淺析特高壓換流站平波電抗器選型

羅 寧

（四川省電力公司電網規劃中心，四川 成都 610041）

引言

平波電抗器也稱直流電抗器，通常串接在換流器與直流線路之間，是特高壓換流站的重要設備之一。平波電抗器主要參數包括額定直流電流、額定直流電壓和額定增量電感，由于上述參數要求不同，特高壓平波電抗器的選型、設計、制造、運輸、布置以及備用等均與±500kV直流工程平波電抗器有較大區別。

平波電抗器具有干式和油浸式兩種型式，各有優缺點，目前±500kV直流工程平波電抗器多采用油浸式，而±660kV及±800kV直流工程則均采用干式。但干式平波電抗器存在對環境影響較大、占用土地資源較多、抗震能力較差等問題。因此有必要對特高壓換流站工程設計中關于平波電抗器的選型所關聯的問題作分析，并展望將來特高壓平波電抗器的可能發展方向。

1 特高壓平波電抗器的作用

平波電抗器也稱直流電抗器，一般串接在換流器與直流線路之間，是特高壓換流站的重要設備之一。其主要作用為：1）在直流系統發生擾動或事故時，抑制直流電流的突變速度，以避免事故擴大；2）當逆變器發生故障時，可避免引發換相失敗；3）在交流電壓下降時，可減少逆變器換相失敗的概率；4）當直流線路短路時，可在調節器的配合下，限制短路電流的峰值；5）起到抑制換流閥產生的紋波電壓，并同直流濾波器配合，一起極大地抑制和削減換流過程中產生的諧波電壓和諧波電流，從而大幅度削弱直流線路沿線對通信的干擾；6）在直流低負荷時，避免因電流發生間斷而導致換流變壓器等電感元件產生很高的過電壓；7）限制線路和裝在線路端的容性設備通過換流閥的放電電流，以免損壞閥的元件。

2 特高壓平波電抗器主要參數選擇

平波電抗器主要參數包括額定直流電流、額定直流電壓和額定增量電感。對特高壓工程，因系統設計均采用雙橋更經濟合理可行，因此參數分析均以此為前提。

運行中的平波電抗器，總是串聯于直流回路中，由于我國目前的特高壓直流工程均為兩端直流系統，因此其額定直流電流可根據直流輸電線路的額定電流確定。若將來發展多端直流系統，則其額定直流電流應根據系統潮流分析及換流站主接線確定。

平波電抗器與高壓直流極線路串聯時，其額定直流電壓可根據直流輸電線路的額定電壓確定。干式平波電抗器采用平抗分置方式（即分別串聯于極線與中性母線）時，串聯于中性母線者理論上其額定電壓可根據中性母線額定電壓確定，但考慮到采用相同參數的設備可減少備用平波電抗器的數量，將更經濟，一般仍按直流輸電極線的額定電壓確定。因此，總的來說平波電抗器額定直流電壓可根據直流輸電線路的額定電壓確定。

額定增量電感的確定涉及到多方面的因素，受具體工程的若干運行參數如額定關斷角、換流變壓器閥側兩相短路電流的幅值、允許的最小直流電流限值、直流低負荷時的換流器觸發角和具體工程的低頻諧振條件、直流濾波回路設計、平抗布置方式等影響，因此沒有一個統一的計算公式，而需要通過一個性能價格逐步優化的過程來確定最優值。這也與以往直流輸電工程的經驗相吻合。根據工程經驗，大部分平波電抗器的工頻電抗標幺值在0.2～0.7范圍內。

基于以上分析，宜在對特高壓直流工程進行系統設計時，考慮工程實際可能的平抗布置方式以及系統參數，采用合理的規劃方法初步確定特高壓平波電抗器的額定增量電感取值范圍，并結合直流濾波器的設計和系統中各點最高正常運行電壓的取值等，進行技術經濟比較以確定合適的增量電感，并利用先進的仿真技術作驗證，最終確定該參數作為具體工程設計參數。

3 特高壓平波電抗器結構型式選擇

平波電抗器具有干式和油浸式兩種型式，各有優缺點，目前±500kV直流工程平波電抗器多采用油浸式，而±660kV及±800kV直流工程則均采用干式。

無論干式或油浸式平波電抗器，兩者均有成熟的運行經驗。其中，西變引進ABB技術，沈變引進Siemens技術，向三峽—常州±500kV直流輸電工程提供了當時世界上最大的油浸式平波電抗器；1988年，我國第一條±500kV/2×600MW葛洲壩—南橋直流輸電系統的500kV/1200A的平波電抗器是由BBC公司成套供應的戶外干式平波電抗器。在葛—南平抗事故整改及現在的技術改造及天—廣等高壓直流輸電系統中均采用Trench公司的戶外干式平波電抗器。

通過近年來的技術引進與開發研究，國內現已具有獨立設計、制造±500kV的油浸式平波電抗器的能力。目前西變、沈變都具有制造±500kV油浸式平波電抗器的能力。但是由于制造能力的原因，目前尚未有±800kV油浸式平波電抗器的應用。

干式平波電抗器開發較晚，但隨著制造水平和介質材料的進步，干式平波電抗器性能有了很大提高，目前國內具備±500kV及以上電壓等級干式平抗制造能力的設備廠商主要包括北京電力設備總廠、沈變、西變、上海MWB、西安中揚、保變等。由于特高壓干式平波電抗器的絕緣問題相對容易解決，現已在特高壓直流輸電工程中得到應用，并且國內主要的生產廠商已具備制造能力。

干式平波電抗器具有以下主要優點：1）對地絕緣簡單，主絕緣由支柱絕緣子提供，只需考慮縱絕緣；2）無油，消除了火災危險和環境影響，不需要提供油處理系統；3）電抗器可分置于極線與中性母線，提供了更靈活的工程設計方案；4）潮流反轉時無臨界介質場強。高壓直流輸電系統的潮流反轉需改變電壓極性，但對干式平抗僅在支柱絕緣子上產生應力，沒有臨界場強的限制。5）負荷電流與磁鏈成線性關系，即使在故障條件下也不會出現磁鏈飽和現象。6）暫態過電壓較低。由于干式平波電抗器對地電容小，因此所要求的沖擊絕緣水平相對較低。7）由于無鐵芯，空氣對流自然冷卻，因此可聽噪音水平較低。8）重量輕，便于運輸。9）運行維護費用低。能夠在內絕緣結構上作到導線無接頭、避免故障點。

但是干式平波電抗器普遍存在以下一些問題：1）占地大。由于結構的原因，因此要達到相同的電感量，其體積必然增加。如向家壩－上海±800千伏特高壓直流示范工程單極額定電感量為4×75mH/極，每極分別在極線和中性線上布置兩組，增加了直流場的占地面積。2）雖然設備自身可聽噪音水平相對油浸式較低，但由于不能象油浸式一樣緊貼閥廳布置，而是布置在開放的直流場，控制其噪音向換流站外傳播的代價大。3）采用支柱絕緣子支撐，設備布置高度高，抗震性能差，防振動難度大。4）與干式平波電抗器配套的穿墻套管在技術上也存在一系列問題，如室外部分的不均勻濕閃和不同安裝方式下的機械強度要求不同等5）戶外干式電抗器諧波電流產生的電磁輻射和干擾較大。6）在復雜的外界氣候條件下，產品絕緣材料的抗龜裂、抗老化、抗紫外線及耐污穢的性能需要進一步提高。7）動熱穩定性的要求不易提高，比油浸式電抗器易老化。

油浸式平波電抗器具有與干式平波電抗器幾乎相反的特點，其主要優點為：1）由于有鐵芯，增加單臺電感量很容易；2）主、縱絕緣均為油紙絕緣，技術成熟，運行可靠；3）油浸式平波電抗器在地面安裝，重心低，抗震性能好；4）油浸式平波電抗器閥側套管可插入閥廳布置，取代了水平穿墻套管，很好的解決了穿墻套管的不均勻濕閃問題。可相應地減少套管發生閃絡的故障概率，以及由濕閃產生的對換流閥較大的故障電流沖擊的可能性；5）過電流能力較強。

油浸式平波電抗器存在的一些主要問題：1）類似于特高壓高端換流變壓器，由于出線裝置及套管等部位的結構設計難度大，目前還沒有成熟的±800kV產品。2）由于采用風扇和油泵強迫冷卻，增加站用電負荷；3）重量重，容易受運輸條件限制；4）需經常性運行維護；5）油浸式平波電抗器的電感值隨電流的變化而改變，呈非線性；6）有鐵芯，采用油紙絕緣系統，潮流反轉時會產生介質臨界場強，對絕緣結構有一定的影響。

對于常規±500kV高壓直流輸電工程，由于油浸式平抗可節約穿墻套管、降低污閃概率、布置可節約占地、能較容易地設置聲屏障以解決噪音問題、以及有較好的抗震及抗振能力等方面綜合考慮，近年來國內多采用油浸式平抗。

但對于特高壓直流工程，由于還沒有成熟的±800kV油浸式平波電抗器，且油浸式平抗運輸受到一定制約；而采用干式平抗分置接線方式，能降低極線設備絕緣水平、降低平抗制造難度、減少平抗備用臺數、節約投資。綜合考慮上述因素，目前向家壩－上海±800kV特高壓直流示范工程以及±660kV銀川東-山東直流工程的兩端換流站中的平波電抗器均采用干式平抗。

4 ±660kV及以上換流站平波電抗器選型現狀

向家壩－上海±800kV特高壓直流示范工程選取戶外干式平波電抗器，支撐式結構，自然冷卻方式。采用干式平抗分置接線方式，額定電感量為4×75mH/極，每極在極線和中性線分別布置2組75mH，額定直流電流4000A。全站備用1組75mH。

±660kV銀川東-山東直流工程也是選取戶外干式平波電抗器，支撐式結構，自然冷卻方式。采用干式平抗分置接線方式，額定電感量為4×75mH/極，每極在極線和中性線分別布置2組75mH，額定直流電流為3030A。全站備用1組75mH。

5 特高壓換流站平波電抗器選型展望

平波電抗器的主要作用是利用電感元件限制電流變化率的特性，因而要求平波電抗器有較大的電感量；但電感量太大，運行時容易產生過電壓，并可能使直流輸電系統自動調節特性的反映速度下降，而且平波電抗器的投資也將增加。宜在對特高壓直流工程的系統設計中進行技術經濟比較以確定合適的增量電感，并利用先進的仿真技術作驗證，以確定具體工程平波電抗器的增量電感設計參數。

油浸式平波電抗器由于有鐵芯，增加單臺電感量很容易，但電感值隨電流的變化而改變，呈非線性；而干式平波電抗器由于沒有鐵芯，增加單臺電感量較困難，目前特高壓直流工程均采取多臺串聯的方式，增加了占地面積，但負荷電流與磁鏈成線性關系，即使在故障條件下也不會出現磁鏈飽和現象。從平抗的額定增量電感參數看，將來隨著制造工藝的提高，若能適當提高油浸式平波電抗器的電感線性范圍，則采用油浸式平波電抗器能減少設備數量和節約占地面積。

從以往的制造及運行經驗看，額定直流電流不是制約平波電抗器選型的參數。油浸式和干式平波電抗器均能滿足要求。

干式平波電抗器對地絕緣簡單，主絕緣由支柱絕緣子提供，只需考慮縱絕緣，并且對地電容小，因此所要求的沖擊絕緣水平相對較低。因而提高其額定電壓相對容易。而額定直流電壓是制約油浸式平波電抗器制造的主要因素。但將來隨著特高壓高端換流變壓器的國產化，其取得的經驗若運用于油浸式平波電抗器的制造和設計，有希望較好地解決油浸式平波電抗器的絕緣問題，從而使特高壓油浸式平波電抗器的應用成為可能。

干式平波電抗器具有設備布置占地面積大、噪音不容易屏蔽、抗震性能差及防振動難度大、配套的穿墻套管增加了成本及故障幾率、電磁輻射和干擾較大、產品絕緣材料的抗老化性能較差等不利因素，這些因素均是因為干式平波電抗器固有的結構特點所決定，在具體工程設計中必然增加建設成本，造成對環境更大的影響，以及增加土地資源的消耗。

油浸式平波電抗器易受運輸條件限制是產品特點所決定的，而采用現場組裝工藝克服運輸問題目前看還不現實，因此在運輸受限的換流站，采用干式平波電抗器是工程設計的必然選擇。但油浸式平波電抗器目前存在的其它主要問題，如±800kV產品結構設計難度大、技術不成熟；電感值隨電流的變化而改變，呈非線性；潮流反轉時會產生介質臨界場強，對絕緣結構有一定的影響等，均有望隨著產品設計和制造能力的提高得到適當的改善。

因此，目前的特高壓直流工程均采用干式平波電抗器，更多地是因為尚無成熟的特高壓油浸式平波電抗器可供選擇，從而是一種現實的選擇而并非可能的最優選擇。一旦有技術成熟的特高壓油浸式平波電抗器產品，對于運輸不受限的換流站，仍然是有競爭力的選擇，因此繼續加大特高壓油浸式平波電抗器的研制力度仍是有必要的。

屆時，可針對具體工程進行詳細的技術經濟比較以確定平波電抗器的選型。

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