500kV直流斷路器用SF6氣體絕緣供能變壓器的設計

鄭帥 李政

摘要：高壓直流斷路器的正常工作需要實現在高電位平臺上的供能，因此需要一種特殊的高壓隔離變壓器來實現此需求，同時該供能變壓器的可靠性對直流斷路器的整體運行可靠性有著決定性的意義，對直流電網安全可靠運行有著極其重要的作用。本文介紹一種國內研制的500kV SF6氣體絕緣供能變壓器，它經過型式試驗驗證、近1年的世界首個±500千伏多端柔性直流電網工程上掛網試運行，情況良好。

關鍵詞：500kv;斷路器;sf6氣體

1 直流斷路器對供能變壓器設備的基本要求

1.1 基本功能

500kV SF6氣體絕緣供能變壓器作為主供能變壓器，實現將地電位的交流電源送到535kV高電位平臺，用于直流斷路器轉移支路及開關支路元器件的供能。其中對于機械式直流斷路器，其高電位平臺的用電負載主要有儲能電容的充電及續流、閥組的驅動、高速開關的驅動及控制、二次裝置等，作為層間變壓器的輸入，實現對主支路電力電子開關、主支路快速機械開關、轉移支路電力電子開關等設備的能量提供，確保直流斷路器設備運行不依賴系統電源，實現站用電與斷路器供電回路的電氣隔離。

1.2 潛在要求

1.2.1 輸出接口

區別于普通的隔離變壓器，供能變的隔離電壓非常高，導致原副邊之間絕緣距離較大（>200mm），因此其阻抗電壓較高，導致其在斷路器空載（對機械式斷路器指其儲能電容未充電）及滿載（對機械式斷路器指其儲能電容充滿電并且充放電平衡時）的電壓輸出波動較大，無法滿足閥組及高速開關驅動要求（閥組驅動要求電壓波動5%，開關驅動要求波動<3%），雖然可以通過在高電位平臺上增設穩壓電源實現，但在實際運行中，特別是斷路器執行開斷過程中，高頻高幅值（幾十kA，幾千Hz）的電磁脈沖對電子設備的抗干擾是非常大的考驗。因此，綜合考慮可行性及斷路器的運行可靠性，一般采用對供能變進行匝數（整數或分數匝）調節的辦法平衡其在斷路器空載及滿載下的電壓波動范圍。

1.2.2 絕緣可靠性

SF6氣體絕緣變壓器內部采用純SF6氣體絕緣，出線采用復合套管加內外屏蔽電極的方式，在絕緣設計上有以下特點：1）無內部環氧支撐件，避免了長期直流電場下的絕緣件表面積聚及由于電荷積聚導致的沿面閃絡風險;2）大直徑復合套管，該供能變出線套管類比于相同沖擊水平的交流套管，其直徑大約40%，目的在于降低復合套管SF6側的法向電場，保證了其在長期直流電壓下的沿面絕緣強度;3）全屏蔽電極結構，高低壓繞組全部有屏蔽電極，實現氣室內部電場的均勻化，有效利用SF6氣體在稍不均勻電場下的高絕緣強度。

2 500kV SF6氣體絕緣供能變壓器的研制工作原理及結構

2.1 鐵芯及繞組合理的電磁設計

對于供能變壓器而言，由于受絕緣氣體散熱及空間尺寸的限制，變壓器的設計容量非常受限，因此提高對平臺負載的供電效率即可以減低供能變的運行壓力，降低其損耗發熱，也可以提高平臺層的電能質量，實現各子平臺層間隔離變的多級串聯供電。從主供能變的設計角度，主要考慮以下兩方面實現：1）低磁密設計：最大程度上減輕由于磁化曲線的非線性導致的波形畸變及對供電效率的影響;2）低損耗設計：降低的空載損耗及空載電流既可以實現變壓器本體的低溫升，同時降低了有功及無功功率對電壓波形畸變的影響。

因此選用B23R085，寶鋼磁疇細化高磁感型硅鋼片，鐵心參數：P15/50=0.59W/kg，P17/50=0.80W/kg，額定磁密1.47T，飽和磁密1.9～2.0T，斜接縫多級疊片，保證鐵心性能及工藝性能遠優于常用規格硅鋼片30Q120。

2.2 短路阻抗

由于供能變壓器主要用于對系統電源供電，因此短路阻抗將是其主要考核性能指標之一，該變壓器為兩個同心式繞組。輸入（一次）線圈套裝于鐵心柱上，外套屏蔽筒，輸出（二次）線圈澆注于鋁殼中后套裝于輸入線圈的外側，保持同心結構，且一次線圈和二次線圈之間保持一定的絕緣距離，滿足輸出輸入之間的隔離耐壓要求。

500kV SF6氣體絕緣供能變壓器作為主供能變壓器，其安裝位置一般在閥廳內，而其輸入電源（一般為站用電或UPS電源）離供能變較遠，因此需要盡可能避免由于供能變合閘勵磁涌流引起的保護跳閘，適當提高阻抗電壓的設計可以有效降低其合閘勵磁涌流，并且相對于投切合閘電阻的方案，其實現成本較低，控制邏輯簡單且可靠性較高。采用高阻抗設計，由此導致較大的合閘勵磁涌流，該合閘勵磁涌流的峰值與供能變的短路阻抗及合閘相角相關，短路阻抗越小，合閘相角越接近零，則合閘勵磁涌流越大，對變壓器繞組的沖擊也越大。采用高阻抗設計的供能變可以有效降低在各合閘相角工況下的勵磁涌流，與常規同容量的隔離變相比，其峰值勵磁涌流僅為43.5%，由此推算的短時電動力沖擊僅為19%。因此短路阻抗的設計既要考慮變壓器的經濟性，又要考慮耐沖擊能力。

2.3 高壓線圈結構設計

輸出高壓繞組及高壓出線裝置采用懸掛式結構，避免了高壓線圈組件與接地外殼之間的絕緣支撐件，從根本上消除了絕緣件沿面在長期直流電壓作用下的表面電荷積聚，該表面電荷積聚會導致界面上的絕緣強度顯著下降（據相關試驗數據，可產生30%沿面閃絡電壓的損失）及絕緣界面的老化風險，長期運行可靠性高。

輸出高壓繞組為保證有足夠的機械強度，先將高壓導線繞制與高壓絕緣筒上，再用環氧樹脂將其澆注固定于高壓線圈筒中，為滿足外部的屏蔽要求，高壓線圈筒外側兩端安裝開口式半圓弧形屏蔽環，兩半屏蔽環卡夫結構用鉚釘緊固連接，滿足均壓環大曲率半徑的設計要求，且滿足高壓繞組距鐵心側屏蔽的絕緣要求。

2.4 內部屏蔽的設計

內部高電位區設置上屏蔽電極，在直流電壓下由于電場力方向恒定，微粒將可能直接運動到高壓導體附近及絕緣件表面，因此直流場下需采用有效的微粒抑制措施。為了抑制產品內部金屬導電微粒，高壓頂板上設計成倒八字形帶凹槽的屏蔽電極，該電極一方面可以均勻內外部電場分布，另一方面，它電極底部設置凹槽，形成一個凹陷的低電場區，當金屬導電微粒一旦被捕捉到該電極凹槽區，由于微粒向上運動需要滿足電場大于臨界浮起場強的條件，而微粒所在的低場強區將使此條件無法滿足，微粒將很難再次躍出凹槽，達到有效捕捉高壓端游離的導電微粒。

2.5 高低壓線圈散熱結構設計

供能變壓器運行中，高低壓繞組、鐵心及其他結構件中產生的損耗轉化為熱量，使這些部件的溫度升高，絕緣材料長期在熱作用下，將導致絕緣的老化逐漸喪失絕緣性能。為了將熱量從線圈或鐵心中發散到介質中去，將高壓線圈固定于高壓線圈筒內，分段澆注環氧樹脂，且高壓線圈筒一端開口;低壓線圈繞制在低壓絕緣筒上，再套裝于鐵心柱上，將低壓絕緣筒中心開腰形孔，兩端開通孔，形成縱向和橫向通道。采用開間隙的方法以增大熱傳導和對流散熱，及時有效地將熱量傳遞到周圍介質中，達到最終的熱平衡狀態。

該結構通過熱仿真計算，計算表明鐵心溫升最高，熱點溫升值約為38K。產品在額定負荷下，關鍵部件高壓線圈、低壓線圈、鐵心的熱量得到充分散熱，均滿足溫升<40K的要求。

計算結果可知：1）空氣電阻率的取值及污穢情況對套管內部低壓屏蔽罩表面的電場強度無影響;2）套管表面上部1/3段覆蓋污穢會使玻璃鋼表面的場強增大，但是無論套管表面潔凈或上部1/3段覆蓋污穢，玻璃鋼在SF6測表面的場強均符合判斷要求，而在硅橡膠傘裙表面（空氣側）會出現場強大的現象;3）套管表面1/3段覆蓋污穢的情況下，會造成下部剩余表面潔凈的傘裙表面場強大幅提高。因此對于直流場下復合緣套管表面電場需控制較小值。

參考文獻

[1]姚纓英.大型電力變壓器直流偏磁現象的研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2000.

[2]何友文，郭世琪，馬錦云，等.強太陽活動引起的電離層暴群及“暴群”的中低緯特性[J].電波科學學報，1995，10（4）：25-32.

[3]劉連光，劉春明，張冰，等.中國廣東電網的幾次強磁暴影響事件[J].地球物理學報，2008，51（4）：976-981.