肖 朋
(營口職業(yè)技術學院 電氣電子工程系,遼寧 營口 115000)
直流輸電具有送電穩(wěn)定、易于控制、損耗小、造價低等優(yōu)點,平波電抗器作為直流輸電中的重要設備之一,主要用來抑制整流后電路中的紋波[1]。以寧東-山東直流輸電工程中的±660 kV高壓干式平波電抗器為例,對平抗的技術特點、設計原理、安裝方式、電氣性能、諧波損耗、噪聲防治、并聯(lián)避雷器選型等關鍵技術問題逐一進行闡述,旨在為今后直流輸電工程中平波電抗器的設計和研究提供參考。
1) 型式:干式、空心;
2) 額定電感:75 mH;
3) 額定電流:3 030 A;
4) 最大連續(xù)運行直流電流:3 250 A;
5) 額定電壓:±660 kV;
6) 額定損耗:≤206 kW;
7) 平均溫升:≤80 K;
8) 熱點溫升:≤95 K;
9) 噪聲水平:≤70 dB(聲壓級);
10) 絕緣水平:如表1所示。
平波電抗器的設計關鍵在于繞組的設計,繞組采用多并聯(lián)支路方式,每個支路又由多根相同的導線并聯(lián)繞制;數(shù)個支路并聯(lián)疊繞組成一個包封,數(shù)個包封并聯(lián)組成一個繞組[2]。各包封不僅有自感,而且還與其它包封之間有互感。根據(jù)包封之間電阻電壓相等的方法與損耗最小原理,準確計算電感和各包封的溫升。包封溫升主要由繞組導線的電阻損耗、導線的渦流損耗及各包封繞組的循環(huán)電流等構(gòu)成的附加損耗所決定。
表1 絕緣水平
包封繞組有自感L11、L22、L33……Lnn,包封與包封之間有互感M12、M13、M21、M31……,其中M12=M21,M13=M31,包封繞組等效的數(shù)學方程式如下:
(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
轉(zhuǎn)化為矩陣方程為
(1)
解此方程組可求得包封繞組電流分配,平波電抗器的等效電感、等效電阻。
由于對上述方程組進行直接求解計算比較困難,可運用Bartky變換法計算出自感和互感[3]。由于干式平波電抗器每個包封的厚度相對于其直徑幾乎可以忽略不計,所以可以將各包封看作無限薄螺線管繞組。
圖1 無限薄螺線管繞組模型
如圖1中所示,半徑為r1、r2,高為h1、h2,單位長度匝數(shù)為N1、N2,中心距離為s的同軸螺線管之間的互感為
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。
函數(shù)C(r1,r2,z)定義如下:
(3)
從式(3)得出,當r1=r2=r,h1=h2=h,s=0時,還可以求得高度為h、半徑為r、單位長度匝數(shù)為N的螺線管的自感為
(4)
由式(4)可知,螺線管的自感與互感主要在于C(r1,r2,z)的求解。通過Bartky變換得到有效的解決方案。函數(shù)C(r1,r2,z)可以改寫為下面的形式:
C(r1,r2,z)=
(5)
其中:
送電端與受電端換流站平波電抗器的安裝布局方式有所不同。在布局上,兩座換流站在極母線側(cè)放置單臺75 mH平抗,中性點側(cè)放置3臺 75 mH 平抗相串聯(lián),單極電感總量300 mH,即“1+3”設計方式。不同的是,由于送電端銀川東換流站環(huán)境污染比較嚴重,因此極母線側(cè)平抗被安裝于戶內(nèi),而受電端青島站換流站環(huán)境較好,所以極母線側(cè)平抗被安裝于戶外。
兩座換流站使用的干式平波電抗器內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同,都是由線圈、上下匯流排、撐條、絕緣樹脂等組成。導線股間絕緣采用耐熱等級為H級絕緣材料,匝絕緣采用耐熱等級為H級絕緣材料,整個線圈由多層導線并聯(lián)制成,如圖2所示,導線并聯(lián)結(jié)構(gòu)使線圈相鄰匝間的工作場強接近相等,保證了平波電抗器在工作電壓下運行的可靠性。每層線圈在直流電壓作用下電場呈阻性分布,由于線圈導線的匝絕緣采用H級薄膜和稀緯無堿玻璃絲帶復合絕緣結(jié)構(gòu),有很高的電阻率,同時使匝絕緣具備良好的擊穿強度和韌性,高溫下不會融化、流動或助燃。根據(jù)設備散熱需要,在線圈層間放置氣道撐條,被氣道分隔開的導線內(nèi)外側(cè)用絕緣膠束纏繞密封,線圈上下端部分也用絕緣膠束纏繞密封成斜梢狀,如圖3所示。
圖2 繞組電氣連接
圖3 繞組包封示意圖
送電端銀川東極母線側(cè)平波電抗器整體安裝結(jié)構(gòu)如圖4所示,支撐部分由10柱支柱絕緣子構(gòu)成,每一柱包括高低不同的四節(jié),支柱絕緣子采用傾斜的方式安裝,與水泥平臺成80°的傾斜角,同時為保證穩(wěn)定性,絕緣子之間使用拉筋連成整體。極母線側(cè)電抗器上下兩端配備有安裝避雷器的接口支架。因為平抗工作在高壓直流線路中,在高場強位置均裝配有均壓環(huán),防止產(chǎn)生電暈現(xiàn)象。
圖4 銀川東換流站極母線側(cè)平波電抗器整體安裝結(jié)構(gòu)
受電端青島站極母線側(cè)平波電抗器整體安裝結(jié)構(gòu)如圖5所示,支撐部分由10柱支柱絕緣子構(gòu)成,每一柱包括高低不同的五節(jié),支柱絕緣子采用傾斜的方式安裝,與水泥平臺成80°的傾斜角,同時為保證穩(wěn)定性,絕緣子之間使用拉筋連成整體[4-5]。由于該站的平抗被安裝于戶外,因此電抗器的線圈本體設計有防雨降噪裝置,可以降低平抗的噪聲水平和防止淋雨。極母線側(cè)電抗器上下兩端配備由安裝避雷器的接口支架,在平抗的各高場強位置均裝配有均壓環(huán)。
圖5 青島換流站極母線側(cè)平波電抗器整體安裝結(jié)構(gòu)
送、受電兩端中性點側(cè)平波電抗器結(jié)構(gòu)與極母線側(cè)完全不同,如圖6所示。中性點側(cè)平抗與極母線側(cè)平抗的區(qū)別包括三方面:一是絕緣支撐結(jié)構(gòu)不同,極母線側(cè)平抗對絕緣子高度的選取比較高,中性點側(cè)對絕緣子高度選取較低,每柱只有一節(jié)絕緣子[6];二是電暈環(huán)直徑不同,極母線側(cè)直徑為Φ100 mm的電暈環(huán),中性點側(cè)直徑為Φ60 mm的電暈環(huán);三是低壓側(cè)無需安裝避雷器。
圖6 兩站中性點側(cè)平波電抗器整體安裝結(jié)構(gòu)
電抗器的絕緣主要指每層繞組的表面絕緣,為避免出現(xiàn)漏電起痕等問題,電抗器上下端之間的表面爬電距離設計的越大越好[7-8]。根據(jù)寧東-山東直流輸電工程中660 kV、3 030 A、75 mH平波電抗器的沖擊耐受要求指標1 050 kV,兩端之間的爬電距離取3 290 mm,表面50%沖擊閃絡電壓約為1 190 kV,因此完全可以保證線圈在1 050 kV雷電沖擊下無閃絡。
諧波電流在繞組上產(chǎn)生的電能損耗,會加大溫升,帶來負面影響。諧波損耗這一指標從某種程度上反映著設備的可靠性,也是反映制造水平的一個關鍵參數(shù)。為了盡可能減小諧波電流產(chǎn)生的渦流損耗和環(huán)流損耗,仍然利用全絕緣H級換位導線進行抑制。換位導線的關鍵點在于各股導線之間良好的絕緣,沒有感應電流的環(huán)路,進而使諧波損耗得到了有效的控制。換位導線由多根小直徑的單絲鋁導線組成,鋁導線高密度換位使一個繞組包內(nèi)的所有并列導線就像絞線那樣合并成一個支路,大大減少電抗器繞組并聯(lián)支路數(shù),因此對于3 030 A的寧東-山東直流輸電工程中的平波電抗器,并聯(lián)支路僅僅20個,與中小容量電抗器和限流電抗器屬于同一個范圍,因而諧波電流分布偏差對工藝偏差的敏感性得到有效控制。
平波電抗器通電工作時,既有電流也有磁場。當電流和磁場強度兩個因素中的任何一個或全部隨時間交變時,繞組所受的磁場力就會發(fā)生變化,從而引起繞組的振動和電磁噪聲。
根據(jù)數(shù)值計算,如果不采取必要的措施,在距離線圈表面3 m遠處,聲壓級為85.4 dB,比技術協(xié)議要求超過了15.4 dB,計算還表明干式平波電抗器的噪聲聲譜集中在600 Hz~1 200 Hz,其中600 Hz為最大值,基本決定了電抗器的總聲壓級。
眾所周知,平波電抗器線圈主要是根據(jù)溫升、絕緣以及動熱穩(wěn)定要求來設計的。在結(jié)構(gòu)形式和工藝方法一定的條件下,很難通過繞組的優(yōu)化設計來大幅度地降低噪聲。計算表明,對于厚包封和熱固化成型的線圈,假設增大單層繞組厚度使彈性振動幅度降低一半,也只能降低3 dB。因此,必須采用其他的技術手段進行降噪處理。
一般電抗器降噪裝置通常是采用各種各樣的隔聲罩。隔聲罩將線圈包圍在內(nèi),影響了通風條件,溫升難于控制。因此國內(nèi)外只在損耗小、發(fā)熱量低的小型電抗器上有加裝隔聲罩。在寧東-山東直流輸電工程中的平波電抗器在最大連續(xù)電流下的發(fā)熱損耗為234 kW,如果像普通電抗器那樣被完整地罩起來,溫升將會受到很嚴重的影響。為此,該產(chǎn)品采取了吸聲為主、隔聲為輔的設計原理的新型結(jié)構(gòu)降噪裝置,化解了降噪與升溫之間的矛盾。圖7中給出了平波電抗器獨有的防雨降噪裝置結(jié)構(gòu),主要包括消聲器、吸聲罩、吸聲筒等組成部分。
圖7 平波電抗器防雨降噪裝置結(jié)構(gòu)
裝配降噪裝置后,噪聲降為69 dB,滿足技術協(xié)議規(guī)定的不超過70 dB的要求。其中上下兩端噪聲罩體內(nèi)的吸聲材料選用阻燃等級不低于C級的有機棉,難以持續(xù)燃燒。而對于承受電壓的中部吸聲筒,其內(nèi)部填充的吸聲棉為無機棉,完全不能燃燒。此外,為防止吸聲筒吸聲棉吸潮而放電,與空氣接觸的一面鋪設一層憎水性耐高溫電工薄膜,隔離霧氣。
寧東-山東直流輸電工程中單臺平抗的雷電沖擊水平要求為1 050 kV,考慮1.2倍絕緣保護系數(shù),則并聯(lián)避雷器的保護殘壓值可設定為875 kV,根據(jù)避雷器廠家通常的制作能力,其參考電壓值應選取467 kV,可推出避雷器的額定電壓值大約在330 kV左右,同時避雷器還應具有3.3 MJ的短時能量吸收能力,最終并聯(lián)避雷器的主要參數(shù)如表2所示。
表2 寧東-山東直流輸電工程平抗并聯(lián)避雷器主要參數(shù)
對高壓干式平波電抗器的主要技術參數(shù)、安裝布局方式、結(jié)構(gòu)特點、內(nèi)絕緣設計、外絕緣設計、諧波損耗、噪聲理論、噪聲計算、降噪裝置和避雷器選型等關鍵技術進行了分析與研究,并提出應對措施,為今后高壓干式平波電抗器的設計和制造提供了重要參考。
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