集装箱式大容量直流融冰装置的设计及过热分析

潘国洪

集装箱式大容量直流融冰装置的设计及过热分析

潘国洪

（中国南方电网超高压输电公司，广州 510000）

对于大容量直流融冰系统，其整流阀及控制保护柜普遍固定安装于阀厅建筑内。为了节省占地面积、缩短建设周期，本文对大容量整流器及其控制保护柜、阀冷在集装箱内的布置进行研究，提出集装箱式融冰装置阀组设计、温控及防水、防火及阻燃、抗震、运维便利性等方面的具体设计方案。整流变和集装箱在零功率试验时出现过热问题，谐波是导致整流变过热的根本原因，涡流是导致集装箱局部过热的根本原因。针对整流变过热提出加厚磁屏蔽、重新绕制网侧绕组并增加单独调压绕组的改进措施，针对集装箱局部过热提出更换无磁不锈钢材料、阻断闭合磁路的改进措施。结果表明，该集装箱式大容量直流融冰装置的设计完全可行，这为已建成换流站的优化升级奠定了理论基础。

集装箱式；大容量；直流融冰装置；过热；谐波；涡流

0 引言

输电线路覆冰会带来一系列问题，如杆塔倒塌、导线断裂、光纤复合架空地线（optical fiber composite ground wire, OPGW）断裂及通信中断、导地线安全距离缩小等，不仅直接影响电网的安全稳定运行，还间接影响国民生产和生活，因此需要除冰[1-4]。对于大容量直流融冰系统，其整流器及控制保护柜普遍安装在阀厅建筑内[5]。某换流站地处滇西北地区，为有效应对冬季低温、冰冻等极端天气对交流线路的影响，需在该换流站内新加装1套交流导地线融冰装置（电流5 000A、电压15kV）；该换流站前期已建有1套直流地线融冰装置（电流1 800A、电压35kV），但其整流器及控制保护柜安装在阀厅建筑内。为了节省占地面积、加快建设进度，本文对集装箱式大容量直流融冰装置进行研究，同时对站内已有融冰装置的集装箱式改造进行研究，这对已建成换流站或变电站后期加装大容量直流融冰装置至关重要。

1 设计

1.1 融冰装置在集装箱内的布置

新增1套75MW交流导地线融冰装置，改造1套63MW直流地线融冰装置，都为世界上容量最大的集装箱式融冰装置，技术特点鲜明[6-7]。为了保证电气设备在集装箱内的运行可靠性及集装箱大件运输的便利性，单个集装箱的尺寸被控制在12 000mm× 3 500mm×3 200mm（长×宽×高），一次、辅助及二次设备分别布置在不同的集装箱内。一次设备集装箱内布置阀组、电抗器、CT、PT、避雷器等设备；二次设备集装箱内左侧布置控制保护屏柜、右侧布置水冷系统，中间用隔层隔开。交流导地线融冰装置主设备布置示意图如图1所示，直流地线融冰装置主设备的布置类似。

图1 交流导地线融冰装置主设备布置示意图

装箱内的二次线缆布置在集装箱顶部，但不采用顶部悬吊的方式，而是将槽盒集成在集装箱内壁上，顺着箱体内壁顶端环绕，组成一个封闭的槽盒，在集装箱电缆出口转向下部，通过电缆沟进入另一个集装箱。此设计的优点是：①线槽与集装箱壁集成为一体，不占用其他空间，并增加了与设备间的电气距离；②线槽沿集装箱上部边缘敷设，避免了因漏水产生的线缆潮湿问题；③外部通过电缆沟走线，可防止雨淋浸泡等。

1.2 阀组设计

难点：阀组件级数越多，阀组整体稳定性就越差，特别是在地震晃动情况下易发生倒塌。另外，每增加一级晶闸管，需同时增加一个散热器，导致整个阀组的高度增加、集装箱整体运输难度增大。

新增的75MW交流导地线融冰阀组采用立式阀塔布置，共6组阀塔，每组阀塔上下布置2个换流阀。阀组选用5 200A/5 200V晶闸管，单阀18只晶闸管，单阀外形尺寸为840mm×754mm×2 380mm （长×宽×高）。

改造的原63MW直流地线融冰阀组拆除后返回原设备厂家重新组装，采用卧式布置，共4组阀塔，每组阀塔3层，每层布置1个阀组件（包含13片1 900A/6 500V晶闸管及附属设备）、1台阳极电抗器。

1.3 温控及防水

为隔绝箱体外部热量、便于箱内的温度控制，箱壁从外向内分为三层：金属板、保温层和铝塑板。保温层材料为岩棉，能防火。每个集装箱都配置工业空调，用于温度控制并使室内保持微正压；另外配有除湿机，防止凝露对设备造成影响。

箱体本身采用全密闭设计。顶部采用斜顶式结构设计，雨水会通过倾斜面汇入两侧的排水沟，再通过排水沟排到集装箱外，避免平顶引起的积水问题。在门四周加装密封条，并在门上方设置防雨沿，保护密封胶条顶部不受雨水的直接冲刷。

1.4 防火与阻燃

集装箱顶部装有温度、湿度传感器及烟雾报警器，可实时监控箱内情况。箱内配备手动报警按钮及灭火器。箱体除水管、线缆、套管外无其他外部接口，接口位置处都使用防火泥封堵。

集装箱设置有独立的排烟系统，由安装在集装箱上部的排烟风机进行排烟。排烟风机进风口处安装有排烟防火阀，该排烟防火阀平时呈关闭状态，在确认火被扑灭且不能复燃时，手动打开排烟防火阀和排烟风机进行排烟。在排烟过程中，烟温若超过280℃，排烟防火阀将熔断关闭，并输出信号联锁关闭排烟风机。

1.5 箱体抗震设计

经仿真，集装箱在震动过程中，箱体中部易发生变形，导致内部设备受损；强化箱体中部结构，选用轻质高强度型材（如Q235方管）等作为箱体结构框架材料；箱体墙壁选用瓦楞板。

集装箱内阀组、互感器等设备采用支撑式安装，高度较高。在阀组顶部设置吊耳，该吊耳用于吊装阀组，可承受阀组全部重量且不会出现偏心。二次屏柜顶部通过L形支撑与集装箱壁固定，集装箱发生震动或产生水平方向加速度时，该固定点可有效防止柜体侧翻。

1.6 交流滤波器的设计

为保证谐波电压畸变率满足GB/T 14549要求、同时不影响换流站内原有500kV交流滤波器的运行，融冰系统需配置交流滤波器[8]。考虑到冬季交流系统具有较强的提供容性无功的能力，融冰时可对其加以利用，因此配置1组45Mvar交流滤波器。

交流滤波器及融冰装置接入同一35kV母线，该母线上带有其他站内负荷。为不影响站内其他设备的供电，若融冰过程中交流滤波器出现故障，则需停运融冰装置；若因覆冰严重急需融冰，则须将该母线上的负载倒换后方可继续融冰。

1.7 运维便利性

为了方便运行维护，一次设备集装箱内，阀组与电抗器之间设有733mm宽的检修通道，阀组晶闸管、电容、电阻均可在检修通道更换[9]；电抗器与CT相对的集装箱壁设有可开门，用叉车可将设备移出。

二次屏柜集装箱内，屏柜设计为旋转式，面对面布置的两行屏柜之间设有2m的检修通道。水冷本体距离两侧箱壁均大于500mm，泵、去离子罐的维护空间充足。水冷本体可从右侧大门整体移出。

此外，集装箱顶部设计为可拆卸式，所有设备均可从集装箱顶部吊出维护。

1.8 其他设计

1）集装箱的安装

集装箱与基础焊接，避免螺栓松动导致集装箱产生位移。

2）防腐防老化设计

箱体采用专用耐腐蚀热连轧钢板焊接而成，箱体表面采用底漆+中间漆+面漆的喷涂工艺，底漆采用防腐蚀性较好的环氧富锌，中间漆采用环氧云铁，再用抗紫外线、耐久性强的高耐候性聚酯面漆处理表面。

2 过热问题及分析

2.1 集装箱局部过热问题

1）问题描述

交流导地线融冰系统在零功率试验升流过程中出现集装箱局部发热，电流升至4 000A，运行45min后，集装箱穿墙套管安装位置四周温度超过120℃。现场红外实测设备发热情况如图2所示。

图2 实测设备发热情况

2）原因分析

发热主要集中在集装箱侧壁固定穿墙套管的框架区域，该框架为非无磁不锈钢板材质，在穿墙套管通过大电流时，四周的固定框架产生涡流而发热。此外，由于部分电流通过接地线引流，导致接地线发热破坏绝缘表皮。

3）改进措施

穿墙套管固定位置：将三相固定框架更换为无磁不锈钢材质，同时将固定框架设计为长方形并横向开缝，开缝后垫绝缘垫板（环氧材质），整改示意图如图3所示。

集装箱外墙面：将A、B、C三相套管间的外侧箱壁横向切缝，中间填充不锈钢组件。组件由两个L形不锈钢材质角钢和一块环氧板组成，三者通过不锈钢螺栓连接，两块L形不锈钢角钢之间有10mm的间隙。为防止L形不锈钢角钢焊接过程中温度过高、烫坏环氧板，先将L形不锈钢角钢与外壁进行满焊，再安装环氧板，集装箱外壁整改示意图如图4所示。

图3 整改示意图

图4 集装箱外壁整改示意图

强度：集装箱强度由内部骨架决定，整改措施不会破坏集装箱内部骨架，故集装箱整体强度不会发生较大变化。集装箱外壁在生产过程中通过满焊方式拼接，该方案中L形不锈钢角钢与集装箱外壁同样通过满焊拼接，焊接强度与外壁相同。同时，在集装箱切槽前使用不锈钢角钢加固切槽区域，避免外壁拱起或凹陷。通过参数对比和计算，采用20mm环氧板的总体强度大于原2mm的Q235外壁。

接地：沿集装箱内壁下侧敷设一圈接地镀锌扁钢，镀锌扁钢通过支柱绝缘子与集装箱内壁绝缘并牵引至集装箱外的主地网预留接地点。

4）处理效果

整改后，融冰装置开展了满负载5 000A的大电流试验，设备运行正常，该区域的最高温度为88℃。

2.2 整流变过热问题

1）问题描述

直流地线融冰系统开展零功率试验，1 800A持续运行1h后，整流变油面温度达到63.74℃，绕组温度达到80.6℃，外壳局部热点温度达到90.5℃，当时的环境温度为2.2℃，温升异常偏高。

2）原因分析

整流变的调压方式采用高压绕组中部调压结构，此结构的缺点是在整流变运行时不工作的绕组部分产生较大横向漏磁，造成较大的横向涡流损耗，在谐波对涡流损耗和横向漏磁的放大作用下造成箱壁过热、温升过高。

3）处理措施

针对现场工况，对该整流变进行以下改造：加厚磁屏蔽，磁屏蔽厚度由15mm增加为20mm；增加器身首末端导油孔；更改网侧绕组结构，重新绕制网侧绕组，增加单独调压绕组，更换无励磁分接开关。

4）处理效果

整改后，直流地线融冰装置开展了满负载1 800A的大电流试验，设备运行正常，该整流变最高温度为绕组温度74℃。

3 结论

本文提出了一种大容量集装箱式直流融冰装置的设计方案，介绍了大容量阀组等设备在集装箱内的集成布置，以及便于大件运输的集装箱尺寸控制，系统地给出了集装箱融冰装置防火、温控及防水、抗震等方面的解决方案，提出了保障集装箱经久耐用及便于集装箱内电气设备运维的措施。零功率试验及实际融冰效果都验证了该设计的可行性。

大容量融冰整流变的设计制造要考虑实际运行工况下的谐波影响，避免因谐波损耗叠加而过热；集装箱式融冰装置的设计制造要考虑实际运行工况下穿墙套管产生的涡流及其闭合磁路，避免因涡流损耗而过热。

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Design and overheat analysis of container-type large capacity DC de-icer

PAN Guohong

(China Southern Power Grid Extra High Voltage Company, Guangzhou 510000)

For large capacity DC de-icing system, the rectifier and control cabinet are built in a valve hall generally. In order to save the occupied area and the construction period, this paper has a study for the rectifier and control cabinet, valve cooling system layout in the container. This paper proposes a design ofr converter, temperature control, waterproof, flame retardant, anti-seismic, operation and maintenance convenience for the container-type DC de-icer. The converter transformer and container have overheat faults during zero power test. Harmonic is the root cause for converter transformer overheat, and eddy current is the root cause for container overheat. Measures like thickening magnetic shield, rewinding the line side winding and adding a voltage regulating winding for converter transformer, replacement of non-magnetic stainless steel material and cut closed magnetic circuit for container are given to solve the overheat faults. It is found that the design of container-type large capacity DC de-icer is completely feasible, which lays a theoretical foundation for the operation converter station optimization and upgrading.

container-type; large capacity; DC de-icer; overheat; harmonic; eddy current

2022-07-01

2022-09-07

潘国洪（1982—），男，广东省广州市人，本科，高级工程师，主要从事超高压、特高压直流输电工程的技术管理工作。