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，其可靠性關乎著整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[1-9]。陽極電抗器是高壓直流換流閥中的關鍵設備，其串聯(lián)在高壓直流輸電晶閘管回路上，限制晶閘管開通關斷過程中的沖擊電流，起到保護晶閘管的作用[10-12]。但由于沒有冗余配置，一旦其發(fā)生故障，將會導致直流系統(tǒng)停電，威脅直流輸電的可靠性和整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

早期陽極電抗器與換流閥均由國外廠家進口，近年來國內亦有制造[13-14]，對其特性也開展了相關研究。文獻[15]研究了陽極電抗器鐵心損耗；文獻[16]仿真分析了電抗器產(chǎn)生振動的原因，計算出電磁力和振動位移，提出減振優(yōu)化方案；文獻[17]研究了飽和電抗器的耐壓特性；文獻[18]研究了陽極電抗器的建模和仿真；文獻[19]研究了陽極電抗器的散熱模型。然而以上文獻均是基于理論對陽極電抗器進行研究，對于工程實際中陽極電抗器長期運行暴露出的故障和設計缺陷研究甚少。

針對一起實際工程運行過程中發(fā)生的陽極電抗器缺陷，本文開展缺陷原因分析。該陽極電抗器已運行超15年，為國外原裝進口。由于國外廠家技術封鎖，對于該陽極電抗器的詳細技術信息和相關參數(shù)特性了解較少。為查找該陽極電抗器產(chǎn)生缺陷的原因，本文從陽極電抗器結構和原理、參數(shù)對比測試以及解體檢查等方面深入分析，得出陽極電抗器滲漏水的直接原因和根本原因，并提出針對性的整改措施和運維建議。

1 陽極電抗器原理和作用分析

1.1 陽極電抗器原理

發(fā)生故障的陽極電抗器屬于鐵心夾緊式，采用去離子水循環(huán)冷卻，有1個矩形鐵心、2個繞組和1個二次電阻，其繞組和二次電阻繞在矩形磁性鐵心的2個鐵心柱上，如圖1所示，主回路繞組和二次電阻均內部流通去離子水進行冷卻。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)氧樹脂進行絕緣。

圖1 陽極電抗器結構和實物

陽極電抗器的電氣原理如圖2所示。主回路通過若干匝繞組繞在2個鐵心上，并串聯(lián)起來，二次回路為1個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晶閘管開通時，起到阻尼作用，吸收能量。

圖2 西門子陽極電抗器原理

換流閥運行依靠陽極電抗器的di/dt抑制性能，下面對該特性因素進行分析。為模型簡化，不考慮漏磁通的影響(即經(jīng)過氣隙的所有磁通均流過鐵心)，磁動勢F=Ni與磁場強度的關系為：

F=Ni=HFel1+Hgl2；

(1)

B=μH.

(2)

將式(2)帶入式(1)求導得

(3)

式(1)—(3)中：N為繞組匝數(shù)；i為一次側繞組電流；l1為鐵心平均長度；l2為氣隙長度；B為磁通密度；μ為磁導率；H為磁場強度；下標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率μFe約為空氣磁導率μg的8 000至10 000倍，因此式(5)括號內第1項式可以忽略，簡化得

(6)

電感值的計算公式為

(7)

聯(lián)立式(6)和式(7)，可推導出陽極電抗器電感

(8)

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

1.2 陽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，若干個晶閘管與2臺陽極電抗器串聯(lián)，再與1個均壓電容并聯(lián)構成1個閥單元，2個閥單元構成1個閥組件。陽極電抗器主要有以下2個方面的作用：

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

b)限制晶閘管關斷瞬間的電流變化率。換流閥在關斷過程中，由于電荷具有存儲效應，晶閘管電流在正向過零后不會立即恢復阻斷，而是繼續(xù)有反向電流流過。如果反向恢復電流di/dt過大，晶閘管存儲的電荷較多，導致關斷期間的反向過電壓過高。因此，陽極電抗器在一定程度上能夠降低晶閘管的反向恢復期的過電壓。當然，反向恢復期的過電壓限制主要是靠阻尼回路起作用。

2 陽極電抗器參數(shù)測試

為了分析陽極電抗器部分硅鋼片脫落和長時間運行對陽極電抗器電氣參數(shù)的影響，選取備品陽極電抗器、硅鋼片脫落陽極電抗器以及投運14年的陽極電抗器分別開展電感量測試，并進行對比分析。陽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，本次測試的陽極電抗器的總電感量L為漏電感LS和主電感LH之和。

圖3 陽極電抗器等效電路

2.1 測試原理

采用調壓器加壓的方法測量陽極電抗器的電感，其原理如圖4所示。

圖4 采用調壓器加壓法測量陽極電抗器電感

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

(9)

式中f為測量電壓頻率。

2.2 電感值測試結果

采用2.1節(jié)所述測量方法分別測試備品陽極電抗器、硅鋼片脫落陽極電抗器以及投運14年陽極電抗器的電感值。由于國外廠家的技術封鎖，陽極電抗器銘牌上所標電感值的測試條件未知，因此選擇測量電流為5 A、10 A、20 A分別測試，進行對比分析，測試結果見表1。

表1 電感值測試結果

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

3 陽極電抗器失效原因分析

3.1 解體檢查

現(xiàn)場停電對發(fā)生滲漏水的陽極電抗器進行檢查，發(fā)現(xiàn)二次水冷電阻的繞組處搭接1個金屬片，該金屬片銹蝕無光澤(如圖5所示)，漏水點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。進一步檢查發(fā)現(xiàn)該金屬片為陽極電抗器硅鋼片的一部分，脫落的硅鋼片約20層，在運行中發(fā)生脫落搭接到二次水冷電阻的金屬材質水管上。

圖5 陽極電抗器檢查情況

對陽極電抗器進行解體檢查，拆開陽極電抗器的鐵心，發(fā)現(xiàn)2個“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，無外絕緣材質包裹，下方水冷電阻處發(fā)現(xiàn)的硅鋼片來自此處。在換流閥運行過程中，陽極電抗器存在振動，氣隙處裸露的硅鋼片長期振動，掉落到陽極電抗器下方底座上，并搭接到二次水冷電阻繞組上，導致放電擊穿冷卻水管而漏水。

圖6 陽極電抗器解體檢查情況

3.2 缺陷直接原因分析

根據(jù)陽極電抗器二次水冷電阻繞組放電機理分析漏水缺陷原因。圖7所示為陽極電抗器內部電氣接線圖，2個一次繞組串聯(lián)連接，二次繞組串聯(lián)1個水冷電阻，電阻內部通水冷卻，水管為金屬材質，同時起電氣連接作用。當換流閥開通或關斷過程中，一次繞組中存在電壓和電流變化，陽極電抗器二次回路中也將感應出來電壓和電流。

圖7 陽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，將會在搭接點產(chǎn)生放電現(xiàn)象，多次放電將導致二次電阻外殼被放電擊穿，進而導致內部冷卻水滲漏。

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，對硅鋼片的銹蝕機理進行進一步的分析。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。硅鋼片長時間暴露在空氣中會發(fā)生化學腐蝕和電化學腐蝕。

3.3.1 化學腐蝕

金屬與接觸到的干燥氣體(如O2、Cl2、SO2)或非電解質液體(石油)等直接發(fā)生化學反應引起的腐蝕稱為化學腐蝕。化學腐蝕的特點有：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。

由于陽極電抗器運行過程中會產(chǎn)生磁感應變化，鐵心因渦流反應發(fā)熱，陽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，會加速如下化學反應，生成Fe2O3，導致鐵元素被化學腐蝕。

(10)

3.3.2 電化學腐蝕

金屬與電解質溶液接觸時，會發(fā)生原電池反應，比較活潑的金屬失去電子而被氧化的腐蝕叫做電化學腐蝕。負極金屬失去電子被氧化，空氣中不可避免地含有水分，長期運行中硅鋼片表面吸附了一層薄薄的水膜，水膜中溶解有來自大氣中的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溶液的薄膜，它跟鐵心里的鐵和少量碳構成無數(shù)微小的原電池，如圖8所示。

圖8 電化學腐蝕過程

若水膜呈酸性，則發(fā)生析氫腐蝕，鐵作為負極發(fā)生反應的化學式為

Fe-2e=Fe2+，

(13)

碳作為正極發(fā)生反應的化學式為

2H++2e-=H2↑ ，

(14)

總反應為

Fe+2H+=Fe2++H2↑.

(15)

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

2Fe-4e=2Fe2+，

(16)

碳作為正極發(fā)生反應的化學式為

2H2O+O2+4e-=4OH-，

(17)

總反應為

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

(18)

進一步發(fā)生反應

(19)

通常情況下2種腐蝕同時存在，但是以吸氧腐蝕為主。

由上述分析可知，導致硅鋼片生銹的主要原因是空氣中的O2和H2O。換流閥在運行過程中，陽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)生化學反應生成氧化鐵(鐵銹)。此外，若環(huán)境潮濕則會發(fā)生鐵元素與H2O和O2的反應，進一步加劇鐵銹生成，導致硅鋼片強度嚴重下降，并在長期運行振動的影響作用下斷裂脫落。

4 整改措施

由第2章的陽極電抗器參數(shù)測試可知，陽極電抗器少量的硅鋼片脫落對電感值影響不大(在-5%范圍內)，滿足對晶閘管保護的要求。但是硅鋼片脫落的另一個后果是與陽極電抗器底部的二次電阻金屬水管搭接放電，導致內漏水。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致直流停運的風險。

經(jīng)過資料檢索和調研，發(fā)現(xiàn)704硅橡膠可滿足要求。704硅橡膠耐溫范圍為-60～+250 ℃，擊穿強度為15 kV/mm，具有良好的耐溫度特性和電絕緣特性。閥內冷水溫度范圍為5～70 ℃，二次電阻運行電壓在10 kV以內。并且704硅橡膠粘接性好，高強度，無腐蝕，滿足對陽極電抗器二次電阻金屬水管的絕緣保護要求。

704硅橡膠的涂覆步驟如下：①使用無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，為避免陽極電抗器硅鋼片發(fā)生電化學腐蝕或減緩其腐蝕進程，需嚴格控制換流閥濕度，使其任何時間都保持在60%以下。

5 結論

通過對某±500 kV換流站發(fā)生的一起陽極電抗器滲漏水缺陷開展原因分析，得到如下結論：

a)少量鐵心硅鋼片脫落會使陽極電抗器的電感值測量偏小，但在要求范圍內，不影響對晶閘管的保護功能。

b)陽極電抗器滲漏水直接原因是陽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，多次放電導致金屬水管擊穿漏水。

c)陽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)生化學腐蝕和電化學腐蝕，硅鋼片之間粘連性減弱，進而在運行振動下脫落至二次電阻金屬水管。

對于使用采用此類型陽極電抗器的換流閥，建議采?。憾唐诖胧陉枠O電抗器二次金屬水管上涂覆704硅橡膠，涂敷厚度為2～3 mm，且嚴格控制閥廳濕度在60%以內；長期措施——對陽極電抗器改造，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。