（特） 高壓換流站直流穿墻套管覆雪融化裝置的研制

杜大鵬 閏興龍 王紫鑫 劉 鵬

（國網(wǎng)河南省電力公司直流中心）

1 換流閥水冷系統(tǒng)分析

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展以及近年來國家對環(huán)境保護的財政投入和對生態(tài)資源的保護，逐漸形成了東西部不同的經(jīng)濟走廊，東部以發(fā)展經(jīng)濟為主，西部以提供清潔能源為主的發(fā)展模式。清潔能源主要是光能、風能、水電，這些電能生產(chǎn)出來不易儲存，而 （特）高壓直流輸電在東西經(jīng)濟走廊之間起到了橋梁作用，它能將西部電能遠距離輸送至東部地區(qū)，支撐了東部經(jīng)濟發(fā)展對能源的需求。

（特）高壓直流輸電線路兩端是送端換流站和受端換流站，交流電經(jīng)過換流變壓器升壓、經(jīng)過換流閥整流后轉(zhuǎn)變成直流電壓，目前電壓等級最高達到±1100kV。

直流電母管從閥廳伸出室外需要穿墻，并在直流穿墻套管的保護下伸出閥廳外連接。直流穿墻套管作為高壓輸電系統(tǒng)的重要設(shè)備，是高壓直流母線引線絕緣的核心部件，直流穿墻套管的性能和質(zhì)量對直流母線穿過墻壁時的絕緣隔離和連接過渡具有重要作用。若直流穿墻套管因發(fā)生電擊穿或者絕緣閃絡(luò)，使得穿墻套管的絕緣性遭到破壞，會對高壓輸電系統(tǒng)的其他設(shè)備以及電力運行均造成嚴重破壞。據(jù)統(tǒng)計， （特）高壓換流站發(fā)生的閃絡(luò)事故中，直流穿墻套管及設(shè)備外瓷套的閃絡(luò)事故約占總數(shù)的70%。直流穿墻套管發(fā)生電擊穿和絕緣閃絡(luò)的因素有很多，例如，在寒冷氣候條件下，直流穿墻套管的表面積雪或者積冰易導致穿墻套管發(fā)生電擊穿和絕緣閃絡(luò)事故，使得高壓電氣設(shè)備在高壓運行中發(fā)生故障。因此，及時清除高壓穿墻套管的積雪是防止閃絡(luò)事故的關(guān)鍵。目前，高壓穿墻套管的除雪方法主要包括人工清雪和風機風力除雪等。其中，人工清雪需要在停電工況下完成，并且，容易造成人身安全隱患；而風機風力除雪的除雪效率較低，不利于對積雪的快速清除。

本文提出了一種新型的高效快速的覆雪融化裝置，利用熱風對覆雪的噴射溶解積雪，并能夠解決諸如直流穿墻套管絕緣表面積雪難以融化可能導致外絕緣電擊穿、閃絡(luò)問題，防止直流系統(tǒng)閉鎖，提高能量可用率。

2 覆雪融化裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 伸縮式內(nèi)螺旋絕緣導風筒的設(shè)計

直流穿墻套管在閥廳穿墻位置高度因換流站不同而有所不同，根據(jù)對現(xiàn)有換流站進行現(xiàn)場實地勘察測繪，覆雪融化裝置伸縮式螺旋絕緣風筒需要能夠伸縮到最高15m，就可以全覆蓋目前換流站全部的閥廳穿墻位置高度，如圖1所示。

圖1 主泵機械密封結(jié)構(gòu)示意圖

伸縮式螺旋絕緣風筒內(nèi)部流通的是熱風，在換流站帶電區(qū)域使用，需要同時具備幾個特性：

1）電絕緣、絕緣層耐磨損。

2）風筒材質(zhì)耐高溫、高溫不變形、阻燃、具有較大的伸縮比。

伸縮節(jié)作為伸縮式螺旋絕緣風筒的支撐構(gòu)件，其應(yīng)能具有15m的延展性能和剛性，在伸縮節(jié)運動過程中，擺動不超過5°，設(shè)計時要考慮伸縮過程中摩擦力盡可能小、運行平穩(wěn)。

2.2 絕緣伸縮桿固定支撐裝置的設(shè)計

覆雪融化裝置底盤上安裝有熱風機和伸縮式內(nèi)螺旋絕緣導風筒及絕緣伸縮桿驅(qū)動系統(tǒng)，考慮到實際應(yīng)用時，為避免頭重腳輕，整個裝置需要很好的穩(wěn)定性能，因此在底盤還加有配重。為了穩(wěn)定伸縮式內(nèi)螺旋絕緣導風筒及絕緣伸縮桿在伸高15m時，擺動量小于5°，底盤還應(yīng)設(shè)計更加穩(wěn)定的四角支撐裝置和水平儀。

支撐裝置如圖2所示。支撐裝置為四個支撐臂，裝置不工作時，支撐臂可以縮進底盤內(nèi)側(cè)，使用時可以伸出底盤，利用垂直的落地支腳來支撐整個裝置。落地支腳能夠進行高度調(diào)整，裝置底盤上部設(shè)有球形水平儀，通過調(diào)整四角的支腳高度，讓底盤平面處于理想的水平位置。

圖2 可伸縮式支撐裝置示意圖

2.3 弧形出風口的設(shè)計

從閥廳到換流變壓器的直流母管需要經(jīng)過直流穿墻套管相連接，直流穿墻套管是傾斜安裝，如圖3所示。因此，設(shè)計了一套弧形融雪布風器，如圖4所示。

圖3 直流套管示意圖

圖4 弧形融雪布風器

弧形融雪布風器的半徑是直流穿墻套管半徑的2倍，并且可以旋轉(zhuǎn)，當需要融雪時，布風器能夠正好卡在直流穿墻套管外側(cè)，布風器能夠均勻地將熱風噴射到直流穿墻套管表面附著的積雪上。

3 覆雪融化裝置電氣設(shè)計

3.1 計算所需暖風機功率

融雪布風器寬度600mm，弧形尺寸1200mm，出風量為600m3／h。在標準大氣壓下空氣的比重為1.185kg／m3，空氣的比熱是1.006kJ／（kg.k），所以溫度升高1℃，需要消耗的能量可以根據(jù)式（1）計算得到1192.1J，即：

式中，Q為消耗能量；Δt為溫度的變化；ρ為標注大氣壓空氣比重；c為標準大企業(yè)下空氣比熱。

在標準狀況下，1m3的空氣溫度升高1℃，需要消耗1192.1J的能量。而1度電等于1kWh即3600000J，所以1192.1J約等于0.00033114kWh。選擇高效能循環(huán)熱風機，效率達到90%，風量要求為600m3／h，溫度由常溫20℃加熱到80℃，那么功率按照式（2）計算得10.729kW，即：

式中，w為計算功率；F為熱風量；Δt為溫度的變化；Q1溫度變化1℃時的消耗能量；γ熱轉(zhuǎn)換效率；h為1h。

3.2 暖風機控制電氣設(shè)計

考慮現(xiàn)場電源來源難易程度，暖風機主電源采用三相AC380V，主斷路器設(shè)置過電流、漏電保護功能，加熱器出口設(shè)置溫度檢測傳感器?？刂瞥鲲L口溫度為80℃，當出風口溫度高于80℃時，溫控開關(guān)會臨時關(guān)閉加熱器。暖風系統(tǒng)設(shè)置一鍵啟動按鈕，當啟動按鈕按下后，風機自動開始工作，加熱器根據(jù)出風口溫控器自動控制出風口溫度。

4 覆雪融化裝置集成

覆雪融化裝置使用時需平穩(wěn)、可靠和便于移動，設(shè)計時考慮了很多因素，其結(jié)構(gòu)組成模塊有底盤、移動輪、固定支臂、伸縮風道、伸縮架、布風器，如圖5所示。

圖5 覆雪融化裝置結(jié)構(gòu)模塊

5 結(jié)束語

（特）高壓換流站直流穿墻套管覆雪融化裝置研制的應(yīng)用解決了直流穿墻套管外絕緣表面積雪難以融化可能導致外絕緣電擊穿、閃絡(luò)的問題，防止直流系統(tǒng)閉鎖，提高能量可用率。該裝置具有推廣價值，可廣泛用于國內(nèi)其他直流輸電換流站。同時對光CT HV-link、旁通開關(guān)上的覆雪融化也具有同樣的功效。

（特）高壓換流站直流穿墻套管覆雪融化裝置研制成功后，率先在中州換流站進行了應(yīng)用，并達到了預(yù)期效果：

1）該裝置利用大風量暖風機及可伸縮式高熔點絕緣風筒，將熱風凝聚匯集傳導至設(shè)備附近，能夠快速融化表面覆雪；

2）該裝置在融雪工作時，不需要停電換流站內(nèi)相關(guān)設(shè)備。