±800kV换流站空心平波电抗器温升控制措施研究

检验与测试

±800kV换流站空心平波电抗器温升控制措施研究

王楠，刘成柱

(北京电力设备总厂有限公司，北京 102401)

摘 要：为改善干式空心电抗器各包封层的热点温升分布情况，对已运行的电抗器实测热点温升分布进行调研，归纳出一套用于电抗器设计的热点温升散热系数，通过建模仿真、真型电抗器试验进行验证，并将设计温升、仿真温升、试验温升进行对比分析，确定了仿真温升和试验温升的拟合度。基于散热系数对电抗器温升的预判能力，提出通过优化各层电阻分布、改善各层通风散热条件等方式改善温升分布均匀性，保证了电抗器的安全稳定运行。

关键词：±800kV特高压直流输电；平波电抗器；热点温升；散热系数

中图分类号：TM478 文献标识码：B 文章编号：1007-3175(2017)02-0047-05

Temperature Rise Control Measure Study on Air-CoreSmoothing Reactor in ±800kV Convertor Station

WANG Nan, LIU Cheng-zhu

（Beijing Power Equipment Group Co., Ltd, Beijing 󰀱02󰀴0󰀱, China）

Abstract: In order to improve the hot-spot temperature rise distribution situation of dry-type air-core reactor each package seal layer, this paper investigated and surveyed the operational reactor measured hot-spot temperature rise distribution, summarized a set of hot-spot temperature rise dissipation coefficient for reactor design. Via modeling, simulation and actual reactor test, this paper carried out contrastive analysis for design tem-perature rise, simulation temperature rise, testing temperature rise to determine the degree of fitting of simulation temperature rise and testing tem-perature rise. Based on the pre-judgment of dissipation coefficient for the reactor temperature rise, this paper presented a way to improve the spray deposition uniformity of temperature rise by the means of optimizing each layer resistance distribution and improving each layer ventilation and heat dissipation, which guarantees the safe and stable operation of reactors.

Key words: ±800kV ultra high voltage direct current; smoothing reactor; hot-spot temperature rise; dissipation coefficient

0 引言

平波电抗器的温升[1]试验是考核其热绝缘特性的重要手段，也是唯一手段，其热绝缘性能的优劣影响它的使用寿命。在实际工程中，平波电抗器设备采用耐热特性较好的绝缘材料，与设计单位提出的温升限值指标结合起来，以求得对温升限值的共识。

从国内多个特高压直流输电工程用干式空心平波电抗器设备研究和投运经验看，温升分布影响着电抗器的运行稳定性和服役寿命[2]。温升是检验干式空心类电抗器厂区稳定运行的重要设计指标之一。随着特高压直流建设的广泛应用，输送容量的一次又一次的提升，平波电抗器趋向于体积大型化、

包封层数增多、结构设计愈加复杂、造价越来越高，同时从国家电网公司、南方电网公司两个电网公司的技术要求来看，也是日趋严格和苛刻。目前国内外对特高压干式空心平波电抗器相关温升试验及数值计算方面的研究较少，因此有必要进行深入研究其温升分布特性，应从设计源头上进行技术改进，在热点温升均匀性上下功夫研发，预防局部过热引发的故障[3]，力求达到在有效控制设备成本的同时，又能满足电网公司技术要求。

1 热点温升散热系数的确定

1.1 温升影响因素

对于平波电抗器而言，运行条件较为特殊，通入平波电抗器的电流由直流电流和谐波电流组成，

作者简介：王楠(1984- )，女，工程师，硕士，从事干式空心电抗器的研发与设计工作。

󰀴7

电工电气 (20󰀱7 No.2)共同作用在电抗器上，因此在温升设计时，以直流电流为主导，既要考虑直流电流在各导线层间电流的分布情况又要兼顾谐波电流的影响。目前，国内研制并安全投运的平波电抗器，温升限值方面虽然能够满足用户方的技术要求，但尚不能做到各导线层发热相对均匀(这里要排除因为考虑谐波向内层流注原因，所以设计上在内层初始给定了设计余量)，主要原因是国内制造大型干式空心电抗器的设计和制造经验欠缺，需要一个摸索提高的过程，这也是国内承担平波电抗器生产供货厂商的重要课题。

电抗器温升的高低受制于热源强度，产生的热量越大，电抗器的温升就越高。热源受涡流损耗和电阻损耗影响，对于电阻损耗，主要来源于导线电阻和施工工艺偏差。同时，温升也与包封周围的散热条件密切联系。根据电抗器绕制结构可以清楚地了解到：对于多包封层线圈结构，包封层上部和中部比下部散热条件差、温升高，中间层包封和最内层、最外层包封层比散热条件差、温升高。了解了电抗器的发热原理和散热情况，可以对平波电抗器的发热及散热特性进行分析；同时通过电抗器的直流电流按照各层并联绕组的电导分配电流，谐波电流按照各层电感和层间互感决定电流分布。因此，

这两种状态共同决定了电抗器的温升分布。1.2 温升散热系数对温升分布的预判作用

将温升散热系数的概念进行分类，提出热点温升散热系数的概念，即参与电抗器热点温升设计的经验系数，与原有平均温升散热系数的应用情况进行对比。热点温升散热系数的提出，主要基于以下两点原因：(1)利用温度场仿真能够非常直观地看到电抗器的热点温升分布情况，如果将热点温升散热系数引入设计，将能较为准确地对电抗器热点温升进行预判。相比之下，平均温升由试验所测电阻经过计算得到，无法通过仿真直观反映。平均温升散热系数适用性，只能通过试验经验的累积逐渐改善。(2)基于平均温升散热系数给出的电抗器设计，其热点温升分布均匀性较差。温升试验得到的平均温升只是电抗器整体的温升，无法反映到每个包封层上，因此再做调整难度较大。而热点温升散热系数直观反映热点温升分布，经过一段时期一定热点温升试验数据和温度场仿真数据的积累，调整起来难度小，能够改善各层之间的热点温升分布差值。1.3 以往±800kV等级平波电抗器温升试验情况󰀴󰀸

±800kV换流站空心平波电抗器温升控制措施研究为了摸索大容量特高压干式空心平波电器的发热及温升情况，先后在云南—广东±800kV直流输电工程平波电抗器、向家坝—上海±800kV直流输电工程平波电抗器、糯扎渡—广东±800kV直流输电工程平波电抗器、锦屏—苏南±800kV直流输电工程平波电抗器、哈密南—郑州±800kV直流输电工程平波电抗器、宁东—山东±660kV直流输电工程平波电抗器等多项目、多台次平波电抗器上进行了温升试验，并与设计温升进行对比分析。统计汇总共收集129台次，如图1所示。工程数据量大，基于以上数据进行分析整理，每个工程的温升曲线图为多台平波电抗器温升曲线拟合得到，其中，灰色曲线为实测热点平均温升值，黑色曲线为等效直流设计平均温升。

10080K温升/60402001

3

5

7

9

111315171921

包封层

a)云南—广东工程

10080K60温升/402001

3

5

7

9

111315171921包封层

b)向家坝—上海工程

8060K/40温升2001

3

5

7

9

111315171921包封层

c)糯扎渡—广东工程

7060K50升/40温3020100

1357

911131517192123包封层

d)锦屏—苏南工程

±800kV换流站空心平波电抗器温升控制措施研究80K60/40温升200

2

4

6

810121416182022包封层

e)哈密南—郑州工程

注：包封层从里到外，依次为1，2，3，…

图1 国内已投运的高压直流输电工程

平波电抗器温升分布情况

同时，从平波电抗器的外形尺寸、包封厚度、导线用量、通风散热面积、防雨降噪装置等多个影响温升的因素对比分析，整理出热点温升散热系数，如表1所示。

表1 平波电抗器热点温升散热系数

包封层最内次内次外最外

包封层包封层中间层包封层包封层散热系数

1.405

1.312

1.063

1.392

1.420

根据对文中提及的多个特高压工程平波电抗器温升分布的归纳，结合电抗器线圈结构，可以看出由于最内层、最外层通风散热空间大，且均只有一侧有相邻包封层，所以即使在设计时该层损耗较大，发热量也大，电抗器热点温升依然偏低。而中间包封层由于通风条件不良，同时受到两侧相邻包封层热辐射的影响，即使损耗较小，发热量较小，但是本身产生的热量向外辐射的效果差，又有其他相邻层的烘烤，导致温升较高。

2 热点温升散热系数在工程中的应用评估

首先，依托厦门±320kV柔性直流输电项目平波电抗器实体进行仿真建模，利用电场、温度场耦合仿真得到电抗器热点温升分布，与该工程平波电抗器温升试验数据进行对比，考察仿真数据与试验数据的吻合度。然后，依托灵州—绍兴±800kV换流站用平波电抗器，将热点温升散热系数应用到电抗器温升设计中，得到电抗器线圈结构，利用该结构设计进行仿真建模，温度场仿真得到热点温升分布情况，校验热点温升散热系数在±800kV换流站空心平波电抗器上的适用性。

2.1 电抗器模型在厦门柔性直流输电项目中的应用

首先，以±320kV厦门柔性直流输电[4]用干

电工电气 (20󰀱7 No.2)

式空心平波电抗器为基础，建立仿真模型。模型建立时，为了更准确反映电抗器真实性，均按实际将每一个包封层都分别建模，以求后期计算仿真结果更接近实际情况。利用温度场仿真得到热点温升分布，将它与电抗器温升试验中的热点温升数据进行对比，考察仿真温升数据和试验温升数据的吻合度。

温度场[5-6]建模完成后，经过仿真计算，收敛后，得到温度场仿真结果。仿真中，将环境温度设定为30℃，扣除环境温度后，直接呈现温升分布。根据仿真结果可以看出，电抗器为一个轴对称结构，因此温升情况成对称分布，最热点温度集中在电抗器上端，同时中间包封层相对于内、外包封层温升较高。建模中建立了绕组模型，未添加端环部分，因此绕组高度有微小差别。在实际电抗器产品中此部分由不同高度的端环找齐，每个包封层高度均相

同。经过仿真，得到了热点温升分布，如表2所示。

表2 厦门工程平波电抗器热点温升仿真数据

包封层

热点温升/K包封层热点温升/K140.7654.3246.6752.1352.6852.6452.3950.55

51.5

10

42.3

对厦门柔性直流输电工程的平波电抗器进行温升试验，将测温光栅埋设于各包封层内壁距离上部端环90mm的位置，通过光栅得到各层热点温升分布情况。测温光栅埋设位置与仿真得到的各层最热点位置基本处于同一水平高度带上，可认为测得的温升数据基本能够反映电抗器最热点数据，实际温升试验得到的电抗器各层热点温升如表3所示。

表3 厦门工程平波电抗器热点温升实测数据

包封层热点温升/K包封层热点温升/K1

45.9660.7249.7756.0358.1859.3458.8947.15

54.3

10

43.5

环境温度设定为30℃时，平波电抗器各包封层热点温升仿真值、试验值对比如图2所示。根据厦门柔性直流输电工程平波电抗器设计，通过建模仿真、真型试验两组温升数据进行分析对比，可知仿真值与试验值吻合度较高，因此可认为在试验结果未知的设计阶段，仿真温升分布可用于预判电抗器实际温升分布。

󰀴󰀹

电工电气 (20󰀱7 No.2)

706050K40温升/302010012345678910包封层

—仿真温升 -实测温升

图2 厦门工程平波电抗器仿真和实测热点温升对比

2.2 热点温升散热系数在灵州—绍兴工程中的应用

基于在厦门柔性直流输电项目中平波电抗器的建模经验，为检验热点温升散热系数在±800kV工程中的应用效果，选取了灵州—绍兴±800kV换流站平波电抗器进行建模仿真，对比通过热点温升散热系数得到的设计温升与仿真温升的对比情况。通过建模仿真得到的电抗器各层热点温度，扣除环境温度的影响，得到温升分布情况，如表4所示。

表4 灵州—绍兴工程平波电抗器热点温升仿真数据

包封层热点温升/K包封层热点温升/K137.11448.5242.81547.9343.71648.8445.01749.5544.31850.4645.11953.7746.42052.9845.72153.0947.52251.61052.32349.81153.52447.31252.825

37.9

13

50.5

利用平波电抗器设计软件，将已经成型的平波电抗器本体线圈结构设计，应用热点温升散热系数，得到设计阶段热点温升分布情况，设计数据如表5所示。

表5 灵州—绍兴工程平波电抗器热点温升设计数据

包封层热点温升/K包封层热点温升/K140.71452.1247.31552.0348.71652.8449.81753.2547.51853.0648.61955.5749.42056.7850.42158.5950.22256.71057.32355.01156.52452.31255.725

41.4

13

53.6

󰀵0

±800kV换流站空心平波电抗器温升控制措施研究从平波电抗器温度分布情况可得：灵州—绍兴工程平波电抗器绕组包封层后，热源多，但是最热点分布的轴向位置与厦门柔性直流输电工程基本相似，均在电抗器上部，最热点温升分布于中间包封层偏外的位置，且热量由电抗器本体向上扩散。

将两组热点温升数据，利用柱状图进行直观数据对比，如图3所示。

7060K5040温升/3020100

135791113151719212325包封层

—仿真温升 -实测温升

图3 灵州—绍兴工程平波电抗器热点温升对比

由柱形图可以直观地看到：

(1)设计温升普遍比仿真温升高，差值偏差不超过10%，即(设计温升-仿真温升)/设计温升＜10%。

(2)仿真数据中最高热点温升为53.7K(第19层)，设计数据中最高热点温升为58.5K(第21层)，分布位置相似。

热点温升散热系数是依据实测热点温升数据归纳得到，温升试验时已将谐波电流对温升的影响考虑进去，而建模仿真时只考虑了直流电流对电抗器的温升影响，因此相比而言，基于热点温升散热系数得到的设计温升对电抗器实测值比仿真数据有更为准确的温升预判能力，更接近实际情况。

3 热点温升改进措施

热点温升的改进在改善平波电抗器服役环境、延长使用寿命、确保其核心参数等方面具有非常重要的意义。根据文中阐述的对平波电抗器发热机理的研究和热点温升分布情况的分析，结合大量数据整理出的热点温升散热系数和生产实际，提出以下三个均匀温升的措施，供大家参考。

1)优化电抗器直流电阻分布。从仿真和试验结果可以看出，干式空心平波电抗器结构特点为多层并联导线绕包结构，各包封层之间由一定宽度的玻璃钢材质的通风条隔开，线圈中空，电抗器为空气自冷模式。这样的结构特点决定了最内和最外包

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封层的绕组散热条件良好，中间层散热条件较差，由于每一个导线层均为热源，且向上向外辐射，因此最热点温升出现在中间偏外的包封层位置，且线圈上部明显较线圈下部温升高。基于上述原因，可以从设计入手，人为调整绕线结构，将内、外层导线加多，提高该层损耗，增大其发热量，中间层位置减少绕组，降低损耗，减少发热量，缓解中间损耗带来的温升压力。内外层虽然发热量大但通风散热条件好，中间层通风散热条件差但好在发热量少，均衡下来，各层热点温升差值将被缩小。

2)改善通风散热条件。在热源一定的情况下，发热量无法改变，可以通过改善通风散热条件，从而达到均匀热点温升的目的。对于电抗器各包封层不同的散热情况，可以考虑给予不同包封层采用不同的散热间隙来处理。根据热点温升散热系数分布情况，在各包封层之间铺设通风条时采用不同宽度，通风散热条件好的，采用窄型通风条，通风散热条件差的，在保证通风条不倒条的前提下，适当增加通风条的宽度，留给中间包封层相对较大的散热空间。如果散热条件需要进一步改善，可以考虑在中间包封层底部加装风冷装置，强迫降温，从而达到均匀内外包封层温升的效果。

3)改进设备主材。目前特高压用干式空心电抗器主材为多股换位铝绞线，每股导线包绕绝缘层，绞合后再次包绕绝缘层，各股导线之间为空气绝缘。绕制过程中，导线层内外均包绕绝缘层，且厚度较大，一定程度上影响铝导线发热体本身的通风散热。可以考虑用其他导电能力好，强度适中的主材代替铝导线，可能带来电抗器发展的新的重大突破。

全稳定运行的重要主导因素。

经过已投运的±800kV直流输电工程中的干式空心平波电抗器温升试验数据整理和分析，提出了用于指导电抗器设计的热点温升散热系数，依托厦门柔性直流输电工程用平波电抗器进行设计，并通过建模仿真、真型试验等手段，将设计温升、仿真温升、试验温升进行对比分析，确定了仿真温升和试验温升的拟合度。然后，将热点温升散热系数应用于灵州—绍兴特高压直流输电工程用平波电抗器设计中，通过设计温升和仿真温升的数据对比，验证热点温升散热系数在±800kV换流站空心平波电抗器设计中的适用性。在此温升预判的基础上，提出了改善平波电抗器各导线包封层热点温升差值的办法：通过采用更小横截面积、更多股数的换位导线进行设备优化设计，从而达到更为理想的热点温升分布，保证电抗器的安全稳定运行。通过优化包封层间通风散热条件，进一步改善其通风散热效果，降低设备温升。

参考文献

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[6] 刘永志，李岩，井永腾.基于Fluent软件的电

力变压器温度计算与分析[J].高压电器，2012，48(10)：6-11.

收稿日期：2016-09-19

4 结语

在电网发展新形势下，特高压直流输电在输电网络中承接越来越重要的作用，平波电抗器作为换流站三大关键主设备之一，热点温升分布是设备安

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