特高壓換流站500 kV站用變壓器應用GIL的連接方案

劉盛，周志超，張農，丁健

(浙江省電力設計院，杭州市，310012)

0 引言

直流輸電技術主要應用于遠距離、大功率輸電和非同步交流系統的聯網，換流站是直流輸電系統的核心，用于完成交流和直流之間的變換。±800 kV換流站是目前國內電壓等級最高的換流站，站用電一般為站內引接2回站用電源，站外引接1回站用電源。站內2回站用電源接至站內交流氣體絕緣開關設備(gas insulated switchgear，GIS)，電壓等級為500 kV，設置2臺站用變壓器，低壓側電壓等級為10 kV。

特高壓換流站中500 kV交流站用變壓器與GIS連接的方式可以采用架空連接和氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated metal enclosed transmission line，GIL)連接等多種方式。架空連接方式為GIS設備套管與站用變壓器采用軟導線或管母線連接，避雷器和電壓互感器采用空氣絕緣開關裝置(air insulated switchgear，AIS)，布置尺寸偏大，GIS設備與站用變壓器之間有明顯的斷開點，各類試驗相對簡單，檢修方便；GIL連接方式為變壓器采用油/SF6氣體套管與GIS設備通過氣體絕緣母線連接，不出現裸露的導體和引線，布置靈活緊湊，有利于提高設備的可靠性，但避雷器和電壓互感器均需采用GIS設備，造價較高，無明顯的斷開點，各類試驗相對復雜，檢修不便。

1 油/SF6氣體套管介紹

油/SF6氣體套管可以根據電容心子的材料不同分為2類：油紙和環氧樹脂浸紙。

油紙套管的主絕緣為油浸紙電容心子，經真空干燥后由變壓器油真空浸漬而成；油紙套管具有優良的電氣性能，但由于該類套管在運行中可能出現油色譜超標、瓷件爆炸傷人、漏油污染環境等缺點，導致油紙套管的應用受到了一定的影響。因此，20世紀60年代國外開始研究環氧樹脂浸紙干式套管，以克服油紙套管的缺點。

環氧樹脂浸紙干式套管中起主絕緣作用的電容心子為圓柱形電容器，用絕緣紙和鋁箔纏在套管的導電桿上，經真空干燥后浸漬環氧樹脂固化而成。環氧樹脂浸紙干式套管的制造和測試均達到或超過了IEC 60137和GB/T 4109—2008的要求。

油/SF6套管已大規模應用于核電站、水電站、抽水蓄能電站等工程中，在交流500 kV戶內變電站中也有應用經驗。

2 換流站站用變壓器回路配置方案

GIS與站用變壓器采用GIL連接后，該回路避雷器和電壓互感器改為GIS設備，造價增加，以下介紹該回路金屬氧化物避雷器(metal oxide arrester，MOA)和電壓互感器(voltage transformer，VT)的配置要求，同時結合國內某特高壓換流站交流場地的整體布局，對GIL連接方案和架空連接方案進行技術經濟比較。

2.1 電壓互感器與避雷器配置

本工程交流500 kV線路為一個半斷路器接線，2臺站用變壓器分別接入IM和ⅡM母線。

2.1.1 站用變壓器500 kV側電壓互感器配置

根據國家標準的要求，與三相電壓量相關的變壓器保護主要有過勵磁保護、復合電壓啟動的過電流保護或復合電流保護。

(1)過勵磁保護［1-5］。對于高壓側為交流330 kV及以上的變壓器，為防止由于頻率降低和/或電壓升高引起變壓器磁密過高而損壞變壓器，應裝設過勵磁保護。過勵磁保護由電壓與頻率的比值構成，每相都要進行判別，需要引入三相電壓。

結合工程情況，特高壓換流站中站用電負荷為10 MVA，但由于500 kV交流變壓器額定容量最小不宜低于40 MVA，因此一般按40 MVA選擇。換流站中的站用變壓器運行在低負荷，鐵心等金屬構件及變壓器油的溫度較低，有利于提高變壓器的過勵磁能力。此類變壓器的正常工作磁通密度一般為1.5～1.6 T，飽和磁通密度為1.8～2 T。本工程作為受端換流站，經計算其工頻穩態過電壓不超過1.09 pu，而所連接的系統頻率基本不變，因此可以認為工作磁通密度不超過1.09倍的正常磁通密度，即為1.635～1.744 T時不會導致鐵心飽和。根據變壓器過勵磁特性曲線，此類運行方式下的變壓器在過電壓倍數不超過1.1 pu時可以連續運行。因此本工程站用變壓器不會出現過勵磁情況，可以不裝設過勵磁保護，無需引入三相電壓。

對于某些交流500 kV變壓器低壓側安裝有低壓無功補償裝置的特高壓換流站，配置的交流變壓器額定容量一般為120～240 MVA。由于變壓器需要運行在滿負荷狀態，此類變壓器的過勵磁能力為不超過1.05 pu時能連續運行，若要提高過勵磁能力，則需增大鐵心截面或增加繞組匝數，提高設備投資，因此仍需裝設過勵磁保護，不提高站用變壓器的過勵磁水平。

對于工頻穩態過電壓水平超過1.1 pu的特高壓換流站，交流站用變壓器也應裝設過勵磁保護。

(2)復合電壓啟動的過電流保護或復合電流保護。交流110～500 kV降壓變壓器、升壓變壓器和系統聯絡變壓器，相間短路后備保護采用過電流保護不能滿足靈敏度要求時，宜采用復合電壓啟動的過電流保護或復合電流保護，復合電壓由引入三相電壓產生。

經校驗，本工程站用變壓器高壓側相間短路過電流保護靈敏度數為11.89，滿足靈敏性要求，無需配置復壓啟動。

由上分析可得，本工程站用變壓器保護不需要配置高壓側VT。同時，計量測量點可以設置在站用變壓器低壓側，因此站用變壓器計量測量也不需要配置高壓側VT。

綜上所述，結合本工程的實際情況，站用變壓器保護和計量測量系統可以不配置高壓側電壓互感器。2.1.2 站用變壓器500 kV側避雷器配置

根據變電站設備實際的布置情況，采用電磁暫態計算程序分析了線路雷電進波對設備的過電壓影響，計算結果見表1。

由表1可知，站用變壓器的過電壓為1 326 kV，絕緣裕度為16.9％，低于最小絕緣配合系數25％；如果過站用變壓器采用油氣套管，站用變壓器的過電壓為1 263 kV，絕緣裕度為22.7％，仍低于最小絕緣配合系數25％。因此，需要采取措施降低其過電壓，而在母線上安裝1組MOA即可滿足要求，母線避雷器應盡量靠近站用變壓器側，或者將站用變壓器的雷電沖擊絕緣水平提高到1 675 kV。

表1 線路雷電過電壓電磁暫態計算結果Tab.1 Calculation results of electromagnetic transient of lightning overvoltage for transm ission lines

2.2 換流站500kV交流場地布置

對于GIL管道連接方案，站用變壓器500 kV側回路避雷器宜采用GIS設備，因此站用變壓器回路省去了空氣套管和架空線所要求的電氣距離要求，占地尺寸大幅降低，可以直接利用GIL管道區域的空余場地布置，不單獨增加站用變布置區，使得換流站交流場區域布置更加清晰合理。

油/SF6套管為減小安裝法蘭的受力，傾斜角不宜大于30°，故推薦豎向安裝油/SF6套管，斷面及剖面如圖1所示。

圖1 油氣套管斷面及剖面圖Fig.1 Sectional draw ing and hatch areas of oil/gas bushing

2.3 技術經濟比較

站用變回路選用GIL連接方案與架空連接方案在500 kV套管、避雷器及GIL等設備型式的選用及數量上存在不一致，見表2。

經比較設備配置差異，全站2組站用變壓器采用GIL連接方案共節省投資23.64萬元，并且交流區域布置更加合理，節省了場地，提高了連接的可靠性，減少了維護的工作量。

表2 GIL連接方案和架空連接方案的相關設備配置Tab.2 Equipment configuration for connectionschemes of GIL and overhead

3 GIL連接方案互感器的選擇

由以上分析可知，該換流站站用變回路可以取消回路VT，如果個別特高壓換流站不能取消過勵磁保護，則站用變回路的VT也不能取消。由于常規GIS的VT比AIS的VT每相需增加投資31.8萬元，因此GIL管道連接方案總體投資反而需要增加。

應用電子式互感器可以降低工程造價，同時羅氏線圈線性度好、抗飽和能力強，能有效解決站用變壓器高壓側小變比電流互感器(current transformer，CT)的飽和問題［6-7］，但是目前電子式互感器處在應用初期，需要論述方案的可靠性。為了更全面地分析GIL管道連接方案，有必要對應用GIS電子式互感器的方案進行探討。

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3.1 電子式互感器的工作原理

電子式互感器根據其高壓部分是否需要工作電源，可以分為有源式和無源式2類［8-10］。

對于GIS設備，現階段選擇應用線圈型電子式電流互感器(electronic current transformer，ECT)和分壓型電子式電壓互感器 (electronic voltage transformer，EVT)技術可靠、投資節省。

3.2 應用電子式互感器

3.2.1 應用方案

站用變壓器采用GIL管道連接，站用變壓器500 kV側應用GIS型式的ECT和EVT；為了考慮站用變各側互感器特性的一致性，站用變壓器10 kV及中性點側也應用ECT和EVT。

對于電子式互感器方案，對應2種VT設置方式進行應用探討。

(1)方式1：500 kV母線設置單相VT，站用變壓器500 kV側設置三相VT。

500 kV母線單相VT采用常規型式，站用變壓器500 kV側采用三相ECT、三相常規CT和三相EVT；站用變壓器保護、測量、計量裝置采用ECT和本回路EVT，500 kV母差保護采用常規CT。

(2)方式2：500 kV母線設置三相VT，站用變壓器500 kV側不設置VT。

500 kV母線三相 VT采用 EVT，站用變壓器500 kV側采用三相ECT和三相常規CT；站用變壓器保護、測量、計量裝置等采用 ECT和母線 EVT，500 kV母差保護采用常規CT。

3.2.2 方案比較

母線VT除了站用變壓器外的間隔僅需提供單相同期電壓，不影響主保護功能，因此應用EVT對于控制保護系統影響不大，上述2種方式均較為穩妥，但是方式1比方式2的影響范圍更小、可靠性更高，對于除了站用變壓器外的其他間隔，控制保護系統沒有影響，也不存在互感器特性不一致的問題，因此推薦采用方式1。方式1比方式2需增加2臺500 kV常規GIS電壓互感器，增加投資約80萬元。

站用變壓器保護、測控、計量等裝置均接入來自ECT和EVT的電流電壓數字量，500 kV母差保護及斷路器保護仍接入常規電流互感器的電流模擬量。GIL連接方案應用電子式互感器，與架空連接方案應用常規互感器的相關設備配置差異見表3。

表3 GIL連接方案和架空連接方案的設備配置Tab.3 Equipment configuration for connection schemes of GIL and overhead

由表3可知，站用變壓器GIL連接方案應用電子式互感器后，比架空連接方案應用全常規互感器節省投資約36.84萬元。本方案為了增強電子式互感器的可靠性，盡可能減小應用電子式互感器所帶來的影響，僅使用站用變回路的保護測控、電能表和故障錄波裝置采集來自電子式互感器的電流電壓采樣值，其他控制保護設備均保持不變。

4 結語

在特高壓換流站中，500 kV交流站用變壓器采用GIL管道連接方案可以節省投資，優化了交流場布置，提高了連接可靠性，減少了維護工作量，但是也會帶來試驗和檢修的不便。隨著GIS設備的普及，GIL連接方案將更多地應用到各種類型的換流站及變電站中，這就需要相關規程規范針對油/SF6套管的特點調整試驗和檢修要求，以利于該設備的推廣應用。

由于GIL連接方案要求避雷器和VT改用GIS設備，需要增加設備投資，但經論證后發現，可以取消站用變過勵磁保護和復壓啟動回路，取消站用變壓器500 kV側回路VT，從而節省了投資。

本文還提出了應用有源式電子式互感器來解決GIS常規互感器價格偏高的問題，力求在保證可靠性的前提下降低工程造價，有效解決了特高壓換流站站用變壓器高壓側小變比CT的飽和問題。

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