高壓直流換流閥陽(yáng)極電抗器缺陷分析

鄒延生，唐金昆，梁寧，王振，肖凱

(南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510000)

相比于常規(guī)交流輸電，高壓直流輸電單回線路傳輸容量大，其可靠性關(guān)乎著整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-9]。陽(yáng)極電抗器是高壓直流換流閥中的關(guān)鍵設(shè)備，其串聯(lián)在高壓直流輸電晶閘管回路上，限制晶閘管開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程中的沖擊電流，起到保護(hù)晶閘管的作用[10-12]。但由于沒(méi)有冗余配置，一旦其發(fā)生故障，將會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)停電，威脅直流輸電的可靠性和整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

早期陽(yáng)極電抗器與換流閥均由國(guó)外廠家進(jìn)口，近年來(lái)國(guó)內(nèi)亦有制造[13-14]，對(duì)其特性也開(kāi)展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[15]研究了陽(yáng)極電抗器鐵心損耗；文獻(xiàn)[16]仿真分析了電抗器產(chǎn)生振動(dòng)的原因，計(jì)算出電磁力和振動(dòng)位移，提出減振優(yōu)化方案；文獻(xiàn)[17]研究了飽和電抗器的耐壓特性；文獻(xiàn)[18]研究了陽(yáng)極電抗器的建模和仿真；文獻(xiàn)[19]研究了陽(yáng)極電抗器的散熱模型。然而以上文獻(xiàn)均是基于理論對(duì)陽(yáng)極電抗器進(jìn)行研究，對(duì)于工程實(shí)際中陽(yáng)極電抗器長(zhǎng)期運(yùn)行暴露出的故障和設(shè)計(jì)缺陷研究甚少。

針對(duì)一起實(shí)際工程運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的陽(yáng)極電抗器缺陷，本文開(kāi)展缺陷原因分析。該陽(yáng)極電抗器已運(yùn)行超15年，為國(guó)外原裝進(jìn)口。由于國(guó)外廠家技術(shù)封鎖，對(duì)于該陽(yáng)極電抗器的詳細(xì)技術(shù)信息和相關(guān)參數(shù)特性了解較少。為查找該陽(yáng)極電抗器產(chǎn)生缺陷的原因，本文從陽(yáng)極電抗器結(jié)構(gòu)和原理、參數(shù)對(duì)比測(cè)試以及解體檢查等方面深入分析，得出陽(yáng)極電抗器滲漏水的直接原因和根本原因，并提出針對(duì)性的整改措施和運(yùn)維建議。

1 陽(yáng)極電抗器原理和作用分析

1.1 陽(yáng)極電抗器原理

發(fā)生故障的陽(yáng)極電抗器屬于鐵心夾緊式，采用去離子水循環(huán)冷卻，有1個(gè)矩形鐵心、2個(gè)繞組和1個(gè)二次電阻，其繞組和二次電阻繞在矩形磁性鐵心的2個(gè)鐵心柱上，如圖1所示，主回路繞組和二次電阻均內(nèi)部流通去離子水進(jìn)行冷卻。鐵心采用超薄取向硅鋼片粘連而成，并且裸露在空氣中，繞組為鋁制且繞組之間采用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行絕緣。

圖1 陽(yáng)極電抗器結(jié)構(gòu)和實(shí)物

陽(yáng)極電抗器的電氣原理如圖2所示。主回路通過(guò)若干匝繞組繞在2個(gè)鐵心上，并串聯(lián)起來(lái)，二次回路為1個(gè)水冷電阻繞在鐵心上。該二次電阻作用是：①抑制電抗器的高頻振蕩，降低鐵心的雜散損耗；②晶閘管開(kāi)通時(shí)，起到阻尼作用，吸收能量。

圖2 西門子陽(yáng)極電抗器原理

換流閥運(yùn)行依靠陽(yáng)極電抗器的di/dt抑制性能，下面對(duì)該特性因素進(jìn)行分析。為模型簡(jiǎn)化，不考慮漏磁通的影響(即經(jīng)過(guò)氣隙的所有磁通均流過(guò)鐵心)，磁動(dòng)勢(shì)F=Ni與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系為：

F=Ni=HFel1+Hgl2；

(1)

B=μH.

(2)

將式(2)帶入式(1)求導(dǎo)得

(3)

式(1)—(3)中：N為繞組匝數(shù)；i為一次側(cè)繞組電流；l1為鐵心平均長(zhǎng)度；l2為氣隙長(zhǎng)度；B為磁通密度；μ為磁導(dǎo)率；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；下標(biāo)Fe和g分別表示鐵心和氣隙。

此外，磁通量Φ與磁通密度的關(guān)系為

Φ=AB.

(4)

式中A為面積。

將式(4)帶入式(3)得

(5)

制作鐵心的硅鋼片磁導(dǎo)率μFe約為空氣磁導(dǎo)率μg的8 000至10 000倍，因此式(5)括號(hào)內(nèi)第1項(xiàng)式可以忽略，簡(jiǎn)化得

(6)

電感值的計(jì)算公式為

(7)

聯(lián)立式(6)和式(7)，可推導(dǎo)出陽(yáng)極電抗器電感

(8)

由式(6)、式(8)可知，陽(yáng)極電抗器的di/dt抑制性能、電感值與鐵心面積AFe、一次繞組匝數(shù)N、氣隙長(zhǎng)度l2有關(guān)。

1.2 陽(yáng)極電抗器的作用分析

高壓直流輸電換流閥基本組成單元為閥組件，若干個(gè)晶閘管與2臺(tái)陽(yáng)極電抗器串聯(lián)，再與1個(gè)均壓電容并聯(lián)構(gòu)成1個(gè)閥單元，2個(gè)閥單元構(gòu)成1個(gè)閥組件。陽(yáng)極電抗器主要有以下2個(gè)方面的作用：

a)限制晶閘管開(kāi)通瞬間的電流上升率。換流閥開(kāi)通暫態(tài)過(guò)程中，晶閘管的導(dǎo)通開(kāi)始于門極附近，導(dǎo)通面積需要一定時(shí)間逐漸擴(kuò)展。如果在晶閘管導(dǎo)通面積還沒(méi)擴(kuò)散情況下流過(guò)相當(dāng)大的電流，由此造成的晶閘管局部溫度升高可能導(dǎo)致器件損壞。因此在換流閥開(kāi)通瞬間為了保護(hù)晶閘管，配置陽(yáng)極電抗器抑制電流快速上升。通常要求飽和前時(shí)間大于2 μs，飽和前di/dt小于300 A/μs，飽和后di/dt小于2 700 A/μs。

b)限制晶閘管關(guān)斷瞬間的電流變化率。換流閥在關(guān)斷過(guò)程中，由于電荷具有存儲(chǔ)效應(yīng)，晶閘管電流在正向過(guò)零后不會(huì)立即恢復(fù)阻斷，而是繼續(xù)有反向電流流過(guò)。如果反向恢復(fù)電流di/dt過(guò)大，晶閘管存儲(chǔ)的電荷較多，導(dǎo)致關(guān)斷期間的反向過(guò)電壓過(guò)高。因此，陽(yáng)極電抗器在一定程度上能夠降低晶閘管的反向恢復(fù)期的過(guò)電壓。當(dāng)然，反向恢復(fù)期的過(guò)電壓限制主要是靠阻尼回路起作用。

2 陽(yáng)極電抗器參數(shù)測(cè)試

為了分析陽(yáng)極電抗器部分硅鋼片脫落和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行對(duì)陽(yáng)極電抗器電氣參數(shù)的影響，選取備品陽(yáng)極電抗器、硅鋼片脫落陽(yáng)極電抗器以及投運(yùn)14年的陽(yáng)極電抗器分別開(kāi)展電感量測(cè)試，并進(jìn)行對(duì)比分析。陽(yáng)極電抗器的等效電路圖如圖3所示，包含雜散電容、繞組直流電阻、主電感、漏電感以及等效電阻，本次測(cè)試的陽(yáng)極電抗器的總電感量L為漏電感LS和主電感LH之和。

圖3 陽(yáng)極電抗器等效電路

2.1 測(cè)試原理

采用調(diào)壓器加壓的方法測(cè)量陽(yáng)極電抗器的電感，其原理如圖4所示。

圖4 采用調(diào)壓器加壓法測(cè)量陽(yáng)極電抗器電感

調(diào)壓器升壓輸出電壓至陽(yáng)極電抗器兩端，通過(guò)安捷倫數(shù)字多用表測(cè)量陽(yáng)極電抗器兩端電壓U，通過(guò)鉗形電流表測(cè)量流過(guò)的電流I，忽略雜散電容、繞組直流電阻以及等效電阻，則陽(yáng)極電抗器的電感量

(9)

式中f為測(cè)量電壓頻率。

2.2 電感值測(cè)試結(jié)果

采用2.1節(jié)所述測(cè)量方法分別測(cè)試備品陽(yáng)極電抗器、硅鋼片脫落陽(yáng)極電抗器以及投運(yùn)14年陽(yáng)極電抗器的電感值。由于國(guó)外廠家的技術(shù)封鎖，陽(yáng)極電抗器銘牌上所標(biāo)電感值的測(cè)試條件未知，因此選擇測(cè)量電流為5 A、10 A、20 A分別測(cè)試，進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 電感值測(cè)試結(jié)果

從測(cè)量結(jié)果可知，在0～20 A的工頻測(cè)試電流下，3臺(tái)陽(yáng)極電抗器的電感值測(cè)量結(jié)果隨著測(cè)試電流的增大而增大。在20 A測(cè)試電流下，硅鋼片脫落陽(yáng)極電抗器電感測(cè)試值與銘牌值偏差為-3.1%，投運(yùn)14年的正常陽(yáng)極電抗器電感測(cè)試值與銘牌值偏差為0.5%，備品陽(yáng)極電抗器電感測(cè)試值與銘牌值偏差為-1.3%。3臺(tái)陽(yáng)極電抗器相比，硅鋼片脫落陽(yáng)極電抗器電感值最小，投運(yùn)14年的正常陽(yáng)極電抗器最大，但相比于銘牌值均在±5%范圍內(nèi)。陽(yáng)極電抗器硅鋼片有1 000層左右，測(cè)量結(jié)果表明陽(yáng)極電抗器鐵心硅鋼片脫落使鐵心面積減小，進(jìn)而測(cè)量的電感值偏小，但在-5%范圍內(nèi)，少量的硅鋼片(20層以內(nèi))脫落對(duì)電感值影響不大。

3 陽(yáng)極電抗器失效原因分析

3.1 解體檢查

現(xiàn)場(chǎng)停電對(duì)發(fā)生滲漏水的陽(yáng)極電抗器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)二次水冷電阻的繞組處搭接1個(gè)金屬片，該金屬片銹蝕無(wú)光澤(如圖5所示)，漏水點(diǎn)位于金屬片與二次水冷電阻搭接處，并且該位置有放電痕跡。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)該金屬片為陽(yáng)極電抗器硅鋼片的一部分，脫落的硅鋼片約20層，在運(yùn)行中發(fā)生脫落搭接到二次水冷電阻的金屬材質(zhì)水管上。

圖5 陽(yáng)極電抗器檢查情況

對(duì)陽(yáng)極電抗器進(jìn)行解體檢查，拆開(kāi)陽(yáng)極電抗器的鐵心，發(fā)現(xiàn)2個(gè)“C”型鐵心之間氣隙處的硅鋼片存在銹蝕現(xiàn)象(如圖6所示)。該氣隙處硅鋼片直接裸露在空氣中，無(wú)外絕緣材質(zhì)包裹，下方水冷電阻處發(fā)現(xiàn)的硅鋼片來(lái)自此處。在換流閥運(yùn)行過(guò)程中，陽(yáng)極電抗器存在振動(dòng)，氣隙處裸露的硅鋼片長(zhǎng)期振動(dòng)，掉落到陽(yáng)極電抗器下方底座上，并搭接到二次水冷電阻繞組上，導(dǎo)致放電擊穿冷卻水管而漏水。

圖6 陽(yáng)極電抗器解體檢查情況

3.2 缺陷直接原因分析

根據(jù)陽(yáng)極電抗器二次水冷電阻繞組放電機(jī)理分析漏水缺陷原因。圖7所示為陽(yáng)極電抗器內(nèi)部電氣接線圖，2個(gè)一次繞組串聯(lián)連接，二次繞組串聯(lián)1個(gè)水冷電阻，電阻內(nèi)部通水冷卻，水管為金屬材質(zhì)，同時(shí)起電氣連接作用。當(dāng)換流閥開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中，一次繞組中存在電壓和電流變化，陽(yáng)極電抗器二次回路中也將感應(yīng)出來(lái)電壓和電流。

圖7 陽(yáng)極電抗器二次電阻放電回路

水冷二次電阻位于金屬邊框上方附近，一旦水冷二次電阻通過(guò)金屬物(如鐵釘)與邊框搭接后(如圖7所示)，一次繞組和二次繞組存在放電通路，由于一次回路和二次回路存在電壓差，將會(huì)在搭接點(diǎn)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，多次放電將導(dǎo)致二次電阻外殼被放電擊穿，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部冷卻水滲漏。

3.3 缺陷根本原因分析

由3.2節(jié)所述解體檢查發(fā)現(xiàn)脫落硅鋼片存在銹蝕現(xiàn)象，對(duì)硅鋼片的銹蝕機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的分析。硅鋼片中主要含有鐵元素Fe、硅元素Si、少量碳元素C以及其他元素雜質(zhì)。硅鋼片長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中會(huì)發(fā)生化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

3.3.1 化學(xué)腐蝕

金屬與接觸到的干燥氣體(如O2、Cl2、SO2)或非電解質(zhì)液體(石油)等直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕稱為化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕的特點(diǎn)有：①金屬越活潑，越易被腐蝕；②金屬所處的環(huán)境溫度越高，腐蝕速率越快；③氧化劑濃度越大，腐蝕速率越快。

由于陽(yáng)極電抗器運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生磁感應(yīng)變化，鐵心因渦流反應(yīng)發(fā)熱，陽(yáng)極電抗器中含有的鐵元素遇到空氣中的O2，在熱量V的作用下，會(huì)加速如下化學(xué)反應(yīng)，生成Fe2O3，導(dǎo)致鐵元素被化學(xué)腐蝕。

(10)

3.3.2 電化學(xué)腐蝕

金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬失去電子而被氧化的腐蝕叫做電化學(xué)腐蝕。負(fù)極金屬失去電子被氧化，空氣中不可避免地含有水分，長(zhǎng)期運(yùn)行中硅鋼片表面吸附了一層薄薄的水膜，水膜中溶解有來(lái)自大氣中的CO2、SO2、H2S等氣體。由于存在這些氣體，水膜含有一定量的正離子，即H+。

(11)

H2O=H++OH-.

(12)

這樣，鐵心表面形成了一層電解質(zhì)溶液的薄膜，它跟鐵心里的鐵和少量碳構(gòu)成無(wú)數(shù)微小的原電池，如圖8所示。

圖8 電化學(xué)腐蝕過(guò)程

若水膜呈酸性，則發(fā)生析氫腐蝕，鐵作為負(fù)極發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)式為

Fe-2e=Fe2+，

(13)

碳作為正極發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)式為

2H++2e-=H2↑ ，

(14)

總反應(yīng)為

Fe+2H+=Fe2++H2↑.

(15)

若水膜酸性很弱或呈中性，則發(fā)生吸氧腐蝕，鐵作為負(fù)極發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)式為

2Fe-4e=2Fe2+，

(16)

碳作為正極發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)式為

2H2O+O2+4e-=4OH-，

(17)

總反應(yīng)為

2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2.

(18)

進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)

(19)

通常情況下2種腐蝕同時(shí)存在，但是以吸氧腐蝕為主。

由上述分析可知，導(dǎo)致硅鋼片生銹的主要原因是空氣中的O2和H2O。換流閥在運(yùn)行過(guò)程中，陽(yáng)極電抗器鐵心因渦流損耗而發(fā)熱，硅鋼片中的鐵元素與空氣中的O2在熱量的作用下，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化鐵(鐵銹)。此外，若環(huán)境潮濕則會(huì)發(fā)生鐵元素與H2O和O2的反應(yīng)，進(jìn)一步加劇鐵銹生成，導(dǎo)致硅鋼片強(qiáng)度嚴(yán)重下降，并在長(zhǎng)期運(yùn)行振動(dòng)的影響作用下斷裂脫落。

4 整改措施

由第2章的陽(yáng)極電抗器參數(shù)測(cè)試可知，陽(yáng)極電抗器少量的硅鋼片脫落對(duì)電感值影響不大(在-5%范圍內(nèi))，滿足對(duì)晶閘管保護(hù)的要求。但是硅鋼片脫落的另一個(gè)后果是與陽(yáng)極電抗器底部的二次電阻金屬水管搭接放電，導(dǎo)致內(nèi)漏水。為了避免該影響，提出采用一種將橡膠材料涂覆在水冷二次電阻表面這一短期措施，避免二次電阻金屬水管放電擊穿漏水導(dǎo)致直流停運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)過(guò)資料檢索和調(diào)研，發(fā)現(xiàn)704硅橡膠可滿足要求。704硅橡膠耐溫范圍為-60～+250 ℃，擊穿強(qiáng)度為15 kV/mm，具有良好的耐溫度特性和電絕緣特性。閥內(nèi)冷水溫度范圍為5～70 ℃，二次電阻運(yùn)行電壓在10 kV以內(nèi)。并且704硅橡膠粘接性好，高強(qiáng)度，無(wú)腐蝕，滿足對(duì)陽(yáng)極電抗器二次電阻金屬水管的絕緣保護(hù)要求。

704硅橡膠的涂覆步驟如下：①使用無(wú)毛布清潔二次電阻和所連金屬水管表面的灰塵；②將704硅橡膠均勻擠到二次電阻和所連金屬水管表面，使用硬毛刷輕輕刷平，使其厚度保持在2～3 mm。

此外，為避免陽(yáng)極電抗器硅鋼片發(fā)生電化學(xué)腐蝕或減緩其腐蝕進(jìn)程，需嚴(yán)格控制換流閥濕度，使其任何時(shí)間都保持在60%以下。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某±500 kV換流站發(fā)生的一起陽(yáng)極電抗器滲漏水缺陷開(kāi)展原因分析，得到如下結(jié)論：

a)少量鐵心硅鋼片脫落會(huì)使陽(yáng)極電抗器的電感值測(cè)量偏小，但在要求范圍內(nèi)，不影響對(duì)晶閘管的保護(hù)功能。

b)陽(yáng)極電抗器滲漏水直接原因是陽(yáng)極電抗器脫落的硅鋼片在二次電阻金屬水管和金屬邊框之間形成通路，多次放電導(dǎo)致金屬水管擊穿漏水。

c)陽(yáng)極電抗器滲漏水的根本原因是鐵心硅鋼片的腐蝕、斷裂脫落，即鐵心硅鋼片發(fā)生化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，硅鋼片之間粘連性減弱，進(jìn)而在運(yùn)行振動(dòng)下脫落至二次電阻金屬水管。

對(duì)于使用采用此類型陽(yáng)極電抗器的換流閥，建議采?。憾唐诖胧陉?yáng)極電抗器二次金屬水管上涂覆704硅橡膠，涂敷厚度為2～3 mm，且嚴(yán)格控制閥廳濕度在60%以內(nèi)；長(zhǎng)期措施——對(duì)陽(yáng)極電抗器改造，鐵心氣隙處硅鋼片增加外絕緣材料包覆，且將二次水冷電阻改為塑料外殼形式。