（中国南方电网超高压输电公司广州局 广东省广州市 510405）
摘要：特高压直流电抗器作为特高压直流输电工程主设备，由于容量比常规电抗器大，线圈、中性轮毂、过渡支座、汇流排及底部支座板等金属构件发热远远大于常规电抗器，需要采用针对性的措施抑制过热，保证特高压直流电抗器温升在规定要求的范围内。
关键词：特高压直流；电抗器；温升；过热抑制
Research on overheating restraint measures for metal structure of UHVDC reactor
Lai Hao,Yin Haitao,Li Jingxiang
(Guangzhou Bureau, CSG EHV Power Transmission Company, Guangzhou 510405,Guangdong Province, China)
ABSTRACT: As the main equipment of UHVDC transmission project，the capacity of UHVDC reactor is larger than conventional reactor.Due to the reasons of metal components such as coils, neutral hubs, transition bearings, manifolds and bottom support plates generate far more heat than conventional reactors,it’s necessary to adopt targeted measures to suppress the overheating and ensure the temperature rise of the UHVDC reactor within the prescribed range.
Key Words：UHVDC；Reactor；Temperature Rise；Overheat Suppression.
0前言
特高压直流电抗器是特高压直流输电工程的主设备之一，以平波电抗器为例，能够有效降低换相失败率、限制逆变侧过电流、平滑和滤除直流系统中的纹波和谐波以及保持低功率时直流电流不间断[1]。温升对电抗器稳定运行的影响是国内外重点关注和研究的问题，温升过高直接导致电抗器烧毁的现象在电网内频繁出现。由于特高压直流电抗器容量大、谐波电流高的特点，特高压直流电抗器若采用常规电抗器的结构设计，将难以使温升在合理的范围内[2]。
本文结合特高压直流电抗器的技术特点，分析电抗器线圈、中性轮毂、过渡支座、汇流排及底部支座板过热机理，并提出针对性的抑制措施，为后续的特高压直流电抗器设计提供借鉴。
1电抗器线圈过热
1.1电抗器等效电路
与交流电抗器类似，特高压直流电抗器是由多个同轴绕组包封并联组成，每层包封由若干匝数及层数的并联线圈绕制而成，包绕环氧树脂及玻璃纤维，用撑条支撑[3]。平波电抗器各层包封在电气上为并联连接，其等效电路模型如图1所示。L1、L2、L3、…、Ln是每层包封的自感；M1，2、M1，3、M1，4、…等是各层包封之间的互感；R1、R2、…、Rn为每层包封自身的电阻[4]。
图1 特高压直流电抗器的等效电路
平波电抗器的等效电路方程式如下：
（1）
式中：w为角频率；Ii为通过每层绕组的电流；UL是电抗器的电压降，由于各个包封是并联结构，所以每一个包封上的电压降均等于UL。
1.2特高压直流电抗器线圈过热抑制的难点
由电抗器的等效电路可知，直流电流和交流电流在各包封层电流分布完全不同，直流电流按照各层并联绕组的电导分配电流，而交流包括谐波电流则是按照各层电感和层间互感决定电流分布[5]。如果将一台温升分布均匀的交流电抗器用于直流系统，通过纯粹的直流电流，那么该电抗器将由于电流分布的变异而出现温升分布的变异，出现里侧和外侧数层绕组温升偏低、而中间绕组温升明显偏高的规律。同理，如果将一台温升分布均匀的直流电抗器用于交流系统，也会出现温升分布不均匀的情况，因此，绝不能简单地用单独的交流电抗器设计软件或者直流电抗器的软件直接确定电抗器各层绕组的匝数。
1.3电抗器线圈过热抑制方案
在特高压直流电抗器设计时，首先选用直径比较小的单股导线，可以大幅度降低交流电流产生的涡流损耗[6]。其次，基于等温等压法，先初步计算满足交流电流分布的电抗器线圈结构，然后验证直流电抗器分布情况[7]。如果个别的包封层出现过热现象，则调整各别包封层的中间变量，从而调整各包封层线圈的匝数，然后验证交流温升分布情况，如果个别的包封层在交流条件下出现过热现象，则继续调整各别包封层的中间变量，从而调整各包封层线圈的匝数，然后验证直流温升分布情况，如此反复迭代的过程，最终确定特高压直流电抗器各包封层的匝数、高度、内径以及外径等。
图2 特高压直流电抗器电抗器各包封层温升情况
如图2所示，经过反复迭代处理后的电抗器结构，可以同时满足直流电流下、交流条件下以及直流加谐波条件下的温升要求。
2电抗器中心轮毂过热抑制
2.1特高压直流电抗器中性轮毂过热的问题
如表1所示，将特高压直流电抗器与常规小容量电抗器产品进行对比可以看出，如果采用常规结构，80.6Mvar的电抗器中心轮毂仅为57K，在合理范围之内，不需要进行更改；而特高压直流电抗器容量约126Mvar，若同样采用常规的结构其中心轮毂将达到143K，严重威胁电抗器稳定运行。因此，若特高压直流电抗器采用常规的中心轮毂结构，将不能满足电抗器的安全运行要求。
表1 特高压直流电抗器与常规电抗器对比
2.2中性轮毂过热抑制方案
线圈的金属端架处于很强的交变磁场中，为了避免过热问题，轮毂结构设计采用开口型式，杜绝轮毂处的环流，减小局部损耗，避免局部过热，通过仿真分析计算，采用开口的中心轮毂温升仅68.5K，轮毂如图2所示。
3电抗器过渡支座、汇流排过热抑制
3.1过渡支座、汇流排过热的问题
由于特高压直流电抗器容量很大，运行过程产生的磁场远远大于常规电抗器[8]。若特高压直流电抗器采用常规结构过渡支座，即使采用无磁钢过渡支座温度也会高达305℃，如图3所示。
图2开口式环型轮毂 图3过渡支座、汇流排过热问题
此类大容量电抗器，若不采取有效措施，汇流排温度也会超过200℃。
3.2过渡支座过热抑制方案
如图4所示，电抗器磁力线主要穿过过渡支座垂直于吊臂的平面。因此，保证过渡支座足够机械强度的基础上，尽量减小与吊臂垂直平面的面积，从而实现降低损耗控制温度过热的目的。
图4 过渡支座磁力线的方向
新型过渡支座围绕线圈中心线依次摆放在线圈的下部，有豁口的一面分布在与线圈磁力线垂直的一面，此种结构在电抗器正常工作过程中涡流损耗主要发生在过渡支座的底部。同时，由于远离线圈过渡支座底部处的磁力线密度要远小于其上部的磁力线密度，此种结构的设计能够控制其温升在要求的范围内。
图5 新型过渡支座仿真模型与其损耗分布云图
3.3汇流排过热抑制方案
特高压电抗器在正常工作过程中，出线臂的发热问题最严重，引起出线臂发热的主要来源主要有两个方面：第一，电流流过出线臂时引起的传导性损耗发热；第二，出线臂处于电抗器磁场中而导致的涡流损耗发热。为了降低出线臂产生的传导性损耗，设计时采用254*10mm厚的铝质汇流排同时贴10mm厚不锈钢板的结构，在考虑传导性损耗和涡流损耗的前提下，通过仿真分析计算，吊臂的温升约为80K左右，损耗分布云图如图6所示。
此种结构的优点主要有两个方面，第一，254*10mm汇流排完全能够满足100Hz阻塞滤波器电抗器的通流要求，同时由于汇流母排的厚度为10mm厚，小于常规电抗器的19mm厚，在磁场环境中能够有效的减小涡流损耗的产生。由于不锈钢板是良好的非磁性材料，其在磁场环境中产生的损耗较小，同时它还起到了增加汇流排机械强度的目的[9]。
4电抗器底部支座板过热抑制
4.1特高压直流电抗器支座板发热的问题
电抗器在运行时，安装在其下侧的金属支撑件产生涡电流，涡电流在金属结构件中产生涡流损耗，最终引起底部支座板温度的上升[10]。如图7所示，通过仿真分析可以发现，支座板上损耗主要分布在支座板的筋板位置处。
图6汇流排仿真模型及损耗分布云图
图7底部支座板仿真模型及涡流损耗分布
4.2底部支座板过热抑制
由于特高压直流电抗器漏磁的磁力线垂直穿过支座板筋板。因此，在保证支座板足够机械强度的基础上，适当的减小筋板的面积能够有效的减小支座板在电抗器正常工作过程中产生的损耗，从而实现降低其温升的目的。
图8支座板优化结构
5结语
特高压直流电抗器的结构形式决定了运行时周围将产生比较强烈的磁场，对于一定区域范围内的金属闭合环路将产生一定数值的环流，处于变化磁场内的导体也会产生涡流。环流和涡流的存在使损耗增加，同时也改变了电抗器磁场的分布，并对电抗器的参数造成一定程度的影响。本文对特高压直流电抗器金属构件过热问题进行分析，并提出针对性的抑制措施，为后续的特高压直流电抗器设计提供借鉴。
参考文献
[1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004.阮新波,王学华等.LCL型逆变器的控制技术[M].北京：科学出版社,2015.
[2]郭香福，郝文光，章忠国，等.特高压干式空心平波电抗器的耐热性能与温升限值[J].变压器，2009，46(4)：47-51.
[3]张月华，刘成柱，张猛，等.±1100kV特高压干式平波电抗器支撑结构研究[J].变压器，2015，52(6)：24-32.
[4]刘志刚，王建华，耿英三，等.干式空心电抗器磁场与电感的计算分析[J].高压电器，2003，39(3):7-11.
[5]烜齐，刘轩东，杨昊，等.匝间绝缘故障对干式空心电抗器电感参数影响的仿真研究[J].高压电器，2015，51(10)：117-121.
[6]孟波，马骁，王海涛，等.干式空心滤波电抗器的温升及试验分析[J].变压器，2013，50(8)：33-36.
[7]安利强，王璋奇，唐贵基.干式电抗器三维温度场有限元分析与温升实验[J].华北电力大学学报，2002，29(3)：75-78.
[8]乐波，张燕秉，郑劲，等.±800kV直流干式平波电抗器的技术规范[J].高电压技术，2006，32(12)：170⁃173.
[9]罗宁.浅析特高压换流站平波电抗器选型[J].中国新技术新产品，2011,（7）:146-147.
[10]徐林峰.一起干式空心串联电抗器的故障分析[J].电力电容器与无功补偿，2008，29（2）：50-54.
论文作者:赖皓,尹海涛,李靖翔
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/27
标签：电抗器论文; 支座论文; 特高压论文; 电流论文; 轮毂论文; 线圈论文; 涡流论文; 《电力设备》2018年第23期论文;