高压直流换流阀阳极电抗器缺陷分析

邹延生，唐金昆，梁宁，王振，肖凯

(南方电网超高压输电公司检修试验中心，广东 广州 510000)

相比于常规交流输电，高压直流输电单回线路传输容量大，其可靠性关乎着整个电网的安全稳定运行[1-9]。阳极电抗器是高压直流换流阀中的关键设备，其串联在高压直流输电晶闸管回路上，限制晶闸管开通关断过程中的冲击电流，起到保护晶闸管的作用[10-12]。但由于没有冗余配置，一旦其发生故障，将会导致直流系统停电，威胁直流输电的可靠性和整个电力系统的稳定性。

早期阳极电抗器与换流阀均由国外厂家进口，近年来国内亦有制造[13-14]，对其特性也开展了相关研究。文献[15]研究了阳极电抗器铁心损耗；文献[16]仿真分析了电抗器产生振动的原因，计算出电磁力和振动位移，提出减振优化方案；文献[17]研究了饱和电抗器的耐压特性；文献[18]研究了阳极电抗器的建模和仿真；文献[19]研究了阳极电抗器的散热模型。然而以上文献均是基于理论对阳极电抗器进行研究，对于工程实际中阳极电抗器长期运行暴露出的故障和设计缺陷研究甚少。

针对一起实际工程运行过程中发生的阳极电抗器缺陷，本文开展缺陷原因分析。该阳极电抗器已运行超15年，为国外原装进口。由于国外厂家技术封锁，对于该阳极电抗器的详细技术信息和相关参数特性了解较少。为查找该阳极电抗器产生缺陷的原因，本文从阳极电抗器结构和原理、参数对比测试以及解体检查等方面深入分析，得出阳极电抗器渗漏水的直接原因和根本原因，并提出针对性的整改措施和运维建议。

1 阳极电抗器原理和作用分析

1.1 阳极电抗器原理

发生故障的阳极电抗器属于铁心夹紧式，采用去离子水循环冷却，有1个矩形铁心、2个绕组和1个二次电阻，其绕组和二次电阻绕在矩形磁性铁心的2个铁心柱上，如图1所示，主回路绕组和二次电阻均内部流通去离子水进行冷却。铁心采用超薄取向硅钢片粘连而成，并且裸露在空气中，绕组为铝制且绕组之间采用环氧树脂进行绝缘。

图1 阳极电抗器结构和实物

阳极电抗器的电气原理如图2所示。主回路通过若干匝绕组绕在2个铁心上，并串联起来，二次回路为1个水冷电阻绕在铁心上。该二次电阻作用是：①抑制电抗器的高频振荡，降低铁心的杂散损耗；②晶闸管开通时，起到阻尼作用，吸收能量。

图2 西门子阳极电抗器原理

换流阀运行依靠阳极电抗器的di/dt抑制性能，下面对该特性因素进行分析。为模型简化，不考虑漏磁通的影响(即经过气隙的所有磁通均流过铁心)，磁动势F=Ni与磁场强度的关系为：

F=Ni=HFel1+Hgl2；

(1)

B=μH.

(2)

将式(2)带入式(1)求导得

(3)

式(1)—(3)中：N为绕组匝数；i为一次侧绕组电流；l1为铁心平均长度；l2为气隙长度；B为磁通密度；μ为磁导率；H为磁场强度；下标Fe和g分别表示铁心和气隙。

此外，磁通量Φ与磁通密度的关系为

Φ=AB.

(4)

式中A为面积。

将式(4)带入式(3)得

(5)

制作铁心的硅钢片磁导率μFe约为空气磁导率μg的8 000至10 000倍，因此式(5)括号内第1项式可以忽略，简化得

(6)

电感值的计算公式为

(7)

联立式(6)和式(7)，可推导出阳极电抗器电感

(8)

由式(6)、式(8)可知，阳极电抗器的di/dt抑制性能、电感值与铁心面积AFe、一次绕组匝数N、气隙长度l2有关。

1.2 阳极电抗器的作用分析

高压直流输电换流阀基本组成单元为阀组件，若干个晶闸管与2台阳极电抗器串联，再与1个均压电容并联构成1个阀单元，2个阀单元构成1个阀组件。阳极电抗器主要有以下2个方面的作用：

a)限制晶闸管开通瞬间的电流上升率。换流阀开通暂态过程中，晶闸管的导通开始于门极附近，导通面积需要一定时间逐渐扩展。如果在晶闸管导通面积还没扩散情况下流过相当大的电流，由此造成的晶闸管局部温度升高可能导致器件损坏。因此在换流阀开通瞬间为了保护晶闸管，配置阳极电抗器抑制电流快速上升。通常要求饱和前时间大于2 μs，饱和前di/dt小于300 A/μs，饱和后di/dt小于2 700 A/μs。

b)限制晶闸管关断瞬间的电流变化率。换流阀在关断过程中，由于电荷具有存储效应，晶闸管电流在正向过零后不会立即恢复阻断，而是继续有反向电流流过。如果反向恢复电流di/dt过大，晶闸管存储的电荷较多，导致关断期间的反向过电压过高。因此，阳极电抗器在一定程度上能够降低晶闸管的反向恢复期的过电压。当然，反向恢复期的过电压限制主要是靠阻尼回路起作用。

2 阳极电抗器参数测试

为了分析阳极电抗器部分硅钢片脱落和长时间运行对阳极电抗器电气参数的影响，选取备品阳极电抗器、硅钢片脱落阳极电抗器以及投运14年的阳极电抗器分别开展电感量测试，并进行对比分析。阳极电抗器的等效电路图如图3所示，包含杂散电容、绕组直流电阻、主电感、漏电感以及等效电阻，本次测试的阳极电抗器的总电感量L为漏电感LS和主电感LH之和。

图3 阳极电抗器等效电路

2.1 测试原理

采用调压器加压的方法测量阳极电抗器的电感，其原理如图4所示。

图4 采用调压器加压法测量阳极电抗器电感

调压器升压输出电压至阳极电抗器两端，通过安捷伦数字多用表测量阳极电抗器两端电压U，通过钳形电流表测量流过的电流I，忽略杂散电容、绕组直流电阻以及等效电阻，则阳极电抗器的电感量

(9)

式中f为测量电压频率。

2.2 电感值测试结果

采用2.1节所述测量方法分别测试备品阳极电抗器、硅钢片脱落阳极电抗器以及投运14年阳极电抗器的电感值。由于国外厂家的技术封锁，阳极电抗器铭牌上所标电感值的测试条件未知，因此选择测量电流为5 A、10 A、20 A分别测试，进行对比分析，测试结果见表1。

表1 电感值测试结果

从测量结果可知，在0～20 A的工频测试电流下，3台阳极电抗器的电感值测量结果随着测试电流的增大而增大。在20 A测试电流下，硅钢片脱落阳极电抗器电感测试值与铭牌值偏差为-3.1%，投运14年的正常阳极电抗器电感测试值与铭牌值偏差为0.5%，备品阳极电抗器电感测试值与铭牌值偏差为-1.3%。3台阳极电抗器相比，硅钢片脱落阳极电抗器电感值最小，投运14年的正常阳极电抗器最大，但相比于铭牌值均在±5%范围内。阳极电抗器硅钢片有1 000层左右，测量结果表明阳极电抗器铁心硅钢片脱落使铁心面积减小，进而测量的电感值偏小，但在-5%范围内，少量的硅钢片(20层以内)脱落对电感值影响不大。

3 阳极电抗器失效原因分析

3.1 解体检查

现场停电对发生渗漏水的阳极电抗器进行检查，发现二次水冷电阻的绕组处搭接1个金属片，该金属片锈蚀无光泽(如图5所示)，漏水点位于金属片与二次水冷电阻搭接处，并且该位置有放电痕迹。进一步检查发现该金属片为阳极电抗器硅钢片的一部分，脱落的硅钢片约20层，在运行中发生脱落搭接到二次水冷电阻的金属材质水管上。

图5 阳极电抗器检查情况

对阳极电抗器进行解体检查，拆开阳极电抗器的铁心，发现2个“C”型铁心之间气隙处的硅钢片存在锈蚀现象(如图6所示)。该气隙处硅钢片直接裸露在空气中，无外绝缘材质包裹，下方水冷电阻处发现的硅钢片来自此处。在换流阀运行过程中，阳极电抗器存在振动，气隙处裸露的硅钢片长期振动，掉落到阳极电抗器下方底座上，并搭接到二次水冷电阻绕组上，导致放电击穿冷却水管而漏水。

图6 阳极电抗器解体检查情况

3.2 缺陷直接原因分析

根据阳极电抗器二次水冷电阻绕组放电机理分析漏水缺陷原因。图7所示为阳极电抗器内部电气接线图，2个一次绕组串联连接，二次绕组串联1个水冷电阻，电阻内部通水冷却，水管为金属材质，同时起电气连接作用。当换流阀开通或关断过程中，一次绕组中存在电压和电流变化，阳极电抗器二次回路中也将感应出来电压和电流。

图7 阳极电抗器二次电阻放电回路

水冷二次电阻位于金属边框上方附近，一旦水冷二次电阻通过金属物(如铁钉)与边框搭接后(如图7所示)，一次绕组和二次绕组存在放电通路，由于一次回路和二次回路存在电压差，将会在搭接点产生放电现象，多次放电将导致二次电阻外壳被放电击穿，进而导致内部冷却水渗漏。

3.3 缺陷根本原因分析

由3.2节所述解体检查发现脱落硅钢片存在锈蚀现象，对硅钢片的锈蚀机理进行进一步的分析。硅钢片中主要含有铁元素Fe、硅元素Si、少量碳元素C以及其他元素杂质。硅钢片长时间暴露在空气中会发生化学腐蚀和电化学腐蚀。

3.3.1 化学腐蚀

金属与接触到的干燥气体(如O2、Cl2、SO2)或非电解质液体(石油)等直接发生化学反应引起的腐蚀称为化学腐蚀。化学腐蚀的特点有：①金属越活泼，越易被腐蚀；②金属所处的环境温度越高，腐蚀速率越快；③氧化剂浓度越大，腐蚀速率越快。

由于阳极电抗器运行过程中会产生磁感应变化，铁心因涡流反应发热，阳极电抗器中含有的铁元素遇到空气中的O2，在热量V的作用下，会加速如下化学反应，生成Fe2O3，导致铁元素被化学腐蚀。

(10)

3.3.2 电化学腐蚀

金属与电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化的腐蚀叫做电化学腐蚀。负极金属失去电子被氧化，空气中不可避免地含有水分，长期运行中硅钢片表面吸附了一层薄薄的水膜，水膜中溶解有来自大气中的CO2、SO2、H2S等气体。由于存在这些气体，水膜含有一定量的正离子，即H+。

(11)

H2O=H++OH-.

(12)

这样，铁心表面形成了一层电解质溶液的薄膜，它跟铁心里的铁和少量碳构成无数微小的原电池，如图8所示。

图8 电化学腐蚀过程

若水膜呈酸性，则发生析氢腐蚀，铁作为负极发生反应的化学式为

Fe-2e=Fe2+，

(13)

碳作为正极发生反应的化学式为

2H++2e-=H2↑ ，

(14)

总反应为

Fe+2H+=Fe2++H2↑.

(15)

若水膜酸性很弱或呈中性，则发生吸氧腐蚀，铁作为负极发生反应的化学式为

2Fe-4e=2Fe2+，

(16)

碳作为正极发生反应的化学式为

2H2O+O2+4e-=4OH-，

(17)

总反应为

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

(18)

进一步发生反应

(19)

通常情况下2种腐蚀同时存在，但是以吸氧腐蚀为主。

由上述分析可知，导致硅钢片生锈的主要原因是空气中的O2和H2O。换流阀在运行过程中，阳极电抗器铁心因涡流损耗而发热，硅钢片中的铁元素与空气中的O2在热量的作用下，发生化学反应生成氧化铁(铁锈)。此外，若环境潮湿则会发生铁元素与H2O和O2的反应，进一步加剧铁锈生成，导致硅钢片强度严重下降，并在长期运行振动的影响作用下断裂脱落。

4 整改措施

由第2章的阳极电抗器参数测试可知，阳极电抗器少量的硅钢片脱落对电感值影响不大(在-5%范围内)，满足对晶闸管保护的要求。但是硅钢片脱落的另一个后果是与阳极电抗器底部的二次电阻金属水管搭接放电，导致内漏水。为了避免该影响，提出采用一种将橡胶材料涂覆在水冷二次电阻表面这一短期措施，避免二次电阻金属水管放电击穿漏水导致直流停运的风险。

经过资料检索和调研，发现704硅橡胶可满足要求。704硅橡胶耐温范围为-60～+250 ℃，击穿强度为15 kV/mm，具有良好的耐温度特性和电绝缘特性。阀内冷水温度范围为5～70 ℃，二次电阻运行电压在10 kV以内。并且704硅橡胶粘接性好，高强度，无腐蚀，满足对阳极电抗器二次电阻金属水管的绝缘保护要求。

704硅橡胶的涂覆步骤如下：①使用无毛布清洁二次电阻和所连金属水管表面的灰尘；②将704硅橡胶均匀挤到二次电阻和所连金属水管表面，使用硬毛刷轻轻刷平，使其厚度保持在2～3 mm。

此外，为避免阳极电抗器硅钢片发生电化学腐蚀或减缓其腐蚀进程，需严格控制换流阀湿度，使其任何时间都保持在60%以下。

5 结论

通过对某±500 kV换流站发生的一起阳极电抗器渗漏水缺陷开展原因分析，得到如下结论：

a)少量铁心硅钢片脱落会使阳极电抗器的电感值测量偏小，但在要求范围内，不影响对晶闸管的保护功能。

b)阳极电抗器渗漏水直接原因是阳极电抗器脱落的硅钢片在二次电阻金属水管和金属边框之间形成通路，多次放电导致金属水管击穿漏水。

c)阳极电抗器渗漏水的根本原因是铁心硅钢片的腐蚀、断裂脱落，即铁心硅钢片发生化学腐蚀和电化学腐蚀，硅钢片之间粘连性减弱，进而在运行振动下脱落至二次电阻金属水管。

对于使用采用此类型阳极电抗器的换流阀，建议采取：短期措施——在阳极电抗器二次金属水管上涂覆704硅橡胶，涂敷厚度为2～3 mm，且严格控制阀厅湿度在60%以内；长期措施——对阳极电抗器改造，铁心气隙处硅钢片增加外绝缘材料包覆，且将二次水冷电阻改为塑料外壳形式。