淺析特高壓換流站平波電抗器選型

羅 寧

（四川省電力公司電網(wǎng)規(guī)劃中心，四川 成都 610041）

引言

平波電抗器也稱直流電抗器，通常串接在換流器與直流線路之間，是特高壓換流站的重要設(shè)備之一。平波電抗器主要參數(shù)包括額定直流電流、額定直流電壓和額定增量電感，由于上述參數(shù)要求不同，特高壓平波電抗器的選型、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、布置以及備用等均與±500kV直流工程平波電抗器有較大區(qū)別。

平波電抗器具有干式和油浸式兩種型式，各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前±500kV直流工程平波電抗器多采用油浸式，而±660kV及±800kV直流工程則均采用干式。但干式平波電抗器存在對(duì)環(huán)境影響較大、占用土地資源較多、抗震能力較差等問(wèn)題。因此有必要對(duì)特高壓換流站工程設(shè)計(jì)中關(guān)于平波電抗器的選型所關(guān)聯(lián)的問(wèn)題作分析，并展望將來(lái)特高壓平波電抗器的可能發(fā)展方向。

1 特高壓平波電抗器的作用

平波電抗器也稱直流電抗器，一般串接在換流器與直流線路之間，是特高壓換流站的重要設(shè)備之一。其主要作用為：1）在直流系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)或事故時(shí)，抑制直流電流的突變速度，以避免事故擴(kuò)大；2）當(dāng)逆變器發(fā)生故障時(shí)，可避免引發(fā)換相失?。?）在交流電壓下降時(shí)，可減少逆變器換相失敗的概率；4）當(dāng)直流線路短路時(shí)，可在調(diào)節(jié)器的配合下，限制短路電流的峰值；5）起到抑制換流閥產(chǎn)生的紋波電壓，并同直流濾波器配合，一起極大地抑制和削減換流過(guò)程中產(chǎn)生的諧波電壓和諧波電流，從而大幅度削弱直流線路沿線對(duì)通信的干擾；6）在直流低負(fù)荷時(shí)，避免因電流發(fā)生間斷而導(dǎo)致?lián)Q流變壓器等電感元件產(chǎn)生很高的過(guò)電壓；7）限制線路和裝在線路端的容性設(shè)備通過(guò)換流閥的放電電流，以免損壞閥的元件。

2 特高壓平波電抗器主要參數(shù)選擇

平波電抗器主要參數(shù)包括額定直流電流、額定直流電壓和額定增量電感。對(duì)特高壓工程，因系統(tǒng)設(shè)計(jì)均采用雙橋更經(jīng)濟(jì)合理可行，因此參數(shù)分析均以此為前提。

運(yùn)行中的平波電抗器，總是串聯(lián)于直流回路中，由于我國(guó)目前的特高壓直流工程均為兩端直流系統(tǒng)，因此其額定直流電流可根據(jù)直流輸電線路的額定電流確定。若將來(lái)發(fā)展多端直流系統(tǒng)，則其額定直流電流應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)潮流分析及換流站主接線確定。

平波電抗器與高壓直流極線路串聯(lián)時(shí)，其額定直流電壓可根據(jù)直流輸電線路的額定電壓確定。干式平波電抗器采用平抗分置方式（即分別串聯(lián)于極線與中性母線）時(shí)，串聯(lián)于中性母線者理論上其額定電壓可根據(jù)中性母線額定電壓確定，但考慮到采用相同參數(shù)的設(shè)備可減少備用平波電抗器的數(shù)量，將更經(jīng)濟(jì)，一般仍按直流輸電極線的額定電壓確定。因此，總的來(lái)說(shuō)平波電抗器額定直流電壓可根據(jù)直流輸電線路的額定電壓確定。

額定增量電感的確定涉及到多方面的因素，受具體工程的若干運(yùn)行參數(shù)如額定關(guān)斷角、換流變壓器閥側(cè)兩相短路電流的幅值、允許的最小直流電流限值、直流低負(fù)荷時(shí)的換流器觸發(fā)角和具體工程的低頻諧振條件、直流濾波回路設(shè)計(jì)、平抗布置方式等影響，因此沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算公式，而需要通過(guò)一個(gè)性能價(jià)格逐步優(yōu)化的過(guò)程來(lái)確定最優(yōu)值。這也與以往直流輸電工程的經(jīng)驗(yàn)相吻合。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，大部分平波電抗器的工頻電抗標(biāo)幺值在0.2～0.7范圍內(nèi)。

基于以上分析，宜在對(duì)特高壓直流工程進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮工程實(shí)際可能的平抗布置方式以及系統(tǒng)參數(shù)，采用合理的規(guī)劃方法初步確定特高壓平波電抗器的額定增量電感取值范圍，并結(jié)合直流濾波器的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)中各點(diǎn)最高正常運(yùn)行電壓的取值等，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較以確定合適的增量電感，并利用先進(jìn)的仿真技術(shù)作驗(yàn)證，最終確定該參數(shù)作為具體工程設(shè)計(jì)參數(shù)。

3 特高壓平波電抗器結(jié)構(gòu)型式選擇

平波電抗器具有干式和油浸式兩種型式，各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前±500kV直流工程平波電抗器多采用油浸式，而±660kV及±800kV直流工程則均采用干式。

無(wú)論干式或油浸式平波電抗器，兩者均有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。其中，西變引進(jìn)ABB技術(shù)，沈變引進(jìn)Siemens技術(shù)，向三峽—常州±500kV直流輸電工程提供了當(dāng)時(shí)世界上最大的油浸式平波電抗器；1988年，我國(guó)第一條±500kV/2×600MW葛洲壩—南橋直流輸電系統(tǒng)的500kV/1200A的平波電抗器是由BBC公司成套供應(yīng)的戶外干式平波電抗器。在葛—南平抗事故整改及現(xiàn)在的技術(shù)改造及天—廣等高壓直流輸電系統(tǒng)中均采用Trench公司的戶外干式平波電抗器。

通過(guò)近年來(lái)的技術(shù)引進(jìn)與開(kāi)發(fā)研究，國(guó)內(nèi)現(xiàn)已具有獨(dú)立設(shè)計(jì)、制造±500kV的油浸式平波電抗器的能力。目前西變、沈變都具有制造±500kV油浸式平波電抗器的能力。但是由于制造能力的原因，目前尚未有±800kV油浸式平波電抗器的應(yīng)用。

干式平波電抗器開(kāi)發(fā)較晚，但隨著制造水平和介質(zhì)材料的進(jìn)步，干式平波電抗器性能有了很大提高，目前國(guó)內(nèi)具備±500kV及以上電壓等級(jí)干式平抗制造能力的設(shè)備廠商主要包括北京電力設(shè)備總廠、沈變、西變、上海MWB、西安中揚(yáng)、保變等。由于特高壓干式平波電抗器的絕緣問(wèn)題相對(duì)容易解決，現(xiàn)已在特高壓直流輸電工程中得到應(yīng)用，并且國(guó)內(nèi)主要的生產(chǎn)廠商已具備制造能力。

干式平波電抗器具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：1）對(duì)地絕緣簡(jiǎn)單，主絕緣由支柱絕緣子提供，只需考慮縱絕緣；2）無(wú)油，消除了火災(zāi)危險(xiǎn)和環(huán)境影響，不需要提供油處理系統(tǒng)；3）電抗器可分置于極線與中性母線，提供了更靈活的工程設(shè)計(jì)方案；4）潮流反轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)臨界介質(zhì)場(chǎng)強(qiáng)。高壓直流輸電系統(tǒng)的潮流反轉(zhuǎn)需改變電壓極性，但對(duì)干式平抗僅在支柱絕緣子上產(chǎn)生應(yīng)力，沒(méi)有臨界場(chǎng)強(qiáng)的限制。5）負(fù)荷電流與磁鏈成線性關(guān)系，即使在故障條件下也不會(huì)出現(xiàn)磁鏈飽和現(xiàn)象。6）暫態(tài)過(guò)電壓較低。由于干式平波電抗器對(duì)地電容小，因此所要求的沖擊絕緣水平相對(duì)較低。7）由于無(wú)鐵芯，空氣對(duì)流自然冷卻，因此可聽(tīng)噪音水平較低。8）重量輕，便于運(yùn)輸。9）運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。能夠在內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)上作到導(dǎo)線無(wú)接頭、避免故障點(diǎn)。

但是干式平波電抗器普遍存在以下一些問(wèn)題：1）占地大。由于結(jié)構(gòu)的原因，因此要達(dá)到相同的電感量，其體積必然增加。如向家壩－上?！?00千伏特高壓直流示范工程單極額定電感量為4×75mH/極，每極分別在極線和中性線上布置兩組，增加了直流場(chǎng)的占地面積。2）雖然設(shè)備自身可聽(tīng)噪音水平相對(duì)油浸式較低，但由于不能象油浸式一樣緊貼閥廳布置，而是布置在開(kāi)放的直流場(chǎng)，控制其噪音向換流站外傳播的代價(jià)大。3）采用支柱絕緣子支撐，設(shè)備布置高度高，抗震性能差，防振動(dòng)難度大。4）與干式平波電抗器配套的穿墻套管在技術(shù)上也存在一系列問(wèn)題，如室外部分的不均勻濕閃和不同安裝方式下的機(jī)械強(qiáng)度要求不同等5）戶外干式電抗器諧波電流產(chǎn)生的電磁輻射和干擾較大。6）在復(fù)雜的外界氣候條件下，產(chǎn)品絕緣材料的抗龜裂、抗老化、抗紫外線及耐污穢的性能需要進(jìn)一步提高。7）動(dòng)熱穩(wěn)定性的要求不易提高，比油浸式電抗器易老化。

油浸式平波電抗器具有與干式平波電抗器幾乎相反的特點(diǎn)，其主要優(yōu)點(diǎn)為：1）由于有鐵芯，增加單臺(tái)電感量很容易；2）主、縱絕緣均為油紙絕緣，技術(shù)成熟，運(yùn)行可靠；3）油浸式平波電抗器在地面安裝，重心低，抗震性能好；4）油浸式平波電抗器閥側(cè)套管可插入閥廳布置，取代了水平穿墻套管，很好的解決了穿墻套管的不均勻濕閃問(wèn)題?？上鄳?yīng)地減少套管發(fā)生閃絡(luò)的故障概率，以及由濕閃產(chǎn)生的對(duì)換流閥較大的故障電流沖擊的可能性；5）過(guò)電流能力較強(qiáng)。

油浸式平波電抗器存在的一些主要問(wèn)題：1）類(lèi)似于特高壓高端換流變壓器，由于出線裝置及套管等部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大，目前還沒(méi)有成熟的±800kV產(chǎn)品。2）由于采用風(fēng)扇和油泵強(qiáng)迫冷卻，增加站用電負(fù)荷；3）重量重，容易受運(yùn)輸條件限制；4）需經(jīng)常性運(yùn)行維護(hù)；5）油浸式平波電抗器的電感值隨電流的變化而改變，呈非線性；6）有鐵芯，采用油紙絕緣系統(tǒng)，潮流反轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生介質(zhì)臨界場(chǎng)強(qiáng)，對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)有一定的影響。

對(duì)于常規(guī)±500kV高壓直流輸電工程，由于油浸式平抗可節(jié)約穿墻套管、降低污閃概率、布置可節(jié)約占地、能較容易地設(shè)置聲屏障以解決噪音問(wèn)題、以及有較好的抗震及抗振能力等方面綜合考慮，近年來(lái)國(guó)內(nèi)多采用油浸式平抗。

但對(duì)于特高壓直流工程，由于還沒(méi)有成熟的±800kV油浸式平波電抗器，且油浸式平抗運(yùn)輸受到一定制約；而采用干式平抗分置接線方式，能降低極線設(shè)備絕緣水平、降低平抗制造難度、減少平抗備用臺(tái)數(shù)、節(jié)約投資。綜合考慮上述因素，目前向家壩－上海±800kV特高壓直流示范工程以及±660kV銀川東-山東直流工程的兩端換流站中的平波電抗器均采用干式平抗。

4 ±660kV及以上換流站平波電抗器選型現(xiàn)狀

向家壩－上海±800kV特高壓直流示范工程選取戶外干式平波電抗器，支撐式結(jié)構(gòu)，自然冷卻方式。采用干式平抗分置接線方式，額定電感量為4×75mH/極，每極在極線和中性線分別布置2組75mH，額定直流電流4000A。全站備用1組75mH。

±660kV銀川東-山東直流工程也是選取戶外干式平波電抗器，支撐式結(jié)構(gòu)，自然冷卻方式。采用干式平抗分置接線方式，額定電感量為4×75mH/極，每極在極線和中性線分別布置2組75mH，額定直流電流為3030A。全站備用1組75mH。

5 特高壓換流站平波電抗器選型展望

平波電抗器的主要作用是利用電感元件限制電流變化率的特性，因而要求平波電抗器有較大的電感量；但電感量太大，運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生過(guò)電壓，并可能使直流輸電系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)特性的反映速度下降，而且平波電抗器的投資也將增加。宜在對(duì)特高壓直流工程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較以確定合適的增量電感，并利用先進(jìn)的仿真技術(shù)作驗(yàn)證，以確定具體工程平波電抗器的增量電感設(shè)計(jì)參數(shù)。

油浸式平波電抗器由于有鐵芯，增加單臺(tái)電感量很容易，但電感值隨電流的變化而改變，呈非線性；而干式平波電抗器由于沒(méi)有鐵芯，增加單臺(tái)電感量較困難，目前特高壓直流工程均采取多臺(tái)串聯(lián)的方式，增加了占地面積，但負(fù)荷電流與磁鏈成線性關(guān)系，即使在故障條件下也不會(huì)出現(xiàn)磁鏈飽和現(xiàn)象。從平抗的額定增量電感參數(shù)看，將來(lái)隨著制造工藝的提高，若能適當(dāng)提高油浸式平波電抗器的電感線性范圍，則采用油浸式平波電抗器能減少設(shè)備數(shù)量和節(jié)約占地面積。

從以往的制造及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看，額定直流電流不是制約平波電抗器選型的參數(shù)。油浸式和干式平波電抗器均能滿足要求。

干式平波電抗器對(duì)地絕緣簡(jiǎn)單，主絕緣由支柱絕緣子提供，只需考慮縱絕緣，并且對(duì)地電容小，因此所要求的沖擊絕緣水平相對(duì)較低。因而提高其額定電壓相對(duì)容易。而額定直流電壓是制約油浸式平波電抗器制造的主要因素。但將來(lái)隨著特高壓高端換流變壓器的國(guó)產(chǎn)化，其取得的經(jīng)驗(yàn)若運(yùn)用于油浸式平波電抗器的制造和設(shè)計(jì)，有希望較好地解決油浸式平波電抗器的絕緣問(wèn)題，從而使特高壓油浸式平波電抗器的應(yīng)用成為可能。

干式平波電抗器具有設(shè)備布置占地面積大、噪音不容易屏蔽、抗震性能差及防振動(dòng)難度大、配套的穿墻套管增加了成本及故障幾率、電磁輻射和干擾較大、產(chǎn)品絕緣材料的抗老化性能較差等不利因素，這些因素均是因?yàn)楦墒狡讲娍蛊鞴逃械慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定，在具體工程設(shè)計(jì)中必然增加建設(shè)成本，造成對(duì)環(huán)境更大的影響，以及增加土地資源的消耗。

油浸式平波電抗器易受運(yùn)輸條件限制是產(chǎn)品特點(diǎn)所決定的，而采用現(xiàn)場(chǎng)組裝工藝克服運(yùn)輸問(wèn)題目前看還不現(xiàn)實(shí)，因此在運(yùn)輸受限的換流站，采用干式平波電抗器是工程設(shè)計(jì)的必然選擇。但油浸式平波電抗器目前存在的其它主要問(wèn)題，如±800kV產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大、技術(shù)不成熟；電感值隨電流的變化而改變，呈非線性；潮流反轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生介質(zhì)臨界場(chǎng)強(qiáng)，對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)有一定的影響等，均有望隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造能力的提高得到適當(dāng)?shù)母纳啤?/p>

因此，目前的特高壓直流工程均采用干式平波電抗器，更多地是因?yàn)樯袩o(wú)成熟的特高壓油浸式平波電抗器可供選擇，從而是一種現(xiàn)實(shí)的選擇而并非可能的最優(yōu)選擇。一旦有技術(shù)成熟的特高壓油浸式平波電抗器產(chǎn)品，對(duì)于運(yùn)輸不受限的換流站，仍然是有競(jìng)爭(zhēng)力的選擇，因此繼續(xù)加大特高壓油浸式平波電抗器的研制力度仍是有必要的。

屆時(shí)，可針對(duì)具體工程進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較以確定平波電抗器的選型。

[1]趙畹君，謝國(guó)恩，曾南超，等.高壓直流輸電工程技術(shù).ISBN 978-7-5083-1999-5.

[2]劉振亞主編.特高壓直流電氣設(shè)備.ISBN 978-7-5083-8271-5.

[3]劉振亞主編.特高壓直流輸電理論.ISBN 978-7-5083-8273-9.

[4]劉振亞主編.特高壓直流外絕緣技術(shù).ISBN 978-7-5083-8240-1.

[5]劉振亞主編.特高壓直流輸電工程電磁環(huán)境.ISBN 978-7-5083-8243-2.