±800 kV特高壓復(fù)龍換流站西門子大組件換流閥飽和電抗器缺陷分析與改造

唐世雄，喻悅簫，曹運(yùn)龍，張 鵬，黃 宇，趙 冉，劉隆晨

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司特高壓直流中心，四川 成都 610042；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

復(fù)奉直流為雙極直流系統(tǒng)，額定電壓±800 kV，最高運(yùn)行電壓為±809 kV，額定電流為4000 A。復(fù)龍換流站通常為整流運(yùn)行，單極為2個(gè)電壓相等的12脈動(dòng)換流器串聯(lián)而成，換流閥設(shè)備為西安西電電力整流器有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱西整公司)生產(chǎn)的采用西門子技術(shù)的KGWF-4000/±800型ETT換流器。該站采用的西整公司西門子大組件換流閥在國(guó)內(nèi)外直流輸電工程中有著廣泛應(yīng)用，其安裝于雙極高、低端4個(gè)閥廳中。每個(gè)閥廳安裝有6個(gè)雙重閥(閥塔)，閥塔采用懸吊式結(jié)構(gòu)，每個(gè)雙重閥(閥塔)由2個(gè)單閥組成，每個(gè)單閥包括2個(gè)閥組件，每個(gè)閥組件(閥層)包括2個(gè)閥模塊，每個(gè)閥模塊由15個(gè)晶閘管級(jí)、2個(gè)飽和電抗器、1個(gè)沖擊電容組成[1]。

復(fù)龍站雙極四閥組換流閥共有飽和電抗器384只。換流閥中串聯(lián)飽和電抗器，在閥剛觸發(fā)導(dǎo)通或出現(xiàn)電流突變時(shí)限制了電流的變化速率，使閥免受于不均勻?qū)óa(chǎn)生局部過熱而引起的破壞[2-3]。當(dāng)閥導(dǎo)通穩(wěn)定，流過閥的電流很大時(shí)，電抗器飽和，呈現(xiàn)出低阻抗。在閥組件的電氣連接中，電流、電壓首先接入2個(gè)串聯(lián)電抗器，后接入晶閘管級(jí)中，起到保護(hù)閥組件的作用。飽和電抗器不但能限制晶閘管剛開通時(shí)的di/dt，還可在晶閘管關(guān)斷過程中限制di/dt，降低反向恢復(fù)電荷，抑制其反向過沖[4]。另外，也可利用足夠的阻尼來阻止電流過零時(shí)產(chǎn)生振蕩涌流，保護(hù)晶閘管；在沖擊電壓下起輔助均壓作用，使晶閘管免受電壓損壞。

西門子大組件換流閥配置的陽(yáng)極飽和電抗器采用雙線圈與電抗器阻尼電阻的配置結(jié)構(gòu)，運(yùn)行時(shí)需同時(shí)冷卻線圈及二次電阻[5-7]。該型電抗器的電氣接線、機(jī)械結(jié)構(gòu)和冷卻水路均較為復(fù)雜，其中各類接頭多達(dá)20余處，且整體呈現(xiàn)開放式結(jié)構(gòu)，密封性較差。西門子閥電抗器存在多種設(shè)計(jì)缺陷，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行各類隱患逐漸暴露，導(dǎo)致電抗器電氣特性退化[8-11]，且其冷卻回路易漏水、可靠性降低，影響了換流閥設(shè)備本質(zhì)安全及直流輸電工程穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)西門子閥電抗器在運(yùn)行中出現(xiàn)的漏水、發(fā)熱等重大缺陷隱患，下面基于復(fù)龍換流站近10年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)換流閥飽和電抗器典型缺陷，并分析成因、制定對(duì)策。參考ABB公司換流閥飽和電抗器的先進(jìn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)并試制適用于復(fù)龍站西門子大組件換流閥的新型一體式飽和電抗器，開展新型電抗器伏秒特性試驗(yàn)及特高壓工程應(yīng)用。

1 飽和電抗器典型缺陷及分析

西門子大組件換流閥飽和電抗器外形如圖1所示。該型電抗器的主要部件為鐵芯和線圈，采用了“雙線圈+電抗器阻尼電阻”的配置結(jié)構(gòu)。將硅鋼片制成U形，兩組硅鋼片對(duì)接為環(huán)形，組成電抗器的鐵芯，并在其連接處放置一層特制的紙板作為氣隙。鐵芯兩側(cè)各環(huán)繞10匝線圈。電抗器內(nèi)部布置了二次電纜和細(xì)水管，其中二次電纜是電抗器內(nèi)部的等電位線；細(xì)水管分為氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated efhylene propylene,FEP)軟管和金屬水管，F(xiàn)EP軟管用于電抗器散熱，金屬水管主要用作二次線圈的散熱電阻[12-13]。

圖1 西門子閥電抗器外形

±800 kV復(fù)龍換流站投運(yùn)至今，西門子大組件換流閥飽和電抗器出現(xiàn)了各類型缺陷及故障，包括二次電纜磨損、阻尼金屬水管漏水、FEP水管磨損、鐵心下沉、硅鋼片散落等，詳見圖2所示。特別是近5年，復(fù)龍換流站先后有7臺(tái)閥電抗器在運(yùn)行過程中或靜態(tài)水壓試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)金屬水管漏水故障，嚴(yán)重影響了復(fù)奉特高壓直流工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 西門子閥電抗器典型缺陷

1.1 二次電纜與金屬水管接觸磨損及腐蝕

電抗器二次電纜與金屬水管接觸磨損如圖3所示。電抗器內(nèi)部二次電纜設(shè)計(jì)過長(zhǎng)且電抗器內(nèi)部空間有限，導(dǎo)致電抗器在運(yùn)行一段時(shí)間之后，電纜與金屬水管發(fā)生接觸。在接觸位置，二次電纜首先產(chǎn)生磨損，露出內(nèi)部芯線。內(nèi)部芯線暴露后，與阻尼電阻金屬水管之間存在電位差，因此產(chǎn)生放電導(dǎo)致金屬水管遭受電腐蝕，長(zhǎng)期運(yùn)行后產(chǎn)生穿孔導(dǎo)致內(nèi)冷水泄漏。當(dāng)環(huán)境較潮濕時(shí)，二次電纜與金屬水管接觸部分會(huì)產(chǎn)生冷凝水，吸附灰塵發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

圖3 電纜和水管接觸磨損缺陷

1.2 金屬水管與環(huán)氧壓板振動(dòng)磨損

如圖4所示，電抗器金屬水管用一個(gè)環(huán)氧壓板固定，兩者間是剛性連接。換流閥正常開通關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓跳變會(huì)導(dǎo)致電抗器出現(xiàn)高頻振動(dòng)，而環(huán)氧壓板材質(zhì)較硬，長(zhǎng)期振動(dòng)情況下支撐部位的阻尼電阻金屬水管壁磨損嚴(yán)重，極易導(dǎo)致漏水。另外，換流閥長(zhǎng)期運(yùn)行后，水管壓板表面積累了一些灰塵，產(chǎn)生了輕微的局部放電現(xiàn)象，對(duì)金屬水管產(chǎn)生了電腐蝕。在兩種因素的共同作用下，金屬水管表面破損漏水。

圖4 水管與壓板振動(dòng)磨損缺陷

1.3 FEP水管磨損與鐵芯脫落散片

由于FEP水管較長(zhǎng)，外部纏繞一圈包裹帶，并用卡扣固定。由于換流閥運(yùn)行振動(dòng)，水管與水管、水管與卡扣、水管與包裹帶之間都會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損，導(dǎo)致水管漏水。飽和電抗器鐵芯是豎直布置，兩側(cè)結(jié)構(gòu)件通過夾緊力將鐵芯壓緊。長(zhǎng)期運(yùn)行后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所松動(dòng)，夾緊力下降，結(jié)構(gòu)件無法將鐵芯壓緊，導(dǎo)致鐵芯出現(xiàn)下沉(向下位移)的現(xiàn)象，見圖5所示。

圖5 鐵芯下沉缺陷

飽和電抗器鐵芯是開放的，長(zhǎng)期運(yùn)行后其表面積累灰塵，其內(nèi)部容易發(fā)生局部放電，從而降低了鐵芯硅鋼片的絕緣強(qiáng)度。絕緣性能下降又會(huì)加劇局部放電，產(chǎn)生惡性循環(huán)，最后鐵芯硅鋼片間短路。在電熱應(yīng)力和機(jī)械振動(dòng)的雙重作用下，硅鋼片出現(xiàn)散落。散落的硅鋼片掉落到下層閥塔，導(dǎo)致下層閥塔放電甚至起火。另外，電抗器鐵芯腐蝕加長(zhǎng)期振動(dòng)散片，還會(huì)造成阻尼電阻和邊框搭接產(chǎn)生放電，長(zhǎng)期作用下?lián)舸┙饘偎芤l(fā)滲漏。

2 新型飽和電抗器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能驗(yàn)證

2.1 新型飽和電抗器的結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)

基于上述分析，不難看出西門子閥陽(yáng)極飽和電抗器的運(yùn)行缺陷主要集中于鐵芯和水管，而鐵芯作為飽和電抗器的核心部件，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上難以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化升級(jí)，隱患無法得到根治。因此，針對(duì)上述傳統(tǒng)西門子換流閥電抗器的缺陷與隱患，參考ABB技術(shù)小組件換流閥飽和電抗器的成熟設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了如圖6所示的新型一體式結(jié)構(gòu)的飽和電抗器，用于替換復(fù)龍站西門子大組件換流閥的電抗器。

圖6 新型飽和電抗器外觀

如圖7所示，該型飽和電抗器采用中空的圓形鋁管制成電抗器的線圈，運(yùn)行時(shí)內(nèi)冷水從鋁管中流過，為線圈散熱。鐵芯采用分布式布局，固定在線圈上，并置于玻璃鋼的絕緣外殼中，其間再用環(huán)氧樹脂填充。環(huán)氧樹脂既是固體絕緣材料，也可在鐵芯和線圈之間起到緩沖作用。新型飽和電抗器不必配置二次電纜，徹底消除了二次電纜導(dǎo)致的多種缺陷。

圖7 新型飽和電抗器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

相比較于原有設(shè)計(jì)，新型飽和電抗器的優(yōu)點(diǎn)如下：

1) 新型飽和電抗器保持外部電氣性能、冷卻水流量特性、安裝結(jié)構(gòu)尺寸及質(zhì)量基本不變，其電氣參數(shù)及接口與原電抗器保持一致，不需要改變換流閥設(shè)計(jì)。

2) 新型飽和電抗器優(yōu)化了水路設(shè)計(jì)，水路采用單一路徑通流形式，且整體封裝于電抗器內(nèi)部；相比老式電抗器，其冷卻回路減少兩路，且只有“一進(jìn)一出”兩個(gè)接頭，水路接頭數(shù)量由12個(gè)減少到2個(gè)。新設(shè)計(jì)減少了水管支路和接頭數(shù)量，大幅消除水路接頭滲漏水隱患，有效避免冷卻回路暴露于空氣中易受外部因素影響而漏水，顯著提高了冷卻水路的可靠性。

3) 新型飽和電抗器采用單線圈設(shè)計(jì)，不再需要配置電抗器二次阻尼電阻及其等電位連接電纜，徹底摒棄了薄壁金屬水管用作二次阻尼電阻的設(shè)計(jì)，消除了薄壁金屬水管漏水和二次電纜磨損等隱患。

4) 新型飽和電抗器采用全包裹式結(jié)構(gòu)，線圈、鐵芯和外殼封裝為一個(gè)整體，內(nèi)部填充絕緣材料，在保證密閉性同時(shí)提高絕緣特性。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[14]，降低了噪聲和振動(dòng)，避免原電抗器運(yùn)行中出現(xiàn)的硅鋼片脫落、漏水等問題。

2.2 新型飽和電抗器的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了確保新型飽和電抗器滿足西門子大組件換流閥的技術(shù)要求，需對(duì)飽和電抗器及其閥組件開展多項(xiàng)試驗(yàn)，其中：飽和電抗器的本體試驗(yàn)13項(xiàng)，包括伏秒特性試驗(yàn)、工頻和沖擊電壓耐受試驗(yàn)、工頻電感和直流電阻測(cè)量、熱循環(huán)和熱態(tài)沖擊試驗(yàn)、線圈溫升試驗(yàn)、故障電流耐受試驗(yàn)等；閥組件試驗(yàn)4項(xiàng)，分別為最大連續(xù)運(yùn)行負(fù)載試驗(yàn)、最大暫態(tài)運(yùn)行負(fù)載試驗(yàn)、故障電流試驗(yàn)、非周期觸發(fā)試驗(yàn)。

直流輸電換流閥用飽和電抗器的不飽和電感值及伏秒積是其運(yùn)行關(guān)鍵電氣參數(shù)，按照目前西門子換流閥設(shè)計(jì)報(bào)告中所提供的晶閘管參數(shù)及直流工程經(jīng)驗(yàn)，要求閥電抗器的不飽和時(shí)間大于2 μs，且電流上升率不高于350 A/μs，以避免晶閘管因di/dt過高而損壞，換流閥電氣設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮一定的晶閘管保護(hù)裕度。

飽和電抗器的伏秒特性試驗(yàn)是評(píng)估其保護(hù)特性的重要試驗(yàn)，要求在58 kV沖擊電壓下，電壓電流波形無異常，伏秒積滿足(155±5%) V·ms。西門子閥飽和電抗器和新型飽和電抗器的保護(hù)特性通過電流時(shí)間曲線表征，如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型電抗器特性滿足晶閘管開通時(shí)電流上升率要求，且電氣特性與原西門子電抗器保持一致。

圖8 飽和電抗器電流時(shí)間曲線

同時(shí)，在特高壓換流閥組件合成試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)新型飽和電抗器和老式西門子閥電抗器開展了運(yùn)行振動(dòng)對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，新式飽和電抗器的振動(dòng)受力及噪聲水平全面優(yōu)于老式西門子閥電抗器：

1)振動(dòng)加速度：新式電抗器振動(dòng)強(qiáng)度約相當(dāng)于老式電抗器振動(dòng)30%～40%。

2)振動(dòng)噪聲：新型飽和電抗器為82.86 dB，西門子閥電抗器為87.02 dB。

3 新型飽和電抗器的工程應(yīng)用

在±800 kV特高壓復(fù)龍換流站的西門子大組件換流閥中換裝上述新型飽和電抗器，在2021年度“迎峰度夏”間持續(xù)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，最大運(yùn)行電流為4000 A，輸送功率為6400 MW。紅外測(cè)溫結(jié)果如圖9所示，發(fā)現(xiàn)新型飽和電抗器運(yùn)行溫度在40～55 ℃正常范圍，最高溫度為52.5 ℃，略低于原飽和電抗器的最高運(yùn)行溫度53.4 ℃。經(jīng)運(yùn)行巡視、紅外測(cè)溫和紫外放電檢測(cè)，確認(rèn)所有換裝的飽和電抗器均運(yùn)行良好，未出現(xiàn)放電現(xiàn)象，換流閥整體及其元部件均工作正常，符合工程技術(shù)與應(yīng)用要求。

圖9 新型飽和電抗器運(yùn)行紅外圖譜

4 結(jié) 論

上面基于復(fù)龍換流站西門子大組件換流閥技術(shù)特點(diǎn)與運(yùn)行故障統(tǒng)計(jì)，分析了換流閥飽和電抗器的典型缺陷及其成因，研制了一種可替換老式西門子閥電抗器的新型一體式飽和電抗器，并成功用于復(fù)龍站換流閥電抗器改造，得到了以下結(jié)論：

1)西門子閥電抗器采用雙線圈與阻尼電阻的配置，導(dǎo)致電氣接線、機(jī)械結(jié)構(gòu)和冷卻水路復(fù)雜，且整體呈開放式結(jié)構(gòu)、密封性差易漏水。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，該型閥電抗器多次出現(xiàn)了二次電纜與金屬水管接觸磨損及腐蝕、金屬水管與環(huán)氧壓板振動(dòng)磨損、FEP水管磨損與鐵芯脫落散片等多種缺陷。

2)新型飽和電抗器采用單線圈和單管路設(shè)計(jì)，既保持了電抗器的外部電氣性能、冷卻水流量特性、安裝結(jié)構(gòu)尺寸及重量等基本不變，還顯著提高了電抗器冷卻水路的可靠性，也降低了運(yùn)行振動(dòng)受力及噪聲水平，可滿足西門子特高壓換流閥設(shè)備的應(yīng)用要求。