干式空心橋臂電抗器防范過熱措施研究

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局 谷 裕 徐攀騰 朱 博 莊小亮

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心 劉青松

隨著我國(guó)大容量長(zhǎng)輸電線路的建設(shè)，干式空心橋臂電抗器作為重要的無功補(bǔ)償設(shè)備，在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。橋臂電抗器與以直流為主的平波電抗器不同，由于交直流在包封間分配特性的差異，導(dǎo)致各包封直流與交流分配的平衡變得更加困難，從而造成各包封發(fā)熱情況的均衡也變得比較困難與復(fù)雜。橋臂電抗器除本體線圈外，還有上下出線匯流排、匯流排下部的不銹支座、絕緣子頂部法蘭金具等金屬附件。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，這些金屬附件會(huì)因漏磁感應(yīng)，產(chǎn)生嚴(yán)重的渦流發(fā)熱缺陷。

此外，為了控制噪聲對(duì)居民的影響，若將橋臂電抗器采用室內(nèi)布置，則需要考慮橋臂電抗器交變強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)布置室鋼梁結(jié)構(gòu)的發(fā)熱影響，發(fā)熱影響嚴(yán)重時(shí)須開展鋼梁結(jié)構(gòu)的布置優(yōu)化，避免鋼梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部過熱情況，影響使用壽命。因此，分析不同因素對(duì)橋臂電抗器的過熱影響，有針對(duì)性地進(jìn)行過熱研究，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于干式空心電抗器的研究主要集中在電感計(jì)算、損耗計(jì)算、絕緣試驗(yàn)、整體設(shè)計(jì)等方面。在電抗器過熱故障方面，對(duì)電抗器內(nèi)部鐵芯、電氣試驗(yàn)、油中溶解氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題提出了處理措施，對(duì)電抗器色譜分析及故障判斷有一定的借鑒意義。對(duì)配套的電抗器參數(shù)以及生產(chǎn)工藝、材質(zhì)進(jìn)行研究，論證了電抗器在選型上存在容量不匹配的情況，并提出了有效的控制對(duì)策；研究電抗器中性點(diǎn)套管發(fā)熱故障原因，確定套管過熱原因?yàn)榫植糠烹娀蛘唠娏髦聼?；提出在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中的工藝要求，以保障設(shè)備運(yùn)行安全；分析并研究了諧波以及環(huán)境溫度等因素對(duì)該電抗器燒毀故障的作用效果，提供了諧波以及溫升對(duì)電抗器故障影響的分析思路。對(duì)在運(yùn)10kV干式空芯電抗器繞組燒毀故障進(jìn)行詳細(xì)診斷分析，判斷出故障原因?yàn)樵验g短路使干式空芯電抗器繞組的直流電阻異常，同時(shí)提出防范措施[1]。

上文研究成果為本文分析干式空心并聯(lián)電抗器的過熱溫度場(chǎng)研究，奠定了一定的理論基礎(chǔ)。但目前對(duì)電抗器體的包封間溫差、金屬件過熱以及防范閥廳內(nèi)電抗器附近鋼梁結(jié)構(gòu)過熱的研究較為鮮見。因此，本文基于干式空心橋臂電抗器的使用要求，開展橋臂電抗器本體包封間電流分配與發(fā)熱關(guān)系影響研究，進(jìn)行橋臂電抗器金屬件結(jié)構(gòu)形式和規(guī)格尺寸形態(tài)與過熱影響的關(guān)系研究；針對(duì)閥廳內(nèi)典型的鋼梁結(jié)構(gòu)件模型尺寸，建立電抗器與鋼梁結(jié)構(gòu)件一體的仿真簡(jiǎn)化模型，開展熱場(chǎng)仿真研究，得出熱場(chǎng)仿真結(jié)果。最后提出控制電抗器本體包封間溫差的控制方案和金屬件過熱抑制、防范閥廳內(nèi)電抗器附近鋼梁結(jié)構(gòu)過熱的措施，為電抗器過熱性故障的處理提供一定的參考意見[2]。

1 橋臂電抗器主要技術(shù)參數(shù)

額定直流電壓為±300kV，額定直流電流為2500A，采用多對(duì)稱單極接線單元并聯(lián)方式，換流器采用模塊化多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。橋臂電抗器串聯(lián)在閥與柔直變壓器間，采用干式空心式電抗器，橋臂電抗器校核工況見表1。

表1 橋臂電抗器額定運(yùn)行工況

另外，根據(jù)系統(tǒng)成套設(shè)計(jì)研究結(jié)果，梳理得到橋臂電抗器端對(duì)端、端對(duì)地雷電沖擊耐受水平和操作沖擊耐受水平，以及額定工況時(shí)的噪聲水平見表2。

表2 絕緣水平及噪聲水平

根據(jù)以上橋臂電抗器技術(shù)參數(shù)，開展橋臂電抗器本體結(jié)構(gòu)及組部件結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)的橋臂電抗器結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真計(jì)算。

2 橋臂電抗器本體與金屬件過熱影響因素研究

2.1 包封間電流分配與發(fā)熱關(guān)系影響研究

根據(jù)橋臂電抗器運(yùn)行工況可知，橋臂電抗器長(zhǎng)期運(yùn)行在交直流復(fù)合大電流的工況下，直流與交流在包封間的電流分配特性截然不同，直流電流主要按照各包封直流電阻進(jìn)行分配，而交流電流則主要依據(jù)自感與互感值進(jìn)行包封電流分配。橋臂電抗器與以直流為主的平波電抗器不同，由于交直流在包封間分配特性的差異，導(dǎo)致各包封直流與交流分配的平衡變得更加困難，從而造成各包封發(fā)熱情況的均衡也變得比較困難與復(fù)雜[3]。

在橋臂電抗器各包封散熱條件一定的條件下，包封流過電流越大，損耗越大，其發(fā)熱越嚴(yán)重。內(nèi)、中、外包封的散熱條件一般是內(nèi)包封和外包封散熱效果比中間包封好，其分配電流可適當(dāng)比中間包封大，這樣內(nèi)、中、外包封的發(fā)熱情況有利于保持平衡。因此，通過監(jiān)測(cè)包封間電流分布，與電流設(shè)計(jì)值比較，比設(shè)計(jì)電流大且偏差量越大，則該包封發(fā)熱會(huì)更嚴(yán)重。

由圖1可知，正常的橋臂電抗器包封實(shí)際分配電流與設(shè)計(jì)電流吻合度高，誤差幾乎可忽略；在此假設(shè)某包封（第7包封）存在異常時(shí)，第7個(gè)包封通流為322.82A，是該包封設(shè)計(jì)電流139.69A的2.31倍；同時(shí)圖2顯示，第7包封異常時(shí)的溫升為120.7K，是其溫升設(shè)計(jì)值53.2K的2.27倍，表明包封分配電流的變化與溫升變化一致，包封電流越大，包封溫升越高，比例也接近?？梢岳冒夥峙潆娏髋c設(shè)計(jì)值比較來表征包封的發(fā)熱情況。

圖1 包封正常與異常電流分布

圖2 包封異常溫升與設(shè)計(jì)值對(duì)比

2.2 橋臂電抗器金屬件結(jié)構(gòu)形態(tài)與過熱影響的關(guān)系研究

橋臂電抗器除本體線圈外，還有上下出線匯流排、匯流排下部的不銹支座、絕緣子頂部法蘭金具等金屬附件。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，這些金屬附件會(huì)因漏磁感應(yīng)，產(chǎn)生嚴(yán)重的渦流發(fā)熱缺陷，如圖3所示。

圖3 某橋抗匯流排中心過熱

為減小匯流排中心集電環(huán)的渦流發(fā)熱，需要從結(jié)構(gòu)上開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免感應(yīng)出大的渦流。集電環(huán)為環(huán)形圓柱開口式結(jié)構(gòu)，為避免強(qiáng)磁場(chǎng)影響，首先將集電環(huán)內(nèi)外環(huán)的直徑擴(kuò)大，使其遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，再將環(huán)的厚度減小，使磁場(chǎng)與集電環(huán)交鏈面積減小，從而降低渦流發(fā)熱。

由圖4和圖5可知，將集電環(huán)結(jié)構(gòu)按以上方法優(yōu)化設(shè)計(jì)后，仿真與試驗(yàn)結(jié)果均表明，集電環(huán)溫度大幅度下降，整個(gè)匯流排最熱點(diǎn)溫度也下降約43～57℃，但匯流排溫度仍然比較高，不符合設(shè)備規(guī)范要求，且最熱點(diǎn)溫度從集電環(huán)轉(zhuǎn)移到匯流排支臂上，因此仍要設(shè)法減小匯流支臂的溫度。

圖4 集電環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后溫度仿真結(jié)果

圖5 集電環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后溫度試驗(yàn)結(jié)果

在對(duì)集電環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，同樣對(duì)匯流排各支臂開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將匯流排各支臂的厚度減小，從而通過減小強(qiáng)磁場(chǎng)與支臂的交鏈面積達(dá)到減小匯流支臂的渦流，進(jìn)而減小支臂的溫度。按此方法進(jìn)行匯流支臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，圖6和圖7的仿真與試驗(yàn)結(jié)果均表明，匯流排最熱點(diǎn)溫度急劇下降，下降幅度約80K，說明對(duì)匯流排進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)使其溫度滿足限值要求。

圖6 匯流排支臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化后溫度仿真結(jié)果

圖7 匯流排支臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化后溫度試驗(yàn)結(jié)果

以上分析表明，橋臂電抗器金屬件結(jié)構(gòu)形態(tài)會(huì)嚴(yán)重影響金屬件的發(fā)熱情況。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，將引起金屬件溫度超標(biāo)，影響設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。但可通過對(duì)金屬件開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)（遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)、減小與磁場(chǎng)交鏈的金屬件面積），減小因交變強(qiáng)磁場(chǎng)感應(yīng)導(dǎo)致的渦流發(fā)熱，可有效避免金屬件的局部過熱現(xiàn)象的發(fā)生，這將為橋臂電抗器開展金屬件優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有益的技術(shù)指導(dǎo)。

3 結(jié)論

通過以上的研究可知，為了防范通道橋臂電抗器過熱現(xiàn)象，需要分別從線圈本體、本體金屬結(jié)構(gòu)附件、電抗器對(duì)周圍鋼梁等金屬件發(fā)熱影響三方面來提出針對(duì)性改進(jìn)措施，為橋臂電抗器及周圍設(shè)備選型選用提供有益的參考建議。

本體包封分配電流的變化與溫升變化一致，包封電流越大，包封溫升越高。應(yīng)通過良好的包封分配電流設(shè)計(jì)來確保線圈本體溫升設(shè)計(jì)符合工程限值要求，且確保足夠的溫升裕度。可利用包封分配電流與設(shè)計(jì)值比較來反映包封的發(fā)熱情況。為保證實(shí)際包封分配電流值與設(shè)計(jì)值一致，應(yīng)通過嚴(yán)格控制線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)繞制偏差，滿足匝數(shù)精確、線圈高度、內(nèi)外徑偏差在工藝要求范圍內(nèi)盡量小，從而避免線圈本體過熱情況發(fā)生。