特高压换流变阀侧绝缘性能试验成套设备研发

何长根 许广虎 张陵 金铭 吴标 姜杏辉

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

摘  要：針对昌吉换流站高端换流变阀外施交流耐压及局放试验的特点研发了一套特高压换流变阀侧绝缘性能试验设备，由高压谐振电抗器、交流分压器等组成。其中电抗器和分压器集成为单柱式共塔结构。通过仿真计算验证了该整套设备的稳定性和可靠性。同时基于装置参数选取的基础上开展了整套装置一体化、兼容性、无局放等优化结构设计。另外，自主研发了固定电感式分压测压系统和气囊式金属鳞片状均压罩。开展了4000m海拔，1500kV电压下共塔结构电场分布模拟计算。

关键词：特高压  共塔结构  4000m海拔  外施交流耐压及局放试验

中图分类号：TM862                           文献标识码：A                    文章编号：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

随着我国特高压直流输电技术的快速发展，特高压直流工程在我国能源资源优化配置上发挥了日益重要的作用。换流变压器在高压直流输电（HVDC）中起着重要作用，它的安全运行对整个系统可以连续，可靠和稳定地工作这一事实具有重大影响[1]。因此，迫切需要在现场交接试验阶段进行阀侧外施耐压及局放测量试验。

针对特高压换流变的性能参数和现场环境条件，研制适用于狭小空间和复杂电磁环境下的紧凑型、高电压、无局放的阀外施成套试验装置是成功开展该试验的关键。特高压换流变的现场阀侧交流耐压试验在国内和国际上都是首次应用，其示范意义重大，同时本研究成果可反哺换流变现场试验装置的设计和研制。

1  设计方案

针对昌吉换流站高端换流变阀外施交流耐压及局放試验的特点开展试验设备的设计，研制出一套1500kV共塔结构、无局放试验装置，可以满足目前最高电压等级、不同海拔梯度、复杂现场环境等的现场试验要求。

确定耐压试验电压标准为100%出厂试验电压：1297kV，试验电压创造现场交流耐压试验电压最高记录;设备需满足电压1500kV要求。

因为换流变户外场受施工条件限制，高端换流变正值安装阶段，户外场没有空余场地用于换流变阀外施及局放试验条件，最终确定只能在阀厅搭建升压设备进行试验。同时，由于阀厅已进入安装后期，所有的阀塔、阀避雷器、穿墙套管、管母等设备基本安装完毕，所以试验设备搭建的空间距离非常紧张，甚至必须拆除部分已安装完成的设备。为了减少阀厅地电位存在的干扰，采用了“扇形布局、一点接地”的方法，将所有设备的接地点保证一点接地，从而大幅降低了地线带来的干扰[2]。考虑紧凑型设计，以电抗与分压器共塔结构或融入式电感器分压单柱结构方案二种。

现场试验条件下，要求1037.6kV局部放电测量电压换流变实测局放量小于200pC;对于现场接地网条件、供电电源条件（现场多家单位交叉施工用电）、周边临近设备的影响以及空间屏蔽条件，现场的局放背景是否能满足试验要求，试验未进行之前任何人心中都没有100%把握，考虑设备绝缘余度及升压装置共柱式高压低通滤波装置的设计。

2  现场用阀侧绝缘性能试验成套设备总体设计

换流变的现场交流阀侧外施耐压试验一般采用串联谐振试验装置，通过试验电抗器与负载电容的串联谐振达到升压的目的[3]。基于上述设计思路，开展特高压换流变现场用阀侧绝缘性能试验成套设备设计。

2.1 高压谐振电抗器性能特点

（1）电抗器的设计采用空芯式结构，漆包导线绕组，油浸自冷式。

（2）环氧树脂绝缘筒外壳，具有足够的电气、机械强度，必要的散热能力以及油热胀冷缩的裕度。外壳喷涂颜色为橘红色，上下盖板、上下法兰均采用不导磁火反磁性板，电抗器配备可靠的起吊专用设施。

（3）电抗器绝缘底座和支撑底架，支撑低价能够承受5台电抗器串联的重量。

（4）电抗器配有均压罩，均压罩可实现单节、两节、三节、四节和五节自由组合的正常使用，均压环配包装箱。

（5）电抗器有承受起重量的专用起吊装置和运输时的固定设施。

（6）电抗器内部结构在经过正常的铁路、公路运输后相互位置不变，紧固件不松动。

2.2 交流分压器性能特点

（1）额定电压下可连续运行90min。

（2）在30～300Hz范围内，其精度和稳定度保持不变。

（3）在20℃、0.4～0.5UN下介损值：tg≤0.5%。

（4）分压比误差：有效值时≤0.5%，峰值时≤1%。

（5）高、低压臂的电容采用一致的介质结构，温度系数小，角位移小，在30～300Hz分压比不变。

（6）均压环：铝合金材料，便于拆装，有包装箱方便运输，满足海拔4000m，1500kV下的均压要求，不发生电晕放电。

（7）具有足够的稳定度，能调节水平，拆装方便。

3  现场用阀侧绝缘性能试验成套设备理论分析

五台电抗器最大电压保证在高海拔4000m条件下不发生电晕放电，必须要对均压罩表面电场强度进行计算，屏蔽罩置于电抗器的顶端，改善设备顶端的电场分部并对其下面部件起到屏蔽作用。屏蔽罩外形尺寸： 最小半径：1400mm，屏蔽罩采用防锈铝合金制成。

最大弯曲正应力和最大弯曲切应力远小于材料所能承受的正应力和切应力，因此材料能保证不发生断裂。平台发生失稳的两种状况：侧滑和倾覆。

首先讨论侧滑问题：8级侧向总风力为8000N，平台与地面的摩擦系数u=0.2，那么，平台与地面的摩擦力为Ff=0.2×126000N=25200N。摩擦力大于侧向风力，因此可以认为平台在发生倾覆前不会发生侧滑。

要使平台发生倾覆，两处风力分别为21957N和28375N，远大于8级风所产生的风力3500N和4500N。因此平台在8级风力的作用下不会发生倾覆。

在无风力作用条件下，不考虑延伸支撑腿，对钢底架进行应力分析。物理模型与边界条件：电抗器与均压罩对钢底架正压力F1=105kN，分压器对钢底架正压力F1=1kN，考虑钢底架自重。最大应力出现在支撑脚根部处，最大应力为129MPa，远小于钢底架承载的最大压应力，满足工程实际要求。钢底架能够承载电抗器、均压罩、分压器的压力，同时不会发生明显的变形，满足工程实际的要求，钢底架的设计是合理的。

4  现场用阀侧绝缘性能试验成套设备结构设计

基于装置参数选取的基础上开展，整套装置整体一体化、兼容性、无局放等优化结构设计。在本体设计中，谐振电感L的各个分压抽头将谐振电感L分为若干个分段，使得谐振电感L构成电感分压器。当设置有一个分压抽头时，谐振电感L具备了电感分压器的功能。第一测量模块采用特制变比的电压互感器，称之为第一电压互感器PT1，该第一电压互感器PT1的变比基于电感L两端的电压与其电感量的比例关系以及电感分压器的各分段的分压比例而设计使得该第一电压互感器PT1能够直接反映出电感L两端的电压。当设计完谐振电感L后，需要对其低压臂的电感量和高压臂的电感量进行精确测量，从而测得其所构成的电感分压器的分压比例。第二测量模块也为特制变比的电压互感器，称之为第二电压互感器PT2，它可以满足矢量运算所需要的幅度和相位要求。智能测量仪则能够通过数字算法，计算出有效值，峰峰值等高压交流耐压试验所需的测量参数。

该测量系统利用谐振系统自有电抗器，通过分压抽头方式设计，使其成为兼具测压功能的谐振电抗器，取消了常规谐振系统配置的交流高压分压器，节省了投资成本和运行费用，减少装卸工作量，尤其对于超高压和特高压交流耐压试验设备意义重大。

气囊式金属鳞片特高电压均压罩，包括充气内胆、支撑托架和金属均压元件;充气内胆呈球形或环形，充气内胆中轴处设有通孔，通孔内设有两个电极连接柱;充气内胆外表面布满规则分布的安装座;支撑托架安装在通孔下部的充气内胆上，支撑托架通过安装座与充气内胆连接;金属均压元件包括鳞片状金属片和焊接在鳞片状金属片中心处的金属螺杆，各个鳞片状金属片之间通过导线连通，水平层每一圈鳞片状金属片均设有一处开路。通过上述方式，本发明能够在不拆卸不解体的状态下运输，不需要现场拼装，依靠充气就可使均压罩达到工作状态。

整套装置基于开展高海拔特高压试验设备的基础上开展设计研究，主要结构特点如下：

（1）为了长距离运输方便，现场组装便携，研究1500kV在不增加电抗器、分压器结构高度的前提下，通过优化设备结构的方法，满足在海拔4000m的外绝缘配置的要求。

（2）1500kV串谐在现场应用中应保证整体电晕放电量整体不超过10pC，且具有友好的模块化，便于长途运输和现场安装。

（3）整套装置具备良好的机械性能和电气性能，保证电抗器和分压器在极端气候条件下的运行稳定性。

（4）新设备与原有老设备的兼用性，使其在与现有设备在并联工作的形式下，具有良好的均压、均流特性。

（5）设计优化电抗器、分压器可拆分的模块化结构，且使其具备高强度的设备支撑系统，适应大风沙等恶劣天气条件。

本次研制的是无局放的试验装置，因此需要关注以下四方面技术措施：

一是解决从电源380V侧窜过来的低频电源干扰，所有电机均采用直流电机，采用直流模块调速。控制系统有独立的隔离变压器。

二是隔离阻断从电抗器本体上产生的一些干扰，在高压电抗器和耦合电容器之间增设高压隔离阻抗。换流变压器的热状态和绝缘能力对于评估状态非常重要，而非线性热电耦合的影响在设计分析中往往被忽略，并可能导致其实际性能的估计错误[5]。

三是对高压电抗器高压部分结构合理，使得内部电场分布均压其次材料方面：铜导线表面光滑无毛刺、均压材料光滑无毛刺。严格控制变压器油中的微水含量及纤维等杂质的含量。

四是对整体装置的均压环表面场强控制在14.5kV/mm。保证满足高海拔试验需要。

测控系统是采用PLC控制，测量系统如何实现抗干扰和二次系统的反击，串谐控制系统PLC为核心而研制的高效、可靠的新型控制系统。根据换流变PLC控制系统逻辑，PLC控制系统通过比较实际负载系数和实际过载能力来判断是否需发出“过负荷”信号[6]。整个控制系统大量地采用光电隔离及开关隔离技术，使PLC 的I/O始终处于全隔离的低电压工作环境中，大大提高了控制系统的安全性、可靠性。电压、电流、等模拟量的处理采用12位分辨率的高速高精度数字处理模块，运用软硬件冗余技术，具有很大的可扩展性以及强大的编程和通讯能力。

5  结语

针对特高压换流变交流外施耐压试验电压高、空间狭小、无现场专用试验装置的难题，成功研制了一套1500kV紧凑型无局放交流耐压试验装置，满足了目前最高电压等级、不同海拔、复杂自然环境条件下的现场试验需求。

（1）针对无局放的现场试验要求，研制出电抗器和分压器集成的单柱式共塔结构代替经典分体式结构，解决了电抗器与分压器电位分布不均匀的难题，节约了设备的现场组装时间，提高了试验效率。

（2）为解决单柱式结构同时升压和测量难题，基于全电流谐振分压系统测量原理，自主研发了固定电感式分压测压系统，减少了杂散电流对测量精度的影响。

（3）研发了无需拆卸运输与现场拼装的气囊式金属鳞片状均压罩，依靠充气就能达到工作状态，提高了现场安装效率。

（4）开展4000m海拔、1500kV电压下共塔结构电场分布模拟计算，优化了腰环、顶环和共塔结构的电场分布，并在2500m海拔、1650kV下试验装置现场验证，实际测量局放量不超过50pC，验证了试验装置对不同海拔的适应性。

参考文献

[1] Takasaki M ， Gibo N ， Takenaka K ， et al. Control and protection scheme of HVDC system with self‐commutated converter in system fault conditions[J]. Electrical Engineering in Japan， 2015， 132（2）：6-18.

[2] Kikuma T ， Takenaka K ， Takasaki M ， et al. Control and Protection Scheme of VSC HVDC Transmission System having the Ability to Control DC Fault Current[J]. IEEJ Transactions on Power and Energy， 2013， 133（5）：449-456.

[3] 林章岁， 张林垚. 特高压电网对福建电网安全稳定影响研究[J].电网与清洁能源， 2008（7）：19-23.

[4] 张晋华， 蒋卫平， 印永华，等. 特高压规划电网安全稳定性研究[J].中国电机工程学报， 2008， 28（22）：64-68.

[5] 卢理成，文卫兵，王庆等.±1100 kV换流变压器阀侧外施交流耐压及局部放电测量[J].高压电器，2019，55（12）：106-111.

[6] 吴传奇，陈隽，任劼帅，等.特高压换流变现场阀侧交流外施耐压及局放试验研究[J].高压电器，2019，55（8）：116-122.

[7] 康钧，曲全磊，李军，等.1500 kV高海拔试验用交流串联谐振试验系统研制[J].高压电器，2019，55（12）：120-124.

[8] Cheng C ， Fan Y ， Bing G ， et al. Investigation on the Nonlinear Thermal-Electrical Properties Coupling Performance of Converter Transformer[J]. Applied Thermal Engineering，2018， 148：846-859.

[9] 梁毅靈，牛峥.特高压直流换流变PLC控制系统“过负荷”信号逻辑分析[J].新型工业化，2020，10（1）：20-24.