工頻加熱裝置在鄭州±800 kV換流站的應(yīng)用

賀磊，楊燦，楊萬里

(湖南電力建設(shè)監(jiān)理咨詢有限責(zé)任公司，湖南長沙410002)

工頻加熱裝置在鄭州±800 kV換流站的應(yīng)用

賀磊，楊燦，楊萬里

(湖南電力建設(shè)監(jiān)理咨詢有限責(zé)任公司，湖南長沙410002)

對(duì)油加熱裝置、工頻加熱裝置原理、組成及接線進(jìn)行系統(tǒng)的介紹，理論計(jì)算和不同加熱方式的分析對(duì)比結(jié)果顯示:工頻加熱裝置能取得較好的補(bǔ)償效果，且能大大縮短加熱時(shí)間，為換流站加熱方式提供了新思路。

±800 kV；特高壓；換流站；工頻加熱；熱油循環(huán)；加熱

鄭州±800 kV換流站是國家 “十二五”期間實(shí)現(xiàn) “疆電外送”戰(zhàn)略的首個(gè)特高壓直流建設(shè)項(xiàng)目的逆變站，該工程有換流變28臺(tái) (含4臺(tái)備用換流變)，其中高端換流變施工集中在11月至12月間。施工期間正值隆冬，鄭州平均氣溫低于0℃，最低溫度達(dá)到－14℃，基于此條件下進(jìn)行換流變熱油循環(huán)，熱量損失較快，難以將絕緣油加熱至產(chǎn)品技術(shù)文件要求的溫度。為了確保在此環(huán)境下高效地完成換流變安裝，采用工頻短路加熱裝置用于熱油循環(huán)，對(duì)縮短高端換流變的安裝時(shí)間，確保工程按期投產(chǎn)，可起到一定的作用。

1 油加熱裝置介紹

熱油循環(huán)是變壓器安裝工序中的重要組成部分，而油加熱是熱油循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要目的是利用高溫變壓器油對(duì)變壓器中的絕緣材料進(jìn)行加熱，使得絕緣材料中的水分變成水蒸汽，溶解在油中，再經(jīng)過對(duì)油的循環(huán)過濾，利用真空濾油機(jī)將水分排除掉。目前國內(nèi)變壓器加熱裝置為濾油機(jī)自帶加熱，采用優(yōu)質(zhì)U形全不銹鋼電加熱器，具有發(fā)熱快、熱轉(zhuǎn)換效率高、單位面積受熱溫度小、加熱器受熱均勻等優(yōu)點(diǎn)，能有效防止油品老化，杜絕氫氣、乙炔氣體的產(chǎn)生。但是當(dāng)變壓器所需油量上百噸時(shí)，環(huán)境溫度較低，加熱所需的時(shí)間較長，不利于進(jìn)度控制，基于此問題，采用工頻短路加熱原理，制造油加熱裝置對(duì)本體直接加熱，縮短油加熱過程所需時(shí)間。

2 工頻短路加熱裝置原理

工頻短路加熱法是將變壓器閥側(cè)繞組短路，從網(wǎng)側(cè)施加交流電壓。利用變壓器的負(fù)載損耗，使繞組發(fā)熱，從而加快油箱內(nèi)油溫升高的進(jìn)度，其加熱功率可由調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)交流輸入電壓來改變。短路法加熱裝置由調(diào)壓器、中間變壓器、補(bǔ)償電容器組和相應(yīng)的測量系統(tǒng)、控制和保護(hù)系統(tǒng)等組成。其原理圖如圖1所示〔6－7〕。

圖1 短路法加熱原理圖

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要組成部件

3.1 系統(tǒng)接線圖

變壓器工頻電流短路法加熱裝置系統(tǒng)接線見圖2，其中虛線框內(nèi)為短路法加熱裝置主要設(shè)備。

圖2 系統(tǒng)接線圖

3.2 主要部件

1)調(diào)壓器:該調(diào)壓器通過變頻器驅(qū)動(dòng)調(diào)壓電機(jī)調(diào)壓，有遠(yuǎn)程電動(dòng)操作和就地手動(dòng)操作2種調(diào)壓方式。因設(shè)備電位高 (10 kV)，基于安全性考慮，決定采用遠(yuǎn)程電動(dòng)調(diào)壓方式，手動(dòng)調(diào)壓僅作后備調(diào)壓之用。設(shè)有調(diào)壓上、下限位保護(hù)。

2)中間變壓器:通過調(diào)節(jié)該變壓器的無載分接開關(guān)，可以使高壓繞組輸出實(shí)際需要的電壓，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率最大化。

3)補(bǔ)償電容器:提供運(yùn)行過程中補(bǔ)償容量。

4)電容分壓器:用于實(shí)時(shí)監(jiān)測施加到被加熱換流變上的加熱電壓數(shù)值，并為功率及相關(guān)測量提供電壓幅值、相位及保護(hù)信號(hào)。

5)10 kV開關(guān)柜:投、切10 kV主電源。

6)380 V配電柜:就地取380 V電源，向換流變冷卻裝置供電，控制冷卻裝置的起停。

7)溫度傳感器:采集換流變、絕緣油等溫度參數(shù)。

8)控制柜:遠(yuǎn)程控制、電流電壓、功率、油溫等實(shí)時(shí)監(jiān)測。

9)各類10 kV，380 V動(dòng)力電纜〔6〕。

3.3 理論計(jì)算

以極2高端Y/D C相換流變?yōu)槔M(jìn)行介紹，其中換流變的參考資料見表1。

表1 Y/D C相換流變技術(shù)參考資料

變壓器熱油循環(huán)最佳溫度在50～60℃之間，取最高的60℃為參考，雖然變壓器注油時(shí)采用的也是濾油機(jī)，本體溫度在10℃左右，但是由于環(huán)境溫度太低，導(dǎo)致注完油以后，其本體溫度也接近環(huán)境溫度。以本體溫度0℃為例，為了確保變壓器的穩(wěn)定性，要求網(wǎng)側(cè)電流不超過額定的80%，故網(wǎng)側(cè)電流不超過993 A不考慮變壓器加熱過程中熱量的損耗，所需熱量為:

式中 C為絕緣油比熱容；m為油重；Δt為溫差(即加熱后的溫度與加熱前溫度之差)。

根據(jù)現(xiàn)場需求，以加熱3 h為例，所需的功率為:

考慮到加熱過程中的損耗，以變壓器所需加熱功率P為300 kW計(jì)算，由網(wǎng)側(cè)加熱，閥側(cè)短路，則中間變壓器高壓繞組的輸出電壓為Uh。已知換流變短路阻抗uk為0.19，負(fù)載損耗Pk為980 kW，網(wǎng)側(cè)額定相電壓Unp為303.11 kV，則換流變壓器需要的輸入電壓為:

通過調(diào)節(jié)中間變壓器的無載分接開關(guān)，使中間變壓器高壓繞組的額定電壓Uh為40 kV，接近換流變需要的輸入電壓，從而使中間變壓器輸出較大的功率。

以上已計(jì)算出變壓器所需要的輸入電壓U，已知換流變的額定容量Sn，網(wǎng)側(cè)額定相電壓Unp，則補(bǔ)償容量為:

補(bǔ)償容量的選擇:

1)電容器組的串聯(lián)臺(tái)數(shù)，電容器利用率和電壓利用率

由輸入電壓除以單臺(tái)電容器的額定電壓得:

31.86 /6.25＝5.09(臺(tái))。

為提高電壓利用率，每組電容器選5臺(tái)串聯(lián)，則電容器利用率Kc＝5/8＝0.625。

電壓利用率Ku＝31.86/(5×6.25)＝1.01952。

2)容量折算系數(shù)k和每組補(bǔ)償容量

容量折算系數(shù) k＝KcK2u＝0.625×1.019522＝0.65。

11組電容器 (每組5臺(tái)串聯(lián))的補(bǔ)償容量為:

將計(jì)算容量Q0除以最大一組電容容量可得: 21898/2600＝8.422

可知，首先選擇接入8組5臺(tái)800 kVar電容器串聯(lián)的電容器組:

此時(shí)，欠補(bǔ)償為:

同理，再選擇接入1組由5臺(tái)200 kVar電容器串聯(lián)的電容器組，Q2＝650 kVar，此時(shí)，欠補(bǔ)償為1098－650＝448(kVar)。

故再選擇接入1組5臺(tái)100 kVar電容器串聯(lián)的電容器組，Q3＝325 kVar，則最大剩余無功為:Qr＝Q0－Q1－Q2－Q3＝21898－20800－650－325＝123 (kVar)(欠補(bǔ))。

此時(shí)，對(duì)電容器進(jìn)行匹配可使補(bǔ)償效果達(dá)到理想效果〔1－5〕。

4 實(shí)施過程

4.1 準(zhǔn)備階段

1)積極組織研發(fā)單位，廠家和施工單位對(duì)工頻加熱裝置應(yīng)用方案進(jìn)行研討，確定其可行性，為保證不對(duì)換流變?cè)斐蓳p害，明確短路電流不超過換流變網(wǎng)側(cè)額定電流的80%，即短路電流不超過993 A。

2)審查施工單位的工頻加熱裝置施工方案，確保在應(yīng)用過程中能做到安全、可靠。首先需要確認(rèn)的是電源問題，該加熱器所需要施加的電壓為10 kV，而本站10 kV高壓配電室到換流變廣場的距離是200 m，為了確保施工安全，要求施工單位將10 kV電纜從電纜溝敷設(shè)，并對(duì)敷設(shè)的高壓電纜進(jìn)行絕緣電阻測試；委托運(yùn)行單位對(duì)該回路10 kV斷路器保護(hù)根據(jù)廠家設(shè)備的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行臨時(shí)定值整定；在需要加熱時(shí)由施工單位開票，運(yùn)行單位進(jìn)行送電操作。在加熱裝置使用前，換流變已注完油，同時(shí)施工單位對(duì)變壓器的絕緣性能進(jìn)行測試，以確認(rèn)變壓器的基本絕緣完好。監(jiān)理工程師協(xié)同施工單位及廠家對(duì)加熱裝置試驗(yàn)接線是否正確，換流變閥側(cè)套管是否牢固短接，油加熱裝置及換流變本體外殼是否可靠接地，換流變CT二次接線是否已短路接地等進(jìn)行一一確認(rèn)。最后再次確認(rèn)安全隔離、安全距離是否達(dá)到要求 (變壓器加熱所需要的電壓為31.86 kV)。

4.2 實(shí)施階段

換流變油加熱過程:實(shí)時(shí)監(jiān)視換流變上層油溫值；在50%及以下加熱試驗(yàn)電流的持續(xù)時(shí)間，主要驗(yàn)證加熱裝置正常，50%加熱電流持續(xù)15 min后，可根據(jù)現(xiàn)場換流變溫度上升情況，自行調(diào)節(jié)加熱電流到0～993 A的任一合適值；在換流變上層油溫超過50℃時(shí)，溫度上升速度應(yīng)控制在8～10℃/h以下；換流變上層油溫加熱目標(biāo)值為 65± 5℃。

換流變加熱過程示意圖如圖3示。

圖3 變壓器工頻電流短路法加熱裝置升流過程

4.3 實(shí)施結(jié)果

為了便于對(duì)油加熱裝置進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，除對(duì)使用了油加熱裝置的極2高端Y/D C相變壓器加熱過程進(jìn)行記錄，對(duì)現(xiàn)場采用1臺(tái)濾油裝置的極1高端Y/D C相換流變以及對(duì)現(xiàn)場采用2臺(tái)濾油機(jī)并聯(lián)加熱的極2高端Y/D A相換流變的油溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄 (現(xiàn)場環(huán)流溫度－8～6℃)，見表2。

表2 加熱過程油溫實(shí)測數(shù)據(jù)

表2中數(shù)據(jù)顯示，采用工頻加熱裝置的加熱方式相比于其他2種加熱方式，對(duì)變壓器的加熱時(shí)間最短，加熱效果最好。

5 結(jié)語

工頻加熱裝置不僅能夠取得較好的補(bǔ)償效果，而且能大大縮短加熱時(shí)間，豐富了換流站換流變壓器加熱方式類型，可供換流變壓器加熱工作時(shí)參考。

〔1〕唐治中，張松林，葛志煜.大型電力變壓器溫升試驗(yàn)電容補(bǔ)償法 〔J〕.實(shí)驗(yàn)技術(shù)管理，1995:12(2):53-55.

〔2〕文凱成，凌愍，王瑞珍，等.大型變壓器溫升試驗(yàn)油中溶氣分析數(shù)據(jù)的調(diào)查和分析 〔J〕.變壓器，2004，41(6):36-38.

〔3〕楊治業(yè)，王立群，杜建嵩，等.油浸式電力變壓器的溫升試驗(yàn)及計(jì)算方法 〔J〕.變壓器，2001，38(6):15-17.

〔4〕海峰，武占軍，印秉義，等.基短路干燥法現(xiàn)場處理大型變壓器嚴(yán)重受潮的實(shí)例 〔J〕.科技傳播，2012，10.

〔5〕 張宜倜.變壓器溫升計(jì)算原理分析 〔J〕.變壓器，2009，46 (9):6-10.

〔6〕湖南省送變電工程公司.鄭州換流站電氣B包變壓器油加熱裝置現(xiàn)場使用安全技術(shù)方案 〔R〕.2013.

〔7〕蘇州華電電氣股份有限公司.變壓器工頻電流短路法加熱裝置使用說明書 〔S〕.2013.

Application of power frequency heating device in Zhengzhou ±800 kV converter station

HE Lei1，YANG Can2，YANG Wanli2

(Hunan Power Construction Supervision＆Consultancy Co.Ltd.，Changsha 410002，China)

Firstly，the oil heating device systems is introduced and compared in this paper.Then the principle，composition and factory wiring of the power frequency heating device is presented.The comparison results of theoretical calculation and different heating methods show that the power frequency heating device can obtain better compensation effects，and cut down the heating time.

±800 kV；UHV；converter station；frequency heating；hot oil circulation；heating

TM89

B

1008-0198(2015)05-0042-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.05.012

賀磊(1988)，男，本科，助理工程師，主要從事輸變電工程建設(shè)電氣監(jiān)理工作。

2014-12-10 改回日期:2015-04-09