论文部分内容阅读
摘要：在特高压直流换流站中，直流场高压侧干式空心平波电抗器外部声腔外表面位置出现了大面积的黑斑，该黑斑呈中心向外树枝发散状，黑斑的中心区域黑色较深，呈核状。截止目前，低侧平抗仍没有发现黑斑问题。文章主要研究电抗器黑斑的形成机理，并附以仿真计算，旨在充分了解干式电抗器在特高压下的静电吸附特性，并指导性能改进设计。
关键词：特高压；平波电抗器；静电吸附
中图分类号：TM581.1 文献标识码：A
现象综述
(1)安装布局
在向上工程中，复龙换流站和奉贤换流站均安装有8台平抗，其中4台安装于极母线侧，另外4台安装于中性点侧；安装于极母线侧的4台平抗又有两台安装于直流+800kV侧，另外两台安装于直流-800kV侧。高压侧平抗连接方式与高压侧平抗连接如下图1所示：
图1. 换流站平抗布局及布置图
(2)发现黑斑
设备投运之后，复龙换流站运行人员首次发现平抗中部声腔外表面出现小块黑斑，并马上擦拭干净。次日黑斑再次在原擦拭位置重复出现，且数量开始增多。如下图2所示：
首次出现并擦除
重复出现且增多
图2. 复龙换流站平抗黑斑发展过程
奉贤换流站出现黑斑较复龙换流站晚，且黑斑出现情况比复龙站要轻很多。如下图3所示：
图3. 奉贤换流站平抗黑斑情况
(3)黑斑特点
两换流站发现黑斑虽然时间上相差两个月，但是黑斑的形状和分布特点却非常相似，归纳如下：
极2（-800kV侧）相对极1（+800kV侧）黑斑情况严重。在复龙站，几乎每台极2侧高压平抗中部声腔上都有三十多处黑斑，极1高压侧的黑斑数量较少，约十几处；在奉贤站，高压侧平抗黑斑数量较少且小。
黑斑只发生在高压侧，低压侧未发现；
黑斑电抗器只在平抗外部声腔的表面中间区域出现，上下两端电晕环屏蔽处未发现，如图4；
避雷器在电抗器投影面及附近区域的黑斑较少；
黑斑重复在某一点出现，在一定时期内有扩大和增多趋势；
黑斑有明显黑核，灰尘致密，从黑核向外有明显树枝状发散状触须，如图5；
黑斑容易被擦除，且擦除后未发现放电灼蚀沟道。
图4.黑斑出现区域
5．黑斑放大图
结构表述与现象分析
平抗主线圈的结构特点
图6. 平抗主线圈及声腔示意图
为有效控制噪声水平，平波电抗器的主线圈外侧安装一道声障，该声障由多片独立的中空形声腔拼接而成，整体呈筒状。声腔采用拉挤引拔玻璃钢材质制作而成，声腔的内侧填充有A级阻燃材料超细玻璃棉，见上图6。在声腔的外表面喷涂有电抗器用环氧底漆和RTV（硅橡胶）涂层，以防止表面因不连续水膜下电场集中出现漏电起痕。
(2)电场计算
为了解清楚为何在电抗器中部声腔表面形成了黑斑进行了仿真计算。各种介质的介电常数如下：空气为1.0，环氧玻璃钢为4.0，玻璃棉为6.5。
电抗器安装中部声腔和上下两端均压环时，各位置的电位及电场分布如图7所示：
图7.1 电位分布
图7.2 场强云图
图7. 电位与电场分布图
沿主线圈中部声腔外侧板层沿轴向从下至上电场强度（v/m）如图8所示
图8. 声腔中部外板侧轴向场强分布
沿电抗器中心径向从主线圈表面到声腔外板侧电场强度（v/m）分布如图9所示
图9. 声腔中部外板侧径向场强分布
（注：电场曲线凹陷区域为声腔内的玻璃钢和吸音棉。）
从上图中可知，线圈中部声腔外板侧玻璃钢体的电场强度模值仅为0.4kV/cm，玻璃钢体附近区域的空气场强模值为1.8kV/cm，都远低于空气放电限值。
假定玻璃钢声腔板材内存在气泡时，会造成场强的畸变，如下图10所示
图10. 声腔中部外板侧轴向场强分布
当中间有直径为10mm的气泡时，该位置的场强会从0.4kV/cm升至0.65kV/cm，但是整体水平还是会比较低。
（3）现象分析
从以上场强计算结果来看，平抗的表面场强非常低，理论上不会引起局部放电，从黑斑易擦除的特点来看，也可以断定该现象并非是表面放电所致。既然局部放电的可能被排除了，那又是什么因素导致了呈中心向外树枝状扩散黑斑的形成，是电位梯度过大，还是声腔内填充材质问题，需要进一步研究。
在进一步分析之前我们有必要补充一个现象，即在南网云~广工程中运行的同样±800kV特高压干式空心平波电抗器中部声腔表面并未发现与向-上工程类似的黑斑。同样的电压等级，同样的中部声腔玻璃钢材质，同样的声腔表面RTV涂层，却有着不同的结果。此外，还有一现象，在电抗器并联避雷器的投影面区域内黑斑数量少之又少，在正投影窄区域内几乎就没有发现黑斑的存在，这也说明避雷器对纵向电场的均化作用。
（4）黑斑成分分析
为对黑斑的成分进行分析，以确定黑斑对平抗安全运行的危害有多大。从现场采取大量样本请北京微量化学研究所进行化验分析，结果如下：
复龙站(-800kV侧)
奉贤站(+800kV侧)
（注：其中Wt%为重量比例，At%为原子数比例。）
通过成分化验分析，其中C元素的含量还是相对较高的。但这不能说明所有问题，因为在电抗器中部声腔的表面喷涂了RTV涂层，而RTV的主要成分就是有机硅，其中有一部分小分子低聚物会析出到硅橡胶表面，使得硅橡胶具有了憎水性，而这部门小分子也主要是有机硅。有机硅中的C元素含量在23%左右，Si元素含量在37%。在采样时也可能收集到的是含有C元素的有机硅的集污物。
解决方案初探
为进一步研究黑斑形成的原因，以及尽早采取有效的解决和预防措施，经过研究决定制定以下一项措施：
在停电消缺时，将所有高压侧平抗内部填充的玻璃吸音棉全部拆除。
拆下4-5块较为严重（带有大量黑斑）的声腔板并运回厂内进行分析和试验，并用新制作的不带吸音棉的声腔代替。
清理所有高压侧平抗的黑斑。
在黑斑处切开断口观察有无气泡。
将返厂声腔进行高压冲击试验并与新声腔进行耐压性能对比，确定因黑斑造成的绝缘水平降低程度。
解决效果
（1）更换方案
选定复龙換流站极2高压侧的一台黑斑比较严重的平波电抗器取下8片外部声腔，更换成装有环保吸声的声腔。经过近3个月的观察，未再发生黑斑现象，如下图11所示。
更换前
更换后
图11. 换流站更换前后黑斑情况对比
（2）带黑斑声腔回厂试验
运回厂的声腔试验值为1192kV，比出厂试验电压1175kV没有明显降低，且声腔在运输过程中有明显脱落迹象。
图10.带黑斑声腔正在试验中
5．结论
（1）特高压干式空心平波电抗器外部声腔表面出现的黑斑基本可以肯定为静电吸附所引起；
（2）经测试，黑斑不会对电抗器的外绝缘造成削弱影响；
（3）黑斑的形成状态状与特定基材（即声腔材质，主要为玻璃钢与憎水RTV）有关，与环境污秽程度有关，与内部填充物有关，建议选取质地均匀的电工类吸声材料。
[参考文献]
[1] 聂琼，周远翔，陈铮铮，陈海航.频率对对象叫起树电压及点数值形态的影响[J]. 高电压技术,2009,35(1): 141-145.
[2] 陈铮铮，程子霞，周远翔，聂琼，陈海航，郭绍伟，刘睿.气泡及气隙裂纹缺陷对硅橡胶电树枝起始特性的影响. 高电压技术,2009,35(10): 2416-2420.
[3]梁英，李成榕，丁健，杨堃. 硅橡胶热刺激电流试验参数的研究. 高电压技术,2007,33(3): 87-90.
[4] 周远翔，聂琼，姜绿先，陈海航，邢晓亮，梁曦东，关志成. 针尖曲率半径对硅橡胶电树枝老化特性的影响. 中国电机工程学报. 2008,28(34): 27-32.
作者简介：
吴玉坤（1980-） 男，河北人，中国能建集团装备有限公司技术中心副主任，主要从事干式空心电抗器的技术开发工作。
关键词：特高压；平波电抗器；静电吸附
中图分类号：TM581.1 文献标识码：A
现象综述
(1)安装布局
在向上工程中，复龙换流站和奉贤换流站均安装有8台平抗，其中4台安装于极母线侧，另外4台安装于中性点侧；安装于极母线侧的4台平抗又有两台安装于直流+800kV侧，另外两台安装于直流-800kV侧。高压侧平抗连接方式与高压侧平抗连接如下图1所示：
图1. 换流站平抗布局及布置图
(2)发现黑斑
设备投运之后，复龙换流站运行人员首次发现平抗中部声腔外表面出现小块黑斑，并马上擦拭干净。次日黑斑再次在原擦拭位置重复出现，且数量开始增多。如下图2所示：
首次出现并擦除
重复出现且增多
图2. 复龙换流站平抗黑斑发展过程
奉贤换流站出现黑斑较复龙换流站晚，且黑斑出现情况比复龙站要轻很多。如下图3所示：
图3. 奉贤换流站平抗黑斑情况
(3)黑斑特点
两换流站发现黑斑虽然时间上相差两个月，但是黑斑的形状和分布特点却非常相似，归纳如下：
极2（-800kV侧）相对极1（+800kV侧）黑斑情况严重。在复龙站，几乎每台极2侧高压平抗中部声腔上都有三十多处黑斑，极1高压侧的黑斑数量较少，约十几处；在奉贤站，高压侧平抗黑斑数量较少且小。
黑斑只发生在高压侧，低压侧未发现；
黑斑电抗器只在平抗外部声腔的表面中间区域出现，上下两端电晕环屏蔽处未发现，如图4；
避雷器在电抗器投影面及附近区域的黑斑较少；
黑斑重复在某一点出现，在一定时期内有扩大和增多趋势；
黑斑有明显黑核，灰尘致密，从黑核向外有明显树枝状发散状触须，如图5；
黑斑容易被擦除，且擦除后未发现放电灼蚀沟道。
图4.黑斑出现区域
5．黑斑放大图
结构表述与现象分析
平抗主线圈的结构特点
图6. 平抗主线圈及声腔示意图
为有效控制噪声水平，平波电抗器的主线圈外侧安装一道声障，该声障由多片独立的中空形声腔拼接而成，整体呈筒状。声腔采用拉挤引拔玻璃钢材质制作而成，声腔的内侧填充有A级阻燃材料超细玻璃棉，见上图6。在声腔的外表面喷涂有电抗器用环氧底漆和RTV（硅橡胶）涂层，以防止表面因不连续水膜下电场集中出现漏电起痕。
(2)电场计算
为了解清楚为何在电抗器中部声腔表面形成了黑斑进行了仿真计算。各种介质的介电常数如下：空气为1.0，环氧玻璃钢为4.0，玻璃棉为6.5。
电抗器安装中部声腔和上下两端均压环时，各位置的电位及电场分布如图7所示：
图7.1 电位分布
图7.2 场强云图
图7. 电位与电场分布图
沿主线圈中部声腔外侧板层沿轴向从下至上电场强度（v/m）如图8所示
图8. 声腔中部外板侧轴向场强分布
沿电抗器中心径向从主线圈表面到声腔外板侧电场强度（v/m）分布如图9所示
图9. 声腔中部外板侧径向场强分布
（注：电场曲线凹陷区域为声腔内的玻璃钢和吸音棉。）
从上图中可知，线圈中部声腔外板侧玻璃钢体的电场强度模值仅为0.4kV/cm，玻璃钢体附近区域的空气场强模值为1.8kV/cm，都远低于空气放电限值。
假定玻璃钢声腔板材内存在气泡时，会造成场强的畸变，如下图10所示
图10. 声腔中部外板侧轴向场强分布
当中间有直径为10mm的气泡时，该位置的场强会从0.4kV/cm升至0.65kV/cm，但是整体水平还是会比较低。
（3）现象分析
从以上场强计算结果来看，平抗的表面场强非常低，理论上不会引起局部放电，从黑斑易擦除的特点来看，也可以断定该现象并非是表面放电所致。既然局部放电的可能被排除了，那又是什么因素导致了呈中心向外树枝状扩散黑斑的形成，是电位梯度过大，还是声腔内填充材质问题，需要进一步研究。
在进一步分析之前我们有必要补充一个现象，即在南网云~广工程中运行的同样±800kV特高压干式空心平波电抗器中部声腔表面并未发现与向-上工程类似的黑斑。同样的电压等级，同样的中部声腔玻璃钢材质，同样的声腔表面RTV涂层，却有着不同的结果。此外，还有一现象，在电抗器并联避雷器的投影面区域内黑斑数量少之又少，在正投影窄区域内几乎就没有发现黑斑的存在，这也说明避雷器对纵向电场的均化作用。
（4）黑斑成分分析
为对黑斑的成分进行分析，以确定黑斑对平抗安全运行的危害有多大。从现场采取大量样本请北京微量化学研究所进行化验分析，结果如下：
复龙站(-800kV侧)
奉贤站(+800kV侧)
（注：其中Wt%为重量比例，At%为原子数比例。）
通过成分化验分析，其中C元素的含量还是相对较高的。但这不能说明所有问题，因为在电抗器中部声腔的表面喷涂了RTV涂层，而RTV的主要成分就是有机硅，其中有一部分小分子低聚物会析出到硅橡胶表面，使得硅橡胶具有了憎水性，而这部门小分子也主要是有机硅。有机硅中的C元素含量在23%左右，Si元素含量在37%。在采样时也可能收集到的是含有C元素的有机硅的集污物。
解决方案初探
为进一步研究黑斑形成的原因，以及尽早采取有效的解决和预防措施，经过研究决定制定以下一项措施：
在停电消缺时，将所有高压侧平抗内部填充的玻璃吸音棉全部拆除。
拆下4-5块较为严重（带有大量黑斑）的声腔板并运回厂内进行分析和试验，并用新制作的不带吸音棉的声腔代替。
清理所有高压侧平抗的黑斑。
在黑斑处切开断口观察有无气泡。
将返厂声腔进行高压冲击试验并与新声腔进行耐压性能对比，确定因黑斑造成的绝缘水平降低程度。
解决效果
（1）更换方案
选定复龙換流站极2高压侧的一台黑斑比较严重的平波电抗器取下8片外部声腔，更换成装有环保吸声的声腔。经过近3个月的观察，未再发生黑斑现象，如下图11所示。
更换前
更换后
图11. 换流站更换前后黑斑情况对比
（2）带黑斑声腔回厂试验
运回厂的声腔试验值为1192kV，比出厂试验电压1175kV没有明显降低，且声腔在运输过程中有明显脱落迹象。
图10.带黑斑声腔正在试验中
5．结论
（1）特高压干式空心平波电抗器外部声腔表面出现的黑斑基本可以肯定为静电吸附所引起；
（2）经测试，黑斑不会对电抗器的外绝缘造成削弱影响；
（3）黑斑的形成状态状与特定基材（即声腔材质，主要为玻璃钢与憎水RTV）有关，与环境污秽程度有关，与内部填充物有关，建议选取质地均匀的电工类吸声材料。
[参考文献]
[1] 聂琼，周远翔，陈铮铮，陈海航.频率对对象叫起树电压及点数值形态的影响[J]. 高电压技术,2009,35(1): 141-145.
[2] 陈铮铮，程子霞，周远翔，聂琼，陈海航，郭绍伟，刘睿.气泡及气隙裂纹缺陷对硅橡胶电树枝起始特性的影响. 高电压技术,2009,35(10): 2416-2420.
[3]梁英，李成榕，丁健，杨堃. 硅橡胶热刺激电流试验参数的研究. 高电压技术,2007,33(3): 87-90.
[4] 周远翔，聂琼，姜绿先，陈海航，邢晓亮，梁曦东，关志成. 针尖曲率半径对硅橡胶电树枝老化特性的影响. 中国电机工程学报. 2008,28(34): 27-32.
作者简介：
吴玉坤（1980-） 男，河北人，中国能建集团装备有限公司技术中心副主任，主要从事干式空心电抗器的技术开发工作。