特高压直流换流站阀厅金具研制

2015-05-15张爱芳常林晶李俊辉杨国华徐健涛温铭丽

机电工程技术 2015年7期

张爱芳，常林晶，李俊辉，杨国华，徐健涛，温铭丽

（平高集团有限公司，河南平顶山 467000）

0 引言

换流站中换流变压器与平波电抗器一般布置在阀厅外，通过换流变阀侧套管和直流穿墙套管与阀厅相连，上述两种套管从阀厅外倾斜一定角度穿过阀厅墙壁插入阀厅[1-4]，然后通过金具与其他设备相连，设备与设备、设备与管母之间呈空间布置，存在连接角度复杂的特点，因此阀厅连接金具较线路金具的结构更加复杂与多样。如何进行阀厅金具的设计，实现换流阀塔与换流变阀侧套管、换流阀塔与直流穿墙套管以及其他设备之间的连接，就成为换流站阀厅工程设计上必须重点考虑的问题。

1 阀厅金具的安装位置

阀厅中的主要设备有换流阀塔、避雷器、电流/电压测量装置、接地刀闸等，这些设备通过软导线或者管母线相连，软导线或者管母线与设备的接线端子之间需要用阀厅金具进行连接，所以阀厅金具布置在阀厅中各个设备端子连接处以及管母线与软导线的连接节点处，阀厅金具连接布置图如图1所示。

图中1为上下换流单元六脉动桥中点避雷器；2为连接管母线；3为管母连接金具；4为换流阀阀塔；5为换流变压器阀侧套管；6为直流穿墙套管；T1～T12为换流变压器阀侧套管的金具接口。

图1 阀厅金具安装布置示意图

换流阀阀塔之间通过管母线连接形成一整套换流设备，换流阀阀塔交流侧通过管母线与换流变压器套管的Y接套管和D接套管相连接；换流阀阀塔直流侧通过管母线与直流穿墙套管相连接，阀厅金具则是连接上述部位的桥梁和纽带，它的质量好坏直接影响着阀厅内各类设备的运行安危。

2 阀厅金具的技术要求

直流特高压换流站阀厅金具的设计主要有以下技术要求[5-8]：载流量及温升、电晕及无线电干扰水平、机械强度可靠性、外形以及金具连接形式的要求等。

2.1 载流量及温升要求

根据各个节点处的载流量和允许的温升限值来选择合适的通流结构和通流截面。阀厅内通常要求保持环境温度为+5℃～+45℃，建议运行时阀厅金具表面的最高温升控制在40 k以下。

2.2 防电晕特性及无线电干扰水平要求

阀厅金具的防电晕特性与金具安装位置的工作电压、自身结构以及屏蔽措施有关。当金具自身的防电晕特性无法满足使用要求时，采用屏蔽措施达到防电晕的目的。建议直流特高压阀厅金具的无线电干扰水平控制在1 000μV以下。

2.3 机械强度要求

设计时考虑管母及金具的自重，阀厅环境温度变化时管母及设备的伸缩应力，地震等苛刻情况下摆动所造成的冲击力，以及短路时发生的电动冲击力等。

2.4 外形要求

在满足机械强度和载流量要求的条件下应尽可能小巧，特别是需要加装屏蔽球或屏蔽环的位置，金具的尺寸大小直接影响安装在它外面的屏蔽球或屏蔽环的设计尺寸，从而影响整个阀厅布置时各点的电气距离。

2.5 连接形式要求

根据具体安装位置是否有位移和角度要求、安装形式是悬吊或是支撑，管母线是固定、滑动还是有角度摆动，屏蔽结构是屏蔽环还是屏蔽球，屏蔽球的开孔方式是加工时开孔还是现场开孔等因素设计不同的金具结构。管母线的连接一般采用一端固定另一端滑动的连接形式。

3 阀厅金具设计举例

本文依据溪洛渡左岸--浙江金华±800 kV特高压直流工程金华换流站高端阀厅的金具输入条件进行阀厅金具设计，直流极线额定电压±800 kV，额定电流5 000 A，1.05倍过负荷工况下，IVDC=5 900 A，IVY=4 800 A，IVD=2 800 A。下文仅以换流变套管、直流穿墙套管接口处的金具以及悬吊和支撑管母线连接金具为例进行介绍。

3.1 换流变套管连接金具

换流变套管连接金具根据连接功能的要求[9-13]，具有二通和三通连接金具两种结构形式，从而能够实现换流变阀侧套管在阀厅中的Y接和D接要求以及换流变套管与换流阀塔的连接要求。换流变套管连接金具的技术要求有：（1）传输电流载荷；（2）不产生可见电晕，采用的屏蔽结构不能削弱换流变套管端部原有的电场屏蔽效果；（3）满足位置安装、角度及位移调节、机械支撑强度的要求。

根据换流变套管连接金具一端连接换流变套管的接线端子，另一端或两端与管母线端部相连接的特点，结合上述技术要求设计了两种换流变套管连接金具，即换流变套管二通连接金具和换流变套管三通连接金具，如图2和图3所示。二通金具和三通金具采用通用的模块化设计：一是载流模块设计，换流变套管接线端子和管母端部均采用铝合金铸件抱夹结构，中间部位采用纯铝绞线与两端的抱夹焊接，既可以满足通流的要求同时也兼顾了换流变套管接线端子与管母线之间位移调节和角度调节的要求，换流变套管连接金具的设计电流建议参考文献[14]；二是防护金具模块设计，采用两半屏蔽球壳对扣结构，具有表面电场均匀，电场强度低，占用空间小的特点，屏蔽球表面电场的计算和控制建议参考文献[15-17]；三是机械支撑连接模块，由于换流变套管的长度较长，接线端子能够承担的机械负荷有限，因此不能把连接管母的重量全部施加在接线端子上，而要合理分配接线端子所能承受的机械负荷。换流变套管接线端子和连接管母线的空间位置在安装过程中存在位移偏差和角度偏差，机械连接部分需要能够有效的进行调节，故在铝绞线两端的铝合金抱夹间设置了万向节和滑块，以适应设备间的位移和角度调节。图1中T2、T4、T6～T9、T11、T12为二通连接金具，T1、T3、T5、T10为三通连接金具。

图2 换流变套管二通金具

3.2 直流穿墙套管连接金具

图3 换流变套管三通金具

图4 直流穿墙套管连接金具

如图4所示，直流穿墙套管连接金具根据连接需要应为二通连接金具，它的技术要求与换流变套管连接金具类似，有所不同的是，直流穿墙套管与管母线连接时的空间略为狭窄，金具承载的电流为极线电流，2小时过负荷电流达到5 900 A，通流容量较大，普通软导线安装困难，因此用铜导电带进行载流。为了不破坏穿墙套管端部屏蔽罩的屏蔽效果，在管母线上安装了屏蔽球，从而将金具的载流部分和机械连接部分均屏蔽在球体内部，起到了防电晕的效果。

3.3 管母线悬吊连接金具和管母线支撑连接金具

阀厅内的管母线连接金具不仅用来实现换流变阀侧套管的Y接和D接要求，还用于上阀塔及阀塔联结出线用，设备间接口连接复杂，形式多样。除了换流变套管连接金具和直流穿墙套管连接金具外，还有作为管母线分段、转向、支撑作用的悬吊式二通管母金具和支撑式二通管母金具。图5所示为悬吊式二通管母金具，图6所示为支撑式二通管母金具。上述两种金具的技术要求与换流变套管连接金具类似，不同的是上述两种金具均有一个独立的支撑点，采用悬垂绝缘子串悬挂或采用支柱绝缘子支撑，从管母线的整体布置来考虑，为了适应管母线安装的位移偏差及温度变化时热胀冷缩的影响，管母线两端的金具通常采用一个固定端一个滑动端，以适应安装及运行过程中的位移变化。同时，为了改善金具的电场屏蔽效果，连接节点处也加装了屏蔽球金具。

图5 悬吊式二通管母金具

图6 支撑式二通管母金具

4 试验

为验证研制的阀厅金具的结构和性能，根据阀厅金具设计的技术要求，选取有代表性的二通、三通金具等进行了型式试验[18-21]，试验项目有温升试验、电晕及无线电干扰试验以及机械强度试验。

4.1 温升试验

试验在户内进行，环境温度为21°C～25°C，满足环境温度＋10°C～＋45°C的要求，风速小于0.5 m/s，焊接软导线采用6根JL-1120纯铝绞线，试验电流为5 900 A，电流频率50 Hz，技术要求温升限值最高不超过40 K。温升试验接线图如图7、图8所示。试验稳定后测试点的最高温升均出现在中间铝绞线上，二通连接金具最高温升38 K，三通最高温度36 K，试验结果达到了预定的设计要求。

图7 二通金具温升试验

图8 三通金具温升试验

4.2 电晕及无线电干扰试验

额定电压±800 kV，屏蔽球直径ϕ1 600，按照GB2317.2电晕及无线电干扰试验方法，将样机放置在绝缘支柱上，金具两端连接两根长3 m的管母，其中一根管母端部安装一个屏蔽球，另一端接高压线，被试品对地高度为8.4 m。布置图如图9所示。

图9 二通金具电晕及无线电干扰试验

试验时大气压P=101.2 kPa，干温td=24.5°C，湿温tw=20°C，可见电晕(电晕熄灭电压）试验结果如表1所示。

表1 可见电晕(电晕熄灭电压）试验结果

被试品在1.25倍额定电压下无可见电晕，达到了设计时的要求。

1 MHz环境下的无线电干扰电压试验结果如表2所示。

表2 无线电干扰电压RIV试验结果

由表中数据可知，在要求的电压试验中，样机的正极性无线电干扰值远大于负极性下的无线电干扰值，但都远小于1 000，满足技术条件规定的无线电干扰水平值。

4.3 机械试验

根据GB2317.1规定，对管母线固定金具应进行抗弯强度试验，试验过程如图10所示，样机承受拉力6 000 N，保持一分钟后，试件无变形，达到设计技术要求。管母线伸缩节进行疲劳试验，如图11所示，母线伸缩节伸缩50 mm，往返1 000次，往返频率50次/h，试验后伸缩节及焊缝表面无损伤，达到设计技术要求。

5 结语

图10 管母线固定金具抗弯试验

本文根据直流特高压换流站阀厅金具安装的位置，提出了阀厅金具设计的技术要求，即金具必须满足使用位置处的载流量及温升限制的要求、防电晕及无线电干扰的要求、机械强度要求、外形及连接形式的要求。重点举例介绍了换流变套管连接金具、直流穿墙套管连接金具以及管母线悬吊连接金具和管母线支撑连接金具。根据产品的使用要求对阀厅中二通、三通金具做了电晕及无线电干扰试验、温升试验，对管母固定金具做了机械强度抗弯试验，对管母线伸缩节进行了机械疲劳试验，由试验结果可以看出，所研制的金具能够满足换流站阀厅的使用要求。目前，研制的换流站阀厅金具已经应用于溪洛渡-浙江±800 kV特高压输电工程项目金华换流站中，产品运行性能良好，可靠稳定。