特高壓換流變閥側絕緣性能試驗成套設備研發

何長根 許廣虎 張陵 金銘 吳標 姜杏輝

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2011-5640-0454

摘? 要：針對昌吉換流站高端換流變閥外施交流耐壓及局放試驗的特點研發了一套特高壓換流變閥側絕緣性能試驗設備，由高壓諧振電抗器、交流分壓器等組成。其中電抗器和分壓器集成為單柱式共塔結構。通過仿真計算驗證了該整套設備的穩定性和可靠性。同時基于裝置參數選取的基礎上開展了整套裝置一體化、兼容性、無局放等優化結構設計。另外，自主研發了固定電感式分壓測壓系統和氣囊式金屬鱗片狀均壓罩。開展了4000m海拔，1500kV電壓下共塔結構電場分布模擬計算。

關鍵詞：特高壓? 共塔結構? 4000m海拔? 外施交流耐壓及局放試驗

中圖分類號：TM862? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（c）-0020-04

Development of a Complete Set of Equipment for the Insulation Performance Test of the UHV Converter? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Transformer Valve Side

HE Changgen1? XU Guanghu2? ZHANG Ling1? JIN Ming2? WU Biao2? JIANG Xinghui3*

（1.State Grid Xinjiang Electric Power Co.， Ltd.， Urumqi， Xinjiang Uygur Autonomous Region， 830002 China;2. Electric Power Science Research Institute State Grid Xinjiang Electric Power Co.， Ltd. ， Urumqi， Xinjiang Uygur Autonomous Region， 830002 China;3.Huadian Electric Power Technology Research Institute Wenzheng college Suzhou University， Suzhou， Jiangsu Province，215104 China）

Abstract： Aiming at the characteristics of the external AC withstand voltage and partial discharge test of the high-end converter transformer valve of Changji converter station， a set of insulation performance test equipment on the side of the UHV converter transformer valve has been developed. It is composed of high voltage resonant reactor， AC voltage divider， etc. The reactor and the voltage divider are integrated into a single-column common tower structure.? The stability and reliability of the whole set of equipment are verified by simulation calculation.? At the same time， based on the selection of device parameters， the optimized structure design of the whole set of device integration， compatibility， and no partial discharge was carried out.? In addition， it has independently developed a fixed inductive partial pressure measuring system and an airbag-type metal scale pressure equalizing cover. A simulation calculation of the electric field distribution of a common tower structure at an altitude of 4000m and a voltage of 1500kV was carried out.

Key Words： UHV; Common tower structure; 4000m altitude; External AC withstand voltage and partial discharge test

隨著我國特高壓直流輸電技術的快速發展，特高壓直流工程在我國能源資源優化配置上發揮了日益重要的作用。換流變壓器在高壓直流輸電（HVDC）中起著重要作用，它的安全運行對整個系統可以連續，可靠和穩定地工作這一事實具有重大影響[1]。因此，迫切需要在現場交接試驗階段進行閥側外施耐壓及局放測量試驗。

針對特高壓換流變的性能參數和現場環境條件，研制適用于狹小空間和復雜電磁環境下的緊湊型、高電壓、無局放的閥外施成套試驗裝置是成功開展該試驗的關鍵。特高壓換流變的現場閥側交流耐壓試驗在國內和國際上都是首次應用，其示范意義重大，同時本研究成果可反哺換流變現場試驗裝置的設計和研制。

1? 設計方案

針對昌吉換流站高端換流變閥外施交流耐壓及局放試驗的特點開展試驗設備的設計，研制出一套1500kV共塔結構、無局放試驗裝置，可以滿足目前最高電壓等級、不同海拔梯度、復雜現場環境等的現場試驗要求。

確定耐壓試驗電壓標準為100%出廠試驗電壓：1297kV，試驗電壓創造現場交流耐壓試驗電壓最高記錄;設備需滿足電壓1500kV要求。

因為換流變戶外場受施工條件限制，高端換流變正值安裝階段，戶外場沒有空余場地用于換流變閥外施及局放試驗條件，最終確定只能在閥廳搭建升壓設備進行試驗。同時，由于閥廳已進入安裝后期，所有的閥塔、閥避雷器、穿墻套管、管母等設備基本安裝完畢，所以試驗設備搭建的空間距離非常緊張，甚至必須拆除部分已安裝完成的設備。為了減少閥廳地電位存在的干擾，采用了“扇形布局、一點接地”的方法，將所有設備的接地點保證一點接地，從而大幅降低了地線帶來的干擾[2]?？紤]緊湊型設計，以電抗與分壓器共塔結構或融入式電感器分壓單柱結構方案二種。

現場試驗條件下，要求1037.6kV局部放電測量電壓換流變實測局放量小于200pC;對于現場接地網條件、供電電源條件（現場多家單位交叉施工用電）、周邊臨近設備的影響以及空間屏蔽條件，現場的局放背景是否能滿足試驗要求，試驗未進行之前任何人心中都沒有100%把握，考慮設備絕緣余度及升壓裝置共柱式高壓低通濾波裝置的設計。

2? 現場用閥側絕緣性能試驗成套設備總體設計

換流變的現場交流閥側外施耐壓試驗一般采用串聯諧振試驗裝置，通過試驗電抗器與負載電容的串聯諧振達到升壓的目的[3]?；谏鲜鲈O計思路，開展特高壓換流變現場用閥側絕緣性能試驗成套設備設計。

2.1 高壓諧振電抗器性能特點

（1）電抗器的設計采用空芯式結構，漆包導線繞組，油浸自冷式。

（2）環氧樹脂絕緣筒外殼，具有足夠的電氣、機械強度，必要的散熱能力以及油熱脹冷縮的裕度。外殼噴涂顏色為橘紅色，上下蓋板、上下法蘭均采用不導磁火反磁性板，電抗器配備可靠的起吊專用設施。

（3）電抗器絕緣底座和支撐底架，支撐低價能夠承受5臺電抗器串聯的重量。

（4）電抗器配有均壓罩，均壓罩可實現單節、兩節、三節、四節和五節自由組合的正常使用，均壓環配包裝箱。

（5）電抗器有承受起重量的專用起吊裝置和運輸時的固定設施。

（6）電抗器內部結構在經過正常的鐵路、公路運輸后相互位置不變，緊固件不松動。

2.2 交流分壓器性能特點

（1）額定電壓下可連續運行90min。

（2）在30～300Hz范圍內，其精度和穩定度保持不變。

（3）在20℃、0.4～0.5UN下介損值：tg≤0.5%。

（4）分壓比誤差：有效值時≤0.5%，峰值時≤1%。

（5）高、低壓臂的電容采用一致的介質結構，溫度系數小，角位移小，在30～300Hz分壓比不變。

（6）均壓環：鋁合金材料，便于拆裝，有包裝箱方便運輸，滿足海拔4000m，1500kV下的均壓要求，不發生電暈放電。

（7）具有足夠的穩定度，能調節水平，拆裝方便。

3? 現場用閥側絕緣性能試驗成套設備理論分析

五臺電抗器最大電壓保證在高海拔4000m條件下不發生電暈放電，必須要對均壓罩表面電場強度進行計算，屏蔽罩置于電抗器的頂端，改善設備頂端的電場分部并對其下面部件起到屏蔽作用。屏蔽罩外形尺寸： 最小半徑：1400mm，屏蔽罩采用防銹鋁合金制成。

最大彎曲正應力和最大彎曲切應力遠小于材料所能承受的正應力和切應力，因此材料能保證不發生斷裂。平臺發生失穩的兩種狀況：側滑和傾覆。

首先討論側滑問題：8級側向總風力為8000N，平臺與地面的摩擦系數u=0.2，那么，平臺與地面的摩擦力為Ff=0.2×126000N=25200N。摩擦力大于側向風力，因此可以認為平臺在發生傾覆前不會發生側滑。

要使平臺發生傾覆，兩處風力分別為21957N和28375N，遠大于8級風所產生的風力3500N和4500N。因此平臺在8級風力的作用下不會發生傾覆。

在無風力作用條件下，不考慮延伸支撐腿，對鋼底架進行應力分析。物理模型與邊界條件：電抗器與均壓罩對鋼底架正壓力F1=105kN，分壓器對鋼底架正壓力F1=1kN，考慮鋼底架自重。最大應力出現在支撐腳根部處，最大應力為129MPa，遠小于鋼底架承載的最大壓應力，滿足工程實際要求。鋼底架能夠承載電抗器、均壓罩、分壓器的壓力，同時不會發生明顯的變形，滿足工程實際的要求，鋼底架的設計是合理的。

4? 現場用閥側絕緣性能試驗成套設備結構設計

基于裝置參數選取的基礎上開展，整套裝置整體一體化、兼容性、無局放等優化結構設計。在本體設計中，諧振電感L的各個分壓抽頭將諧振電感L分為若干個分段，使得諧振電感L構成電感分壓器。當設置有一個分壓抽頭時，諧振電感L具備了電感分壓器的功能。第一測量模塊采用特制變比的電壓互感器，稱之為第一電壓互感器PT1，該第一電壓互感器PT1的變比基于電感L兩端的電壓與其電感量的比例關系以及電感分壓器的各分段的分壓比例而設計使得該第一電壓互感器PT1能夠直接反映出電感L兩端的電壓。當設計完諧振電感L后，需要對其低壓臂的電感量和高壓臂的電感量進行精確測量，從而測得其所構成的電感分壓器的分壓比例。第二測量模塊也為特制變比的電壓互感器，稱之為第二電壓互感器PT2，它可以滿足矢量運算所需要的幅度和相位要求。智能測量儀則能夠通過數字算法，計算出有效值，峰峰值等高壓交流耐壓試驗所需的測量參數。

該測量系統利用諧振系統自有電抗器，通過分壓抽頭方式設計，使其成為兼具測壓功能的諧振電抗器，取消了常規諧振系統配置的交流高壓分壓器，節省了投資成本和運行費用，減少裝卸工作量，尤其對于超高壓和特高壓交流耐壓試驗設備意義重大。

氣囊式金屬鱗片特高電壓均壓罩，包括充氣內膽、支撐托架和金屬均壓元件;充氣內膽呈球形或環形，充氣內膽中軸處設有通孔，通孔內設有兩個電極連接柱;充氣內膽外表面布滿規則分布的安裝座;支撐托架安裝在通孔下部的充氣內膽上，支撐托架通過安裝座與充氣內膽連接;金屬均壓元件包括鱗片狀金屬片和焊接在鱗片狀金屬片中心處的金屬螺桿，各個鱗片狀金屬片之間通過導線連通，水平層每一圈鱗片狀金屬片均設有一處開路。通過上述方式，本發明能夠在不拆卸不解體的狀態下運輸，不需要現場拼裝，依靠充氣就可使均壓罩達到工作狀態。

整套裝置基于開展高海拔特高壓試驗設備的基礎上開展設計研究，主要結構特點如下：

（1）為了長距離運輸方便，現場組裝便攜，研究1500kV在不增加電抗器、分壓器結構高度的前提下，通過優化設備結構的方法，滿足在海拔4000m的外絕緣配置的要求。

（2）1500kV串諧在現場應用中應保證整體電暈放電量整體不超過10pC，且具有友好的模塊化，便于長途運輸和現場安裝。

（3）整套裝置具備良好的機械性能和電氣性能，保證電抗器和分壓器在極端氣候條件下的運行穩定性。

（4）新設備與原有老設備的兼用性，使其在與現有設備在并聯工作的形式下，具有良好的均壓、均流特性。

（5）設計優化電抗器、分壓器可拆分的模塊化結構，且使其具備高強度的設備支撐系統，適應大風沙等惡劣天氣條件。

本次研制的是無局放的試驗裝置，因此需要關注以下四方面技術措施：

一是解決從電源380V側竄過來的低頻電源干擾，所有電機均采用直流電機，采用直流模塊調速?？刂葡到y有獨立的隔離變壓器。

二是隔離阻斷從電抗器本體上產生的一些干擾，在高壓電抗器和耦合電容器之間增設高壓隔離阻抗。換流變壓器的熱狀態和絕緣能力對于評估狀態非常重要，而非線性熱電耦合的影響在設計分析中往往被忽略，并可能導致其實際性能的估計錯誤[5]。

三是對高壓電抗器高壓部分結構合理，使得內部電場分布均壓其次材料方面：銅導線表面光滑無毛刺、均壓材料光滑無毛刺。嚴格控制變壓器油中的微水含量及纖維等雜質的含量。

四是對整體裝置的均壓環表面場強控制在14.5kV/mm。保證滿足高海拔試驗需要。

測控系統是采用PLC控制，測量系統如何實現抗干擾和二次系統的反擊，串諧控制系統PLC為核心而研制的高效、可靠的新型控制系統。根據換流變PLC控制系統邏輯，PLC控制系統通過比較實際負載系數和實際過載能力來判斷是否需發出“過負荷”信號[6]。整個控制系統大量地采用光電隔離及開關隔離技術，使PLC 的I/O始終處于全隔離的低電壓工作環境中，大大提高了控制系統的安全性、可靠性。電壓、電流、等模擬量的處理采用12位分辨率的高速高精度數字處理模塊，運用軟硬件冗余技術，具有很大的可擴展性以及強大的編程和通訊能力。

5? 結語

針對特高壓換流變交流外施耐壓試驗電壓高、空間狹小、無現場專用試驗裝置的難題，成功研制了一套1500kV緊湊型無局放交流耐壓試驗裝置，滿足了目前最高電壓等級、不同海拔、復雜自然環境條件下的現場試驗需求。

（1）針對無局放的現場試驗要求，研制出電抗器和分壓器集成的單柱式共塔結構代替經典分體式結構，解決了電抗器與分壓器電位分布不均勻的難題，節約了設備的現場組裝時間，提高了試驗效率。

（2）為解決單柱式結構同時升壓和測量難題，基于全電流諧振分壓系統測量原理，自主研發了固定電感式分壓測壓系統，減少了雜散電流對測量精度的影響。

（3）研發了無需拆卸運輸與現場拼裝的氣囊式金屬鱗片狀均壓罩，依靠充氣就能達到工作狀態，提高了現場安裝效率。

（4）開展4000m海拔、1500kV電壓下共塔結構電場分布模擬計算，優化了腰環、頂環和共塔結構的電場分布，并在2500m海拔、1650kV下試驗裝置現場驗證，實際測量局放量不超過50pC，驗證了試驗裝置對不同海拔的適應性。

參考文獻

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