500kV直流断路器用SF6气体绝缘供能变压器的设计

郑帅 李政

摘要：高压直流断路器的正常工作需要实现在高电位平台上的供能，因此需要一种特殊的高压隔离变压器来实现此需求，同时该供能变压器的可靠性对直流断路器的整体运行可靠性有着决定性的意义，对直流电网安全可靠运行有着极其重要的作用。本文介绍一种国内研制的500kV SF6气体绝缘供能变压器，它经过型式试验验证、近1年的世界首个±500千伏多端柔性直流电网工程上挂网试运行，情况良好。

关键词：500kv;断路器;sf6气体

1 直流断路器对供能变压器设备的基本要求

1.1 基本功能

500kV SF6气体绝缘供能变压器作为主供能变压器，实现将地电位的交流电源送到535kV高电位平台，用于直流断路器转移支路及开关支路元器件的供能。其中对于机械式直流断路器，其高电位平台的用电负载主要有储能电容的充电及续流、阀组的驱动、高速开关的驱动及控制、二次装置等，作为层间变压器的输入，实现对主支路电力电子开关、主支路快速机械开关、转移支路电力电子开关等设备的能量提供，确保直流断路器设备运行不依赖系统电源，实现站用电与断路器供电回路的电气隔离。

1.2 潜在要求

1.2.1 输出接口

区别于普通的隔离变压器，供能变的隔离电压非常高，导致原副边之间绝缘距离较大（>200mm），因此其阻抗电压较高，导致其在断路器空载（对机械式断路器指其储能电容未充电）及满载（对机械式断路器指其储能电容充满电并且充放电平衡时）的电压输出波动较大，无法满足阀组及高速开关驱动要求（阀组驱动要求电压波动5%，开关驱动要求波动<3%），虽然可以通过在高电位平台上增设稳压电源实现，但在实际运行中，特别是断路器执行開断过程中，高频高幅值（几十kA，几千Hz）的电磁脉冲对电子设备的抗干扰是非常大的考验。因此，综合考虑可行性及断路器的运行可靠性，一般采用对供能变进行匝数（整数或分数匝）调节的办法平衡其在断路器空载及满载下的电压波动范围。

1.2.2 绝缘可靠性

SF6气体绝缘变压器内部采用纯SF6气体绝缘，出线采用复合套管加内外屏蔽电极的方式，在绝缘设计上有以下特点：1）无内部环氧支撑件，避免了长期直流电场下的绝缘件表面积聚及由于电荷积聚导致的沿面闪络风险;2）大直径复合套管，该供能变出线套管类比于相同冲击水平的交流套管，其直径大约40%，目的在于降低复合套管SF6侧的法向电场，保证了其在长期直流电压下的沿面绝缘强度;3）全屏蔽电极结构，高低压绕组全部有屏蔽电极，实现气室内部电场的均匀化，有效利用SF6气体在稍不均匀电场下的高绝缘强度。

2 500kV SF6气体绝缘供能变压器的研制工作原理及结构

2.1 铁芯及绕组合理的电磁设计

对于供能变压器而言，由于受绝缘气体散热及空间尺寸的限制，变压器的设计容量非常受限，因此提高对平台负载的供电效率即可以减低供能变的运行压力，降低其损耗发热，也可以提高平台层的电能质量，实现各子平台层间隔离变的多级串联供电。从主供能变的设计角度，主要考虑以下两方面实现：1）低磁密设计：最大程度上减轻由于磁化曲线的非线性导致的波形畸变及对供电效率的影响;2）低损耗设计：降低的空载损耗及空载电流既可以实现变压器本体的低温升，同时降低了有功及无功功率对电压波形畸变的影响。

因此选用B23R085，宝钢磁畴细化高磁感型硅钢片，铁心参数：P15/50=0.59W/kg，P17/50=0.80W/kg，额定磁密1.47T，饱和磁密1.9～2.0T，斜接缝多级叠片，保证铁心性能及工艺性能远优于常用规格硅钢片30Q120。

2.2 短路阻抗

由于供能变压器主要用于对系统电源供电，因此短路阻抗将是其主要考核性能指标之一，该变压器为两个同心式绕组。输入（一次）线圈套装于铁心柱上，外套屏蔽筒，输出（二次）线圈浇注于铝壳中后套装于输入线圈的外侧，保持同心结构，且一次线圈和二次线圈之间保持一定的绝缘距离，满足输出输入之间的隔离耐压要求。

500kV SF6气体绝缘供能变压器作为主供能变压器，其安装位置一般在阀厅内，而其输入电源（一般为站用电或UPS电源）离供能变较远，因此需要尽可能避免由于供能变合闸励磁涌流引起的保护跳闸，适当提高阻抗电压的设计可以有效降低其合闸励磁涌流，并且相对于投切合闸电阻的方案，其实现成本较低，控制逻辑简单且可靠性较高。采用高阻抗设计，由此导致较大的合闸励磁涌流，该合闸励磁涌流的峰值与供能变的短路阻抗及合闸相角相关，短路阻抗越小，合闸相角越接近零，则合闸励磁涌流越大，对变压器绕组的冲击也越大。采用高阻抗设计的供能变可以有效降低在各合闸相角工况下的励磁涌流，与常规同容量的隔离变相比，其峰值励磁涌流仅为43.5%，由此推算的短时电动力冲击仅为19%。因此短路阻抗的设计既要考虑变压器的经济性，又要考虑耐冲击能力。

2.3 高压线圈结构设计

输出高压绕组及高压出线装置采用悬挂式结构，避免了高压线圈组件与接地外壳之间的绝缘支撑件，从根本上消除了绝缘件沿面在长期直流电压作用下的表面电荷积聚，该表面电荷积聚会导致界面上的绝缘强度显著下降（据相关试验数据，可产生30%沿面闪络电压的损失）及绝缘界面的老化风险，长期运行可靠性高。

输出高压绕组为保证有足够的机械强度，先将高压导线绕制与高压绝缘筒上，再用环氧树脂将其浇注固定于高压线圈筒中，为满足外部的屏蔽要求，高压线圈筒外侧两端安装开口式半圆弧形屏蔽环，两半屏蔽环卡夫结构用铆钉紧固连接，满足均压环大曲率半径的设计要求，且满足高压绕组距铁心侧屏蔽的绝缘要求。

2.4 内部屏蔽的设计

内部高电位区设置上屏蔽电极，在直流电压下由于电场力方向恒定，微粒将可能直接运动到高压导体附近及绝缘件表面，因此直流场下需采用有效的微粒抑制措施。为了抑制产品内部金属导电微粒，高压顶板上设计成倒八字形带凹槽的屏蔽电极，该电极一方面可以均匀内外部电场分布，另一方面，它电极底部设置凹槽，形成一个凹陷的低电场区，当金属导电微粒一旦被捕捉到该电极凹槽区，由于微粒向上运动需要满足电场大于临界浮起场强的条件，而微粒所在的低场强区将使此条件无法满足，微粒将很难再次跃出凹槽，达到有效捕捉高压端游离的导电微粒。

2.5 高低压线圈散热结构设计

供能变压器运行中，高低压绕组、铁心及其他结构件中产生的损耗转化为热量，使这些部件的温度升高，绝缘材料长期在热作用下，将导致绝缘的老化逐渐丧失绝缘性能。为了将热量从线圈或铁心中发散到介质中去，将高压线圈固定于高压线圈筒内，分段浇注环氧树脂，且高压线圈筒一端开口;低压线圈绕制在低压绝缘筒上，再套装于铁心柱上，将低压绝缘筒中心开腰形孔，两端开通孔，形成纵向和横向通道。采用开间隙的方法以增大热传导和对流散热，及时有效地将热量传递到周围介质中，达到最终的热平衡状态。

该结构通过热仿真计算，计算表明铁心温升最高，热点温升值约为38K。产品在额定负荷下，关键部件高压线圈、低压线圈、铁心的热量得到充分散热，均满足温升<40K的要求。

计算结果可知：1）空气电阻率的取值及污秽情况对套管内部低压屏蔽罩表面的电场强度无影响;2）套管表面上部1/3段覆盖污秽会使玻璃钢表面的场强增大，但是无论套管表面洁净或上部1/3段覆盖污秽，玻璃钢在SF6测表面的场强均符合判断要求，而在硅橡胶伞裙表面（空气侧）会出现场强大的现象;3）套管表面1/3段覆盖污秽的情况下，会造成下部剩余表面洁净的伞裙表面场强大幅提高。因此对于直流场下复合缘套管表面电场需控制较小值。

参考文献

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