集裝箱式大容量直流融冰裝置的設計及過熱分析

潘國洪

集裝箱式大容量直流融冰裝置的設計及過熱分析

潘國洪

（中國南方電網超高壓輸電公司，廣州 510000）

對于大容量直流融冰系統(tǒng)，其整流閥及控制保護柜普遍固定安裝于閥廳建筑內。為了節(jié)省占地面積、縮短建設周期，本文對大容量整流器及其控制保護柜、閥冷在集裝箱內的布置進行研究，提出集裝箱式融冰裝置閥組設計、溫控及防水、防火及阻燃、抗震、運維便利性等方面的具體設計方案。整流變和集裝箱在零功率試驗時出現過熱問題，諧波是導致整流變過熱的根本原因，渦流是導致集裝箱局部過熱的根本原因。針對整流變過熱提出加厚磁屏蔽、重新繞制網側繞組并增加單獨調壓繞組的改進措施，針對集裝箱局部過熱提出更換無磁不銹鋼材料、阻斷閉合磁路的改進措施。結果表明，該集裝箱式大容量直流融冰裝置的設計完全可行，這為已建成換流站的優(yōu)化升級奠定了理論基礎。

集裝箱式；大容量；直流融冰裝置；過熱；諧波；渦流

0 引言

輸電線路覆冰會帶來一系列問題，如桿塔倒塌、導線斷裂、光纖復合架空地線（optical fiber composite ground wire, OPGW）斷裂及通信中斷、導地線安全距離縮小等，不僅直接影響電網的安全穩(wěn)定運行，還間接影響國民生產和生活，因此需要除冰[1-4]。對于大容量直流融冰系統(tǒng)，其整流器及控制保護柜普遍安裝在閥廳建筑內[5]。某換流站地處滇西北地區(qū)，為有效應對冬季低溫、冰凍等極端天氣對交流線路的影響，需在該換流站內新加裝1套交流導地線融冰裝置（電流5 000A、電壓15kV）；該換流站前期已建有1套直流地線融冰裝置（電流1 800A、電壓35kV），但其整流器及控制保護柜安裝在閥廳建筑內。為了節(jié)省占地面積、加快建設進度，本文對集裝箱式大容量直流融冰裝置進行研究，同時對站內已有融冰裝置的集裝箱式改造進行研究，這對已建成換流站或變電站后期加裝大容量直流融冰裝置至關重要。

1 設計

1.1 融冰裝置在集裝箱內的布置

新增1套75MW交流導地線融冰裝置，改造1套63MW直流地線融冰裝置，都為世界上容量最大的集裝箱式融冰裝置，技術特點鮮明[6-7]。為了保證電氣設備在集裝箱內的運行可靠性及集裝箱大件運輸的便利性，單個集裝箱的尺寸被控制在12 000mm× 3 500mm×3 200mm（長×寬×高），一次、輔助及二次設備分別布置在不同的集裝箱內。一次設備集裝箱內布置閥組、電抗器、CT、PT、避雷器等設備；二次設備集裝箱內左側布置控制保護屏柜、右側布置水冷系統(tǒng)，中間用隔層隔開。交流導地線融冰裝置主設備布置示意圖如圖1所示，直流地線融冰裝置主設備的布置類似。

圖1 交流導地線融冰裝置主設備布置示意圖

裝箱內的二次線纜布置在集裝箱頂部，但不采用頂部懸吊的方式，而是將槽盒集成在集裝箱內壁上，順著箱體內壁頂端環(huán)繞，組成一個封閉的槽盒，在集裝箱電纜出口轉向下部，通過電纜溝進入另一個集裝箱。此設計的優(yōu)點是：①線槽與集裝箱壁集成為一體，不占用其他空間，并增加了與設備間的電氣距離；②線槽沿集裝箱上部邊緣敷設，避免了因漏水產生的線纜潮濕問題；③外部通過電纜溝走線，可防止雨淋浸泡等。

1.2 閥組設計

難點：閥組件級數越多，閥組整體穩(wěn)定性就越差，特別是在地震晃動情況下易發(fā)生倒塌。另外，每增加一級晶閘管，需同時增加一個散熱器，導致整個閥組的高度增加、集裝箱整體運輸難度增大。

新增的75MW交流導地線融冰閥組采用立式閥塔布置，共6組閥塔，每組閥塔上下布置2個換流閥。閥組選用5 200A/5 200V晶閘管，單閥18只晶閘管，單閥外形尺寸為840mm×754mm×2 380mm （長×寬×高）。

改造的原63MW直流地線融冰閥組拆除后返回原設備廠家重新組裝，采用臥式布置，共4組閥塔，每組閥塔3層，每層布置1個閥組件（包含13片1 900A/6 500V晶閘管及附屬設備）、1臺陽極電抗器。

1.3 溫控及防水

為隔絕箱體外部熱量、便于箱內的溫度控制，箱壁從外向內分為三層：金屬板、保溫層和鋁塑板。保溫層材料為巖棉，能防火。每個集裝箱都配置工業(yè)空調，用于溫度控制并使室內保持微正壓；另外配有除濕機，防止凝露對設備造成影響。

箱體本身采用全密閉設計。頂部采用斜頂式結構設計，雨水會通過傾斜面匯入兩側的排水溝，再通過排水溝排到集裝箱外，避免平頂引起的積水問題。在門四周加裝密封條，并在門上方設置防雨沿，保護密封膠條頂部不受雨水的直接沖刷。

1.4 防火與阻燃

集裝箱頂部裝有溫度、濕度傳感器及煙霧報警器，可實時監(jiān)控箱內情況。箱內配備手動報警按鈕及滅火器。箱體除水管、線纜、套管外無其他外部接口，接口位置處都使用防火泥封堵。

集裝箱設置有獨立的排煙系統(tǒng)，由安裝在集裝箱上部的排煙風機進行排煙。排煙風機進風口處安裝有排煙防火閥，該排煙防火閥平時呈關閉狀態(tài)，在確認火被撲滅且不能復燃時，手動打開排煙防火閥和排煙風機進行排煙。在排煙過程中，煙溫若超過280℃，排煙防火閥將熔斷關閉，并輸出信號聯(lián)鎖關閉排煙風機。

1.5 箱體抗震設計

經仿真，集裝箱在震動過程中，箱體中部易發(fā)生變形，導致內部設備受損；強化箱體中部結構，選用輕質高強度型材（如Q235方管）等作為箱體結構框架材料；箱體墻壁選用瓦楞板。

集裝箱內閥組、互感器等設備采用支撐式安裝，高度較高。在閥組頂部設置吊耳，該吊耳用于吊裝閥組，可承受閥組全部重量且不會出現偏心。二次屏柜頂部通過L形支撐與集裝箱壁固定，集裝箱發(fā)生震動或產生水平方向加速度時，該固定點可有效防止柜體側翻。

1.6 交流濾波器的設計

為保證諧波電壓畸變率滿足GB/T 14549要求、同時不影響換流站內原有500kV交流濾波器的運行，融冰系統(tǒng)需配置交流濾波器[8]。考慮到冬季交流系統(tǒng)具有較強的提供容性無功的能力，融冰時可對其加以利用，因此配置1組45Mvar交流濾波器。

交流濾波器及融冰裝置接入同一35kV母線，該母線上帶有其他站內負荷。為不影響站內其他設備的供電，若融冰過程中交流濾波器出現故障，則需停運融冰裝置；若因覆冰嚴重急需融冰，則須將該母線上的負載倒換后方可繼續(xù)融冰。

1.7 運維便利性

為了方便運行維護，一次設備集裝箱內，閥組與電抗器之間設有733mm寬的檢修通道，閥組晶閘管、電容、電阻均可在檢修通道更換[9]；電抗器與CT相對的集裝箱壁設有可開門，用叉車可將設備移出。

二次屏柜集裝箱內，屏柜設計為旋轉式，面對面布置的兩行屏柜之間設有2m的檢修通道。水冷本體距離兩側箱壁均大于500mm，泵、去離子罐的維護空間充足。水冷本體可從右側大門整體移出。

此外，集裝箱頂部設計為可拆卸式，所有設備均可從集裝箱頂部吊出維護。

1.8 其他設計

1）集裝箱的安裝

集裝箱與基礎焊接，避免螺栓松動導致集裝箱產生位移。

2）防腐防老化設計

箱體采用專用耐腐蝕熱連軋鋼板焊接而成，箱體表面采用底漆+中間漆+面漆的噴涂工藝，底漆采用防腐蝕性較好的環(huán)氧富鋅，中間漆采用環(huán)氧云鐵，再用抗紫外線、耐久性強的高耐候性聚酯面漆處理表面。

2 過熱問題及分析

2.1 集裝箱局部過熱問題

1）問題描述

交流導地線融冰系統(tǒng)在零功率試驗升流過程中出現集裝箱局部發(fā)熱，電流升至4 000A，運行45min后，集裝箱穿墻套管安裝位置四周溫度超過120℃。現場紅外實測設備發(fā)熱情況如圖2所示。

圖2 實測設備發(fā)熱情況

2）原因分析

發(fā)熱主要集中在集裝箱側壁固定穿墻套管的框架區(qū)域，該框架為非無磁不銹鋼板材質，在穿墻套管通過大電流時，四周的固定框架產生渦流而發(fā)熱。此外，由于部分電流通過接地線引流，導致接地線發(fā)熱破壞絕緣表皮。

3）改進措施

穿墻套管固定位置：將三相固定框架更換為無磁不銹鋼材質，同時將固定框架設計為長方形并橫向開縫，開縫后墊絕緣墊板（環(huán)氧材質），整改示意圖如圖3所示。

集裝箱外墻面：將A、B、C三相套管間的外側箱壁橫向切縫，中間填充不銹鋼組件。組件由兩個L形不銹鋼材質角鋼和一塊環(huán)氧板組成，三者通過不銹鋼螺栓連接，兩塊L形不銹鋼角鋼之間有10mm的間隙。為防止L形不銹鋼角鋼焊接過程中溫度過高、燙壞環(huán)氧板，先將L形不銹鋼角鋼與外壁進行滿焊，再安裝環(huán)氧板，集裝箱外壁整改示意圖如圖4所示。

圖3 整改示意圖

圖4 集裝箱外壁整改示意圖

強度：集裝箱強度由內部骨架決定，整改措施不會破壞集裝箱內部骨架，故集裝箱整體強度不會發(fā)生較大變化。集裝箱外壁在生產過程中通過滿焊方式拼接，該方案中L形不銹鋼角鋼與集裝箱外壁同樣通過滿焊拼接，焊接強度與外壁相同。同時，在集裝箱切槽前使用不銹鋼角鋼加固切槽區(qū)域，避免外壁拱起或凹陷。通過參數對比和計算，采用20mm環(huán)氧板的總體強度大于原2mm的Q235外壁。

接地：沿集裝箱內壁下側敷設一圈接地鍍鋅扁鋼，鍍鋅扁鋼通過支柱絕緣子與集裝箱內壁絕緣并牽引至集裝箱外的主地網預留接地點。

4）處理效果

整改后，融冰裝置開展了滿負載5 000A的大電流試驗，設備運行正常，該區(qū)域的最高溫度為88℃。

2.2 整流變過熱問題

1）問題描述

直流地線融冰系統(tǒng)開展零功率試驗，1 800A持續(xù)運行1h后，整流變油面溫度達到63.74℃，繞組溫度達到80.6℃，外殼局部熱點溫度達到90.5℃，當時的環(huán)境溫度為2.2℃，溫升異常偏高。

2）原因分析

整流變的調壓方式采用高壓繞組中部調壓結構，此結構的缺點是在整流變運行時不工作的繞組部分產生較大橫向漏磁，造成較大的橫向渦流損耗，在諧波對渦流損耗和橫向漏磁的放大作用下造成箱壁過熱、溫升過高。

3）處理措施

針對現場工況，對該整流變進行以下改造：加厚磁屏蔽，磁屏蔽厚度由15mm增加為20mm；增加器身首末端導油孔；更改網側繞組結構，重新繞制網側繞組，增加單獨調壓繞組，更換無勵磁分接開關。

4）處理效果

整改后，直流地線融冰裝置開展了滿負載1 800A的大電流試驗，設備運行正常，該整流變最高溫度為繞組溫度74℃。

3 結論

本文提出了一種大容量集裝箱式直流融冰裝置的設計方案，介紹了大容量閥組等設備在集裝箱內的集成布置，以及便于大件運輸的集裝箱尺寸控制，系統(tǒng)地給出了集裝箱融冰裝置防火、溫控及防水、抗震等方面的解決方案，提出了保障集裝箱經久耐用及便于集裝箱內電氣設備運維的措施。零功率試驗及實際融冰效果都驗證了該設計的可行性。

大容量融冰整流變的設計制造要考慮實際運行工況下的諧波影響，避免因諧波損耗疊加而過熱；集裝箱式融冰裝置的設計制造要考慮實際運行工況下穿墻套管產生的渦流及其閉合磁路，避免因渦流損耗而過熱。

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Design and overheat analysis of container-type large capacity DC de-icer

PAN Guohong

(China Southern Power Grid Extra High Voltage Company, Guangzhou 510000)

For large capacity DC de-icing system, the rectifier and control cabinet are built in a valve hall generally. In order to save the occupied area and the construction period, this paper has a study for the rectifier and control cabinet, valve cooling system layout in the container. This paper proposes a design ofr converter, temperature control, waterproof, flame retardant, anti-seismic, operation and maintenance convenience for the container-type DC de-icer. The converter transformer and container have overheat faults during zero power test. Harmonic is the root cause for converter transformer overheat, and eddy current is the root cause for container overheat. Measures like thickening magnetic shield, rewinding the line side winding and adding a voltage regulating winding for converter transformer, replacement of non-magnetic stainless steel material and cut closed magnetic circuit for container are given to solve the overheat faults. It is found that the design of container-type large capacity DC de-icer is completely feasible, which lays a theoretical foundation for the operation converter station optimization and upgrading.

container-type; large capacity; DC de-icer; overheat; harmonic; eddy current

2022-07-01

2022-09-07

潘國洪（1982—），男，廣東省廣州市人，本科，高級工程師，主要從事超高壓、特高壓直流輸電工程的技術管理工作。