设备，是高压直流母线引线绝缘的核心部件，直流穿墙套管的性能和质量对直流母线穿过墙壁时的绝缘隔离和连接过渡具有重要作用。若直流穿墙套管因发生电击穿或者绝缘闪络，使得穿墙套管的绝缘性遭到破坏，会对高压输电系统的其他设备以及电力运行均造成严重破坏。据统计， （特）高压换流站发生的闪络事故中，直流穿墙套管及设备外瓷套的闪络事故约占总数的70%。直流穿墙套管发生电击穿和绝缘闪络的因素有很多，例如，在寒冷气候条件下，直流穿墙套管的表面积雪或者积冰易导致穿墙套管发生电击穿和绝缘闪络事故，使得高压电气设备在高压运行中发生故障。因此，及时清除高压穿墙套管的积雪是防止闪络事故的关键。目前，高压穿墙套管的除雪方法主要包括人工清雪和风机风力除雪等。其中，人工清雪需要在停电工况下完成，并且，容易造成人身安全隐患；而风机风力除雪的除雪效率较低，不利于对积雪的快速清除。

本文提出了一种新型的高效快速的覆雪融化装置，利用热风对覆雪的喷射溶解积雪，并能够解决诸如直流穿墙套管绝缘表面积雪难以融化可能导致外绝缘电击穿、闪络问题，防止直流系统闭锁，提高能量可用率。

2 覆雪融化装置结构设计

2.1 伸缩式内螺旋绝缘导风筒的设计

直流穿墙套管在阀厅穿墙位置高度因换流站不同而有所不同，根据对现有换流站进行现场实地勘察测绘，覆雪融化装置伸缩式螺旋绝缘风筒需要能够伸缩到最高15m，就可以全覆盖目前换流站全部的阀厅穿墙位置高度，如图1所示。

图1 主泵机械密封结构示意图

伸缩式螺旋绝缘风筒内部流通的是热风，在换流站带电区域使用，需要同时具备几个特性：

1）电绝缘、绝缘层耐磨损。

2）风筒材质耐高温、高温不变形、阻燃、具有较大的伸缩比。

伸缩节作为伸缩式螺旋绝缘风筒的支撑构件，其应能具有15m的延展性能和刚性，在伸缩节运动过程中，摆动不超过5°，设计时要考虑伸缩过程中摩擦力尽可能小、运行平稳。

2.2 绝缘伸缩杆固定支撑装置的设计

覆雪融化装置底盘上安装有热风机和伸缩式内螺旋绝缘导风筒及绝缘伸缩杆驱动系统，考虑到实际应用时，为避免头重脚轻，整个装置需要很好的稳定性能，因此在底盘还加有配重。为了稳定伸缩式内螺旋绝缘导风筒及绝缘伸缩杆在伸高15m时，摆动量小于5°，底盘还应设计更加稳定的四角支撑装置和水平仪。

支撑装置如图2所示。支撑装置为四个支撑臂，装置不工作时，支撑臂可以缩进底盘内侧，使用时可以伸出底盘，利用垂直的落地支脚来支撑整个装置。落地支脚能够进行高度调整，装置底盘上部设有球形水平仪，通过调整四角的支脚高度，让底盘平面处于理想的水平位置。

图2 可伸缩式支撑装置示意图

2.3 弧形出风口的设计

从阀厅到换流变压器的直流母管需要经过直流穿墙套管相连接，直流穿墙套管是倾斜安装，如图3所示。因此，设计了一套弧形融雪布风器，如图4所示。

图3 直流套管示意图

图4 弧形融雪布风器

弧形融雪布风器的半径是直流穿墙套管半径的2倍，并且可以旋转，当需要融雪时，布风器能够正好卡在直流穿墙套管外侧，布风器能够均匀地将热风喷射到直流穿墙套管表面附着的积雪上。

3 覆雪融化装置电气设计

3.1 计算所需暖风机功率

融雪布风器宽度600mm，弧形尺寸1200mm，出风量为600m3／h。在标准大气压下空气的比重为1.185kg／m3，空气的比热是1.006kJ／（kg.k），所以温度升高1℃，需要消耗的能量可以根据式（1）计算得到1192.1J，即：

式中，Q为消耗能量；Δt为温度的变化；ρ为标注大气压空气比重；c为标准大企业下空气比热。

在标准状况下，1m3的空气温度升高1℃，需要消耗1192.1J的能量。而1度电等于1kWh即3600000J，所以1192.1J约等于0.00033114kWh。选择高效能循环热风机，效率达到90%，风量要求为600m3／h，温度由常温20℃加热到80℃，那么功率按照式（2）计算得10.729kW，即：

式中，w为计算功率；F为热风量；Δt为温度的变化；Q1温度变化1℃时的消耗能量；γ热转换效率；h为1h。

3.2 暖风机控制电气设计

考虑现场电源来源难易程度，暖风机主电源采用三相AC380V，主断路器设置过电流、漏电保护功能，加热器出口设置温度检测传感器。控制出风口温度为80℃，当出风口温度高于80℃时，温控开关会临时关闭加热器。暖风系统设置一键启动按钮，当启动按钮按下后，风机自动开始工作，加热器根据出风口温控器自动控制出风口温度。

4 覆雪融化装置集成

覆雪融化装置使用时需平稳、可靠和便于移动，设计时考虑了很多因素，其结构组成模块有底盘、移动轮、固定支臂、伸缩风道、伸缩架、布风器，如图5所示。

图5 覆雪融化装置结构模块

5 结束语

（特）高压换流站直流穿墙套管覆雪融化装置研制的应用解决了直流穿墙套管外绝缘表面积雪难以融化可能导致外绝缘电击穿、闪络的问题，防止直流系统闭锁，提高能量可用率。该装置具有推广价值，可广泛用于国内其他直流输电换流站。同时对光CT HV-link、旁通开关上的覆雪融化也具有同样的功效。

（特）高压换流站直流穿墙套管覆雪融化装置研制成功后，率先在中州换流站进行了应用，并达到了预期效果：

1）该装置利用大风量暖风机及可伸缩式高熔点绝缘风筒，将热风凝聚汇集传导至设备附近，能够快速融化表面覆雪；

2）该装置在融雪工作时，不需要停电换流站内相关设备。