特高壓直流換流站閥廳金具研制

張愛芳，常林晶，李俊輝，楊國華，徐健濤，溫銘麗

（平高集團(tuán)有限公司，河南平頂山 467000）

0 引言

換流站中換流變壓器與平波電抗器一般布置在閥廳外，通過換流變閥側(cè)套管和直流穿墻套管與閥廳相連，上述兩種套管從閥廳外傾斜一定角度穿過閥廳墻壁插入閥廳[1-4]，然后通過金具與其他設(shè)備相連，設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與管母之間呈空間布置，存在連接角度復(fù)雜的特點(diǎn)，因此閥廳連接金具較線路金具的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜與多樣。如何進(jìn)行閥廳金具的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)換流閥塔與換流變閥側(cè)套管、換流閥塔與直流穿墻套管以及其他設(shè)備之間的連接，就成為換流站閥廳工程設(shè)計(jì)上必須重點(diǎn)考慮的問題。

1 閥廳金具的安裝位置

閥廳中的主要設(shè)備有換流閥塔、避雷器、電流/電壓測(cè)量裝置、接地刀閘等，這些設(shè)備通過軟導(dǎo)線或者管母線相連，軟導(dǎo)線或者管母線與設(shè)備的接線端子之間需要用閥廳金具進(jìn)行連接，所以閥廳金具布置在閥廳中各個(gè)設(shè)備端子連接處以及管母線與軟導(dǎo)線的連接節(jié)點(diǎn)處，閥廳金具連接布置圖如圖1所示。

圖中1為上下?lián)Q流單元六脈動(dòng)橋中點(diǎn)避雷器；2為連接管母線；3為管母連接金具；4為換流閥閥塔；5為換流變壓器閥側(cè)套管；6為直流穿墻套管；T1～T12為換流變壓器閥側(cè)套管的金具接口。

圖1 閥廳金具安裝布置示意圖

換流閥閥塔之間通過管母線連接形成一整套換流設(shè)備，換流閥閥塔交流側(cè)通過管母線與換流變壓器套管的Y接套管和D接套管相連接；換流閥閥塔直流側(cè)通過管母線與直流穿墻套管相連接，閥廳金具則是連接上述部位的橋梁和紐帶，它的質(zhì)量好壞直接影響著閥廳內(nèi)各類設(shè)備的運(yùn)行安危。

2 閥廳金具的技術(shù)要求

直流特高壓換流站閥廳金具的設(shè)計(jì)主要有以下技術(shù)要求[5-8]：載流量及溫升、電暈及無線電干擾水平、機(jī)械強(qiáng)度可靠性、外形以及金具連接形式的要求等。

2.1 載流量及溫升要求

根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的載流量和允許的溫升限值來選擇合適的通流結(jié)構(gòu)和通流截面。閥廳內(nèi)通常要求保持環(huán)境溫度為+5℃～+45℃，建議運(yùn)行時(shí)閥廳金具表面的最高溫升控制在40 k以下。

2.2 防電暈特性及無線電干擾水平要求

閥廳金具的防電暈特性與金具安裝位置的工作電壓、自身結(jié)構(gòu)以及屏蔽措施有關(guān)。當(dāng)金具自身的防電暈特性無法滿足使用要求時(shí)，采用屏蔽措施達(dá)到防電暈的目的。建議直流特高壓閥廳金具的無線電干擾水平控制在1 000μV以下。

2.3 機(jī)械強(qiáng)度要求

設(shè)計(jì)時(shí)考慮管母及金具的自重，閥廳環(huán)境溫度變化時(shí)管母及設(shè)備的伸縮應(yīng)力，地震等苛刻情況下擺動(dòng)所造成的沖擊力，以及短路時(shí)發(fā)生的電動(dòng)沖擊力等。

2.4 外形要求

在滿足機(jī)械強(qiáng)度和載流量要求的條件下應(yīng)盡可能小巧，特別是需要加裝屏蔽球或屏蔽環(huán)的位置，金具的尺寸大小直接影響安裝在它外面的屏蔽球或屏蔽環(huán)的設(shè)計(jì)尺寸，從而影響整個(gè)閥廳布置時(shí)各點(diǎn)的電氣距離。

2.5 連接形式要求

根據(jù)具體安裝位置是否有位移和角度要求、安裝形式是懸吊或是支撐，管母線是固定、滑動(dòng)還是有角度擺動(dòng)，屏蔽結(jié)構(gòu)是屏蔽環(huán)還是屏蔽球，屏蔽球的開孔方式是加工時(shí)開孔還是現(xiàn)場(chǎng)開孔等因素設(shè)計(jì)不同的金具結(jié)構(gòu)。管母線的連接一般采用一端固定另一端滑動(dòng)的連接形式。

3 閥廳金具設(shè)計(jì)舉例

本文依據(jù)溪洛渡左岸--浙江金華±800 kV特高壓直流工程金華換流站高端閥廳的金具輸入條件進(jìn)行閥廳金具設(shè)計(jì)，直流極線額定電壓±800 kV，額定電流5 000 A，1.05倍過負(fù)荷工況下，IVDC=5 900 A，IVY=4 800 A，IVD=2 800 A。下文僅以換流變套管、直流穿墻套管接口處的金具以及懸吊和支撐管母線連接金具為例進(jìn)行介紹。

3.1 換流變套管連接金具

換流變套管連接金具根據(jù)連接功能的要求[9-13]，具有二通和三通連接金具兩種結(jié)構(gòu)形式，從而能夠?qū)崿F(xiàn)換流變閥側(cè)套管在閥廳中的Y接和D接要求以及換流變套管與換流閥塔的連接要求。換流變套管連接金具的技術(shù)要求有：（1）傳輸電流載荷；（2）不產(chǎn)生可見電暈，采用的屏蔽結(jié)構(gòu)不能削弱換流變套管端部原有的電場(chǎng)屏蔽效果；（3）滿足位置安裝、角度及位移調(diào)節(jié)、機(jī)械支撐強(qiáng)度的要求。

根據(jù)換流變套管連接金具一端連接換流變套管的接線端子，另一端或兩端與管母線端部相連接的特點(diǎn)，結(jié)合上述技術(shù)要求設(shè)計(jì)了兩種換流變套管連接金具，即換流變套管二通連接金具和換流變套管三通連接金具，如圖2和圖3所示。二通金具和三通金具采用通用的模塊化設(shè)計(jì)：一是載流模塊設(shè)計(jì)，換流變套管接線端子和管母端部均采用鋁合金鑄件抱夾結(jié)構(gòu)，中間部位采用純鋁絞線與兩端的抱夾焊接，既可以滿足通流的要求同時(shí)也兼顧了換流變套管接線端子與管母線之間位移調(diào)節(jié)和角度調(diào)節(jié)的要求，換流變套管連接金具的設(shè)計(jì)電流建議參考文獻(xiàn)[14]；二是防護(hù)金具模塊設(shè)計(jì)，采用兩半屏蔽球殼對(duì)扣結(jié)構(gòu)，具有表面電場(chǎng)均勻，電場(chǎng)強(qiáng)度低，占用空間小的特點(diǎn)，屏蔽球表面電場(chǎng)的計(jì)算和控制建議參考文獻(xiàn)[15-17]；三是機(jī)械支撐連接模塊，由于換流變套管的長度較長，接線端子能夠承擔(dān)的機(jī)械負(fù)荷有限，因此不能把連接管母的重量全部施加在接線端子上，而要合理分配接線端子所能承受的機(jī)械負(fù)荷。換流變套管接線端子和連接管母線的空間位置在安裝過程中存在位移偏差和角度偏差，機(jī)械連接部分需要能夠有效的進(jìn)行調(diào)節(jié)，故在鋁絞線兩端的鋁合金抱夾間設(shè)置了萬向節(jié)和滑塊，以適應(yīng)設(shè)備間的位移和角度調(diào)節(jié)。圖1中T2、T4、T6～T9、T11、T12為二通連接金具，T1、T3、T5、T10為三通連接金具。

圖2 換流變套管二通金具

3.2 直流穿墻套管連接金具

圖3 換流變套管三通金具

圖4 直流穿墻套管連接金具

如圖4所示，直流穿墻套管連接金具根據(jù)連接需要應(yīng)為二通連接金具，它的技術(shù)要求與換流變套管連接金具類似，有所不同的是，直流穿墻套管與管母線連接時(shí)的空間略為狹窄，金具承載的電流為極線電流，2小時(shí)過負(fù)荷電流達(dá)到5 900 A，通流容量較大，普通軟導(dǎo)線安裝困難，因此用銅導(dǎo)電帶進(jìn)行載流。為了不破壞穿墻套管端部屏蔽罩的屏蔽效果，在管母線上安裝了屏蔽球，從而將金具的載流部分和機(jī)械連接部分均屏蔽在球體內(nèi)部，起到了防電暈的效果。

3.3 管母線懸吊連接金具和管母線支撐連接金具

閥廳內(nèi)的管母線連接金具不僅用來實(shí)現(xiàn)換流變閥側(cè)套管的Y接和D接要求，還用于上閥塔及閥塔聯(lián)結(jié)出線用，設(shè)備間接口連接復(fù)雜，形式多樣。除了換流變套管連接金具和直流穿墻套管連接金具外，還有作為管母線分段、轉(zhuǎn)向、支撐作用的懸吊式二通管母金具和支撐式二通管母金具。圖5所示為懸吊式二通管母金具，圖6所示為支撐式二通管母金具。上述兩種金具的技術(shù)要求與換流變套管連接金具類似，不同的是上述兩種金具均有一個(gè)獨(dú)立的支撐點(diǎn)，采用懸垂絕緣子串懸掛或采用支柱絕緣子支撐，從管母線的整體布置來考慮，為了適應(yīng)管母線安裝的位移偏差及溫度變化時(shí)熱脹冷縮的影響，管母線兩端的金具通常采用一個(gè)固定端一個(gè)滑動(dòng)端，以適應(yīng)安裝及運(yùn)行過程中的位移變化。同時(shí)，為了改善金具的電場(chǎng)屏蔽效果，連接節(jié)點(diǎn)處也加裝了屏蔽球金具。

圖5 懸吊式二通管母金具

圖6 支撐式二通管母金具

4 試驗(yàn)

為驗(yàn)證研制的閥廳金具的結(jié)構(gòu)和性能，根據(jù)閥廳金具設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，選取有代表性的二通、三通金具等進(jìn)行了型式試驗(yàn)[18-21]，試驗(yàn)項(xiàng)目有溫升試驗(yàn)、電暈及無線電干擾試驗(yàn)以及機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)。

4.1 溫升試驗(yàn)

試驗(yàn)在戶內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度為21°C～25°C，滿足環(huán)境溫度＋10°C～＋45°C的要求，風(fēng)速小于0.5 m/s，焊接軟導(dǎo)線采用6根JL-1120純鋁絞線，試驗(yàn)電流為5 900 A，電流頻率50 Hz，技術(shù)要求溫升限值最高不超過40 K。溫升試驗(yàn)接線圖如圖7、圖8所示。試驗(yàn)穩(wěn)定后測(cè)試點(diǎn)的最高溫升均出現(xiàn)在中間鋁絞線上，二通連接金具最高溫升38 K，三通最高溫度36 K，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。

圖7 二通金具溫升試驗(yàn)

圖8 三通金具溫升試驗(yàn)

4.2 電暈及無線電干擾試驗(yàn)

額定電壓±800 kV，屏蔽球直徑?1 600，按照GB2317.2電暈及無線電干擾試驗(yàn)方法，將樣機(jī)放置在絕緣支柱上，金具兩端連接兩根長3 m的管母，其中一根管母端部安裝一個(gè)屏蔽球，另一端接高壓線，被試品對(duì)地高度為8.4 m。布置圖如圖9所示。

圖9 二通金具電暈及無線電干擾試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)大氣壓P=101.2 kPa，干溫td=24.5°C，濕溫tw=20°C，可見電暈(電暈熄滅電壓）試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 可見電暈(電暈熄滅電壓）試驗(yàn)結(jié)果

被試品在1.25倍額定電壓下無可見電暈，達(dá)到了設(shè)計(jì)時(shí)的要求。

1 MHz環(huán)境下的無線電干擾電壓試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 無線電干擾電壓RIV試驗(yàn)結(jié)果

由表中數(shù)據(jù)可知，在要求的電壓試驗(yàn)中，樣機(jī)的正極性無線電干擾值遠(yuǎn)大于負(fù)極性下的無線電干擾值，但都遠(yuǎn)小于1 000，滿足技術(shù)條件規(guī)定的無線電干擾水平值。

4.3 機(jī)械試驗(yàn)

根據(jù)GB2317.1規(guī)定，對(duì)管母線固定金具應(yīng)進(jìn)行抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)過程如圖10所示，樣機(jī)承受拉力6 000 N，保持一分鐘后，試件無變形，達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。管母線伸縮節(jié)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，如圖11所示，母線伸縮節(jié)伸縮50 mm，往返1 000次，往返頻率50次/h，試驗(yàn)后伸縮節(jié)及焊縫表面無損傷，達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

5 結(jié)語

圖10 管母線固定金具抗彎試驗(yàn)

本文根據(jù)直流特高壓換流站閥廳金具安裝的位置，提出了閥廳金具設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，即金具必須滿足使用位置處的載流量及溫升限制的要求、防電暈及無線電干擾的要求、機(jī)械強(qiáng)度要求、外形及連接形式的要求。重點(diǎn)舉例介紹了換流變套管連接金具、直流穿墻套管連接金具以及管母線懸吊連接金具和管母線支撐連接金具。根據(jù)產(chǎn)品的使用要求對(duì)閥廳中二通、三通金具做了電暈及無線電干擾試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)，對(duì)管母固定金具做了機(jī)械強(qiáng)度抗彎試驗(yàn)，對(duì)管母線伸縮節(jié)進(jìn)行了機(jī)械疲勞試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，所研制的金具能夠滿足換流站閥廳的使用要求。目前，研制的換流站閥廳金具已經(jīng)應(yīng)用于溪洛渡-浙江±800 kV特高壓輸電工程項(xiàng)目金華換流站中，產(chǎn)品運(yùn)行性能良好，可靠穩(wěn)定。

圖11 管母線伸縮節(jié)疲勞試驗(yàn)

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