特高壓換流變閥側(cè)絕緣性能試驗(yàn)成套設(shè)備研發(fā)

何長根 許廣虎 張陵 金銘 吳標(biāo) 姜杏輝

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2011-5640-0454

摘? 要：針對昌吉換流站高端換流變閥外施交流耐壓及局放試驗(yàn)的特點(diǎn)研發(fā)了一套特高壓換流變閥側(cè)絕緣性能試驗(yàn)設(shè)備，由高壓諧振電抗器、交流分壓器等組成。其中電抗器和分壓器集成為單柱式共塔結(jié)構(gòu)。通過仿真計算驗(yàn)證了該整套設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。同時基于裝置參數(shù)選取的基礎(chǔ)上開展了整套裝置一體化、兼容性、無局放等優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。另外，自主研發(fā)了固定電感式分壓測壓系統(tǒng)和氣囊式金屬鱗片狀均壓罩。開展了4000m海拔，1500kV電壓下共塔結(jié)構(gòu)電場分布模擬計算。

關(guān)鍵詞：特高壓? 共塔結(jié)構(gòu)? 4000m海拔? 外施交流耐壓及局放試驗(yàn)

中圖分類號：TM862? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（c）-0020-04

Development of a Complete Set of Equipment for the Insulation Performance Test of the UHV Converter? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Transformer Valve Side

HE Changgen1? XU Guanghu2? ZHANG Ling1? JIN Ming2? WU Biao2? JIANG Xinghui3*

（1.State Grid Xinjiang Electric Power Co.， Ltd.， Urumqi， Xinjiang Uygur Autonomous Region， 830002 China;2. Electric Power Science Research Institute State Grid Xinjiang Electric Power Co.， Ltd. ， Urumqi， Xinjiang Uygur Autonomous Region， 830002 China;3.Huadian Electric Power Technology Research Institute Wenzheng college Suzhou University， Suzhou， Jiangsu Province，215104 China）

Abstract： Aiming at the characteristics of the external AC withstand voltage and partial discharge test of the high-end converter transformer valve of Changji converter station， a set of insulation performance test equipment on the side of the UHV converter transformer valve has been developed. It is composed of high voltage resonant reactor， AC voltage divider， etc. The reactor and the voltage divider are integrated into a single-column common tower structure.? The stability and reliability of the whole set of equipment are verified by simulation calculation.? At the same time， based on the selection of device parameters， the optimized structure design of the whole set of device integration， compatibility， and no partial discharge was carried out.? In addition， it has independently developed a fixed inductive partial pressure measuring system and an airbag-type metal scale pressure equalizing cover. A simulation calculation of the electric field distribution of a common tower structure at an altitude of 4000m and a voltage of 1500kV was carried out.

Key Words： UHV; Common tower structure; 4000m altitude; External AC withstand voltage and partial discharge test

隨著我國特高壓直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展，特高壓直流工程在我國能源資源優(yōu)化配置上發(fā)揮了日益重要的作用。換流變壓器在高壓直流輸電（HVDC）中起著重要作用，它的安全運(yùn)行對整個系統(tǒng)可以連續(xù)，可靠和穩(wěn)定地工作這一事實(shí)具有重大影響[1]。因此，迫切需要在現(xiàn)場交接試驗(yàn)階段進(jìn)行閥側(cè)外施耐壓及局放測量試驗(yàn)。

針對特高壓換流變的性能參數(shù)和現(xiàn)場環(huán)境條件，研制適用于狹小空間和復(fù)雜電磁環(huán)境下的緊湊型、高電壓、無局放的閥外施成套試驗(yàn)裝置是成功開展該試驗(yàn)的關(guān)鍵。特高壓換流變的現(xiàn)場閥側(cè)交流耐壓試驗(yàn)在國內(nèi)和國際上都是首次應(yīng)用，其示范意義重大，同時本研究成果可反哺換流變現(xiàn)場試驗(yàn)裝置的設(shè)計和研制。

1? 設(shè)計方案

針對昌吉換流站高端換流變閥外施交流耐壓及局放試驗(yàn)的特點(diǎn)開展試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計，研制出一套1500kV共塔結(jié)構(gòu)、無局放試驗(yàn)裝置，可以滿足目前最高電壓等級、不同海拔梯度、復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境等的現(xiàn)場試驗(yàn)要求。

確定耐壓試驗(yàn)電壓標(biāo)準(zhǔn)為100%出廠試驗(yàn)電壓：1297kV，試驗(yàn)電壓創(chuàng)造現(xiàn)場交流耐壓試驗(yàn)電壓最高記錄;設(shè)備需滿足電壓1500kV要求。

因?yàn)閾Q流變戶外場受施工條件限制，高端換流變正值安裝階段，戶外場沒有空余場地用于換流變閥外施及局放試驗(yàn)條件，最終確定只能在閥廳搭建升壓設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。同時，由于閥廳已進(jìn)入安裝后期，所有的閥塔、閥避雷器、穿墻套管、管母等設(shè)備基本安裝完畢，所以試驗(yàn)設(shè)備搭建的空間距離非常緊張，甚至必須拆除部分已安裝完成的設(shè)備。為了減少閥廳地電位存在的干擾，采用了“扇形布局、一點(diǎn)接地”的方法，將所有設(shè)備的接地點(diǎn)保證一點(diǎn)接地，從而大幅降低了地線帶來的干擾[2]?？紤]緊湊型設(shè)計，以電抗與分壓器共塔結(jié)構(gòu)或融入式電感器分壓單柱結(jié)構(gòu)方案二種。

現(xiàn)場試驗(yàn)條件下，要求1037.6kV局部放電測量電壓換流變實(shí)測局放量小于200pC;對于現(xiàn)場接地網(wǎng)條件、供電電源條件（現(xiàn)場多家單位交叉施工用電）、周邊臨近設(shè)備的影響以及空間屏蔽條件，現(xiàn)場的局放背景是否能滿足試驗(yàn)要求，試驗(yàn)未進(jìn)行之前任何人心中都沒有100%把握，考慮設(shè)備絕緣余度及升壓裝置共柱式高壓低通濾波裝置的設(shè)計。

2? 現(xiàn)場用閥側(cè)絕緣性能試驗(yàn)成套設(shè)備總體設(shè)計

換流變的現(xiàn)場交流閥側(cè)外施耐壓試驗(yàn)一般采用串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置，通過試驗(yàn)電抗器與負(fù)載電容的串聯(lián)諧振達(dá)到升壓的目的[3]?；谏鲜鲈O(shè)計思路，開展特高壓換流變現(xiàn)場用閥側(cè)絕緣性能試驗(yàn)成套設(shè)備設(shè)計。

2.1 高壓諧振電抗器性能特點(diǎn)

（1）電抗器的設(shè)計采用空芯式結(jié)構(gòu)，漆包導(dǎo)線繞組，油浸自冷式。

（2）環(huán)氧樹脂絕緣筒外殼，具有足夠的電氣、機(jī)械強(qiáng)度，必要的散熱能力以及油熱脹冷縮的裕度。外殼噴涂顏色為橘紅色，上下蓋板、上下法蘭均采用不導(dǎo)磁火反磁性板，電抗器配備可靠的起吊專用設(shè)施。

（3）電抗器絕緣底座和支撐底架，支撐低價能夠承受5臺電抗器串聯(lián)的重量。

（4）電抗器配有均壓罩，均壓罩可實(shí)現(xiàn)單節(jié)、兩節(jié)、三節(jié)、四節(jié)和五節(jié)自由組合的正常使用，均壓環(huán)配包裝箱。

（5）電抗器有承受起重量的專用起吊裝置和運(yùn)輸時的固定設(shè)施。

（6）電抗器內(nèi)部結(jié)構(gòu)在經(jīng)過正常的鐵路、公路運(yùn)輸后相互位置不變，緊固件不松動。

2.2 交流分壓器性能特點(diǎn)

（1）額定電壓下可連續(xù)運(yùn)行90min。

（2）在30～300Hz范圍內(nèi)，其精度和穩(wěn)定度保持不變。

（3）在20℃、0.4～0.5UN下介損值：tg≤0.5%。

（4）分壓比誤差：有效值時≤0.5%，峰值時≤1%。

（5）高、低壓臂的電容采用一致的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，溫度系數(shù)小，角位移小，在30～300Hz分壓比不變。

（6）均壓環(huán)：鋁合金材料，便于拆裝，有包裝箱方便運(yùn)輸，滿足海拔4000m，1500kV下的均壓要求，不發(fā)生電暈放電。

（7）具有足夠的穩(wěn)定度，能調(diào)節(jié)水平，拆裝方便。

3? 現(xiàn)場用閥側(cè)絕緣性能試驗(yàn)成套設(shè)備理論分析

五臺電抗器最大電壓保證在高海拔4000m條件下不發(fā)生電暈放電，必須要對均壓罩表面電場強(qiáng)度進(jìn)行計算，屏蔽罩置于電抗器的頂端，改善設(shè)備頂端的電場分部并對其下面部件起到屏蔽作用。屏蔽罩外形尺寸： 最小半徑：1400mm，屏蔽罩采用防銹鋁合金制成。

最大彎曲正應(yīng)力和最大彎曲切應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料所能承受的正應(yīng)力和切應(yīng)力，因此材料能保證不發(fā)生斷裂。平臺發(fā)生失穩(wěn)的兩種狀況：側(cè)滑和傾覆。

首先討論側(cè)滑問題：8級側(cè)向總風(fēng)力為8000N，平臺與地面的摩擦系數(shù)u=0.2，那么，平臺與地面的摩擦力為Ff=0.2×126000N=25200N。摩擦力大于側(cè)向風(fēng)力，因此可以認(rèn)為平臺在發(fā)生傾覆前不會發(fā)生側(cè)滑。

要使平臺發(fā)生傾覆，兩處風(fēng)力分別為21957N和28375N，遠(yuǎn)大于8級風(fēng)所產(chǎn)生的風(fēng)力3500N和4500N。因此平臺在8級風(fēng)力的作用下不會發(fā)生傾覆。

在無風(fēng)力作用條件下，不考慮延伸支撐腿，對鋼底架進(jìn)行應(yīng)力分析。物理模型與邊界條件：電抗器與均壓罩對鋼底架正壓力F1=105kN，分壓器對鋼底架正壓力F1=1kN，考慮鋼底架自重。最大應(yīng)力出現(xiàn)在支撐腳根部處，最大應(yīng)力為129MPa，遠(yuǎn)小于鋼底架承載的最大壓應(yīng)力，滿足工程實(shí)際要求。鋼底架能夠承載電抗器、均壓罩、分壓器的壓力，同時不會發(fā)生明顯的變形，滿足工程實(shí)際的要求，鋼底架的設(shè)計是合理的。

4? 現(xiàn)場用閥側(cè)絕緣性能試驗(yàn)成套設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于裝置參數(shù)選取的基礎(chǔ)上開展，整套裝置整體一體化、兼容性、無局放等優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。在本體設(shè)計中，諧振電感L的各個分壓抽頭將諧振電感L分為若干個分段，使得諧振電感L構(gòu)成電感分壓器。當(dāng)設(shè)置有一個分壓抽頭時，諧振電感L具備了電感分壓器的功能。第一測量模塊采用特制變比的電壓互感器，稱之為第一電壓互感器PT1，該第一電壓互感器PT1的變比基于電感L兩端的電壓與其電感量的比例關(guān)系以及電感分壓器的各分段的分壓比例而設(shè)計使得該第一電壓互感器PT1能夠直接反映出電感L兩端的電壓。當(dāng)設(shè)計完諧振電感L后，需要對其低壓臂的電感量和高壓臂的電感量進(jìn)行精確測量，從而測得其所構(gòu)成的電感分壓器的分壓比例。第二測量模塊也為特制變比的電壓互感器，稱之為第二電壓互感器PT2，它可以滿足矢量運(yùn)算所需要的幅度和相位要求。智能測量儀則能夠通過數(shù)字算法，計算出有效值，峰峰值等高壓交流耐壓試驗(yàn)所需的測量參數(shù)。

該測量系統(tǒng)利用諧振系統(tǒng)自有電抗器，通過分壓抽頭方式設(shè)計，使其成為兼具測壓功能的諧振電抗器，取消了常規(guī)諧振系統(tǒng)配置的交流高壓分壓器，節(jié)省了投資成本和運(yùn)行費(fèi)用，減少裝卸工作量，尤其對于超高壓和特高壓交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備意義重大。

氣囊式金屬鱗片特高電壓均壓罩，包括充氣內(nèi)膽、支撐托架和金屬均壓元件;充氣內(nèi)膽呈球形或環(huán)形，充氣內(nèi)膽中軸處設(shè)有通孔，通孔內(nèi)設(shè)有兩個電極連接柱;充氣內(nèi)膽外表面布滿規(guī)則分布的安裝座;支撐托架安裝在通孔下部的充氣內(nèi)膽上，支撐托架通過安裝座與充氣內(nèi)膽連接;金屬均壓元件包括鱗片狀金屬片和焊接在鱗片狀金屬片中心處的金屬螺桿，各個鱗片狀金屬片之間通過導(dǎo)線連通，水平層每一圈鱗片狀金屬片均設(shè)有一處開路。通過上述方式，本發(fā)明能夠在不拆卸不解體的狀態(tài)下運(yùn)輸，不需要現(xiàn)場拼裝，依靠充氣就可使均壓罩達(dá)到工作狀態(tài)。

整套裝置基于開展高海拔特高壓試驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上開展設(shè)計研究，主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）為了長距離運(yùn)輸方便，現(xiàn)場組裝便攜，研究1500kV在不增加電抗器、分壓器結(jié)構(gòu)高度的前提下，通過優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)的方法，滿足在海拔4000m的外絕緣配置的要求。

（2）1500kV串諧在現(xiàn)場應(yīng)用中應(yīng)保證整體電暈放電量整體不超過10pC，且具有友好的模塊化，便于長途運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝。

（3）整套裝置具備良好的機(jī)械性能和電氣性能，保證電抗器和分壓器在極端氣候條件下的運(yùn)行穩(wěn)定性。

（4）新設(shè)備與原有老設(shè)備的兼用性，使其在與現(xiàn)有設(shè)備在并聯(lián)工作的形式下，具有良好的均壓、均流特性。

（5）設(shè)計優(yōu)化電抗器、分壓器可拆分的模塊化結(jié)構(gòu)，且使其具備高強(qiáng)度的設(shè)備支撐系統(tǒng)，適應(yīng)大風(fēng)沙等惡劣天氣條件。

本次研制的是無局放的試驗(yàn)裝置，因此需要關(guān)注以下四方面技術(shù)措施：

一是解決從電源380V側(cè)竄過來的低頻電源干擾，所有電機(jī)均采用直流電機(jī)，采用直流模塊調(diào)速。控制系統(tǒng)有獨(dú)立的隔離變壓器。

二是隔離阻斷從電抗器本體上產(chǎn)生的一些干擾，在高壓電抗器和耦合電容器之間增設(shè)高壓隔離阻抗。換流變壓器的熱狀態(tài)和絕緣能力對于評估狀態(tài)非常重要，而非線性熱電耦合的影響在設(shè)計分析中往往被忽略，并可能導(dǎo)致其實(shí)際性能的估計錯誤[5]。

三是對高壓電抗器高壓部分結(jié)構(gòu)合理，使得內(nèi)部電場分布均壓其次材料方面：銅導(dǎo)線表面光滑無毛刺、均壓材料光滑無毛刺。嚴(yán)格控制變壓器油中的微水含量及纖維等雜質(zhì)的含量。

四是對整體裝置的均壓環(huán)表面場強(qiáng)控制在14.5kV/mm。保證滿足高海拔試驗(yàn)需要。

測控系統(tǒng)是采用PLC控制，測量系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)抗干擾和二次系統(tǒng)的反擊，串諧控制系統(tǒng)PLC為核心而研制的高效、可靠的新型控制系統(tǒng)。根據(jù)換流變PLC控制系統(tǒng)邏輯，PLC控制系統(tǒng)通過比較實(shí)際負(fù)載系數(shù)和實(shí)際過載能力來判斷是否需發(fā)出“過負(fù)荷”信號[6]。整個控制系統(tǒng)大量地采用光電隔離及開關(guān)隔離技術(shù)，使PLC 的I/O始終處于全隔離的低電壓工作環(huán)境中，大大提高了控制系統(tǒng)的安全性、可靠性。電壓、電流、等模擬量的處理采用12位分辨率的高速高精度數(shù)字處理模塊，運(yùn)用軟硬件冗余技術(shù)，具有很大的可擴(kuò)展性以及強(qiáng)大的編程和通訊能力。

5? 結(jié)語

針對特高壓換流變交流外施耐壓試驗(yàn)電壓高、空間狹小、無現(xiàn)場專用試驗(yàn)裝置的難題，成功研制了一套1500kV緊湊型無局放交流耐壓試驗(yàn)裝置，滿足了目前最高電壓等級、不同海拔、復(fù)雜自然環(huán)境條件下的現(xiàn)場試驗(yàn)需求。

（1）針對無局放的現(xiàn)場試驗(yàn)要求，研制出電抗器和分壓器集成的單柱式共塔結(jié)構(gòu)代替經(jīng)典分體式結(jié)構(gòu)，解決了電抗器與分壓器電位分布不均勻的難題，節(jié)約了設(shè)備的現(xiàn)場組裝時間，提高了試驗(yàn)效率。

（2）為解決單柱式結(jié)構(gòu)同時升壓和測量難題，基于全電流諧振分壓系統(tǒng)測量原理，自主研發(fā)了固定電感式分壓測壓系統(tǒng)，減少了雜散電流對測量精度的影響。

（3）研發(fā)了無需拆卸運(yùn)輸與現(xiàn)場拼裝的氣囊式金屬鱗片狀均壓罩，依靠充氣就能達(dá)到工作狀態(tài)，提高了現(xiàn)場安裝效率。

（4）開展4000m海拔、1500kV電壓下共塔結(jié)構(gòu)電場分布模擬計算，優(yōu)化了腰環(huán)、頂環(huán)和共塔結(jié)構(gòu)的電場分布，并在2500m海拔、1650kV下試驗(yàn)裝置現(xiàn)場驗(yàn)證，實(shí)際測量局放量不超過50pC，驗(yàn)證了試驗(yàn)裝置對不同海拔的適應(yīng)性。

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