±800 kV鄭州換流站戶內直流開關場設計

鄧廣靜，邵俊偉，王宏斌

(江蘇省電力設計院，江蘇南京，211102)

為滿足河南電網“十二五”及以后負荷快速增長的供電要求，結合哈密地區風電、煤電資源豐富的特點，1回哈密—河南±800 kV特高壓直流工程將在2012年建設。±800 kV鄭州換流站是哈密—河南特高壓直流工程的受端站，站址污穢等級較高，直流開關場電氣設備制造難度大。在已投運直流輸電工程中通過復合絕緣或戶內開關場來降低設備外絕緣[1，2]，但電壓等級僅為±500 kV，尚無±800 kV的設計運行經驗。文中推薦±800 kV極母線電氣設備采用戶內布置方式，以減小設備爬電比距，并通過計算直流空氣間隙，提出戶內開關場設計尺寸及直流開關場的布置方式，對±800 kV鄭州換流站的設計具有重要的指導意義。

1 直流開關場接線

1.1 直流開關場電氣主接線

雙極直流開關場接線相對比較簡單，以滿足系統基本運行方式為原則。直流開關場的設備主要包括平波電抗器、直流濾波器、直流測量裝置、避雷器、沖擊電容器、PLC、開關設備、母線和絕緣子等。典型的±500 kV雙極直流開關場接線如圖1所示，鄭州換流站直流開關場接線如圖2所示。

圖1 典型±500 kV雙極直流開關場接線

圖2 鄭州±800 kV換流站直流開關場接線

與典型±500 kV雙極直流開關場接線相比，±800 kV鄭州換流站采用旁路開關接線。由于閥組采用每極2個12脈動閥組串聯接線，每個12脈動閥組均并聯一個旁路開關回路，以提高直流系統可靠性。旁路開關回路由旁路斷路器、旁路隔離開關以及之間的2組隔離開關組成。

1.2 直流融冰接線

利用極1高端閥組和極2高端閥組并聯，使融冰模式下線路的輸送電流提高，相當于2個單極400 kV金屬回路運行方式并聯；由于晶閘管閥的單向導通性，要使負極性的極2高端閥組并聯到正極性的極1高端閥組，需要增加極2高端閥組的極性轉換隔離開關和并聯運行隔離開關。

鄭州換流站輸送功率為7 500 MW，額定電流達到4 687.5 A。每極高端12脈動換流器并聯運行在400 kV直流電壓下,融冰時直流電流為4 687.5×2=9 375 A。

圖2中虛線部分即直流融冰接線，需額外增加引線4條，隔離開關5臺，由于融冰接線并不常用，因此利用4個常開可連接斷口和1個常閉可拆卸斷口代替隔離開關以節省投資。

2 直流開關場主要電氣設備

2.1 平波電抗器

平波電抗器用來抑制直流開關場或直流線路所產生的陡波沖擊波進入閥廳，使換流閥免于遭受過電壓而損害。從限制故障電流上升率，平抑直流電流的紋波，防止直流低負荷時的電流續斷綜合考慮，鄭州換流站可采用每極裝設電感量為300 mH的平波電抗器。根據過電壓的估算結果，若電感量為300 mH的平波電抗器都裝設在直流極線上，過電壓水平較高，為降低設備絕緣水平，推薦將平波電抗器分別串接在極母線和中性母線上,并緊靠閥組安裝。在極母線和中性母線各裝2臺75 mH干式電抗器串聯。

2.2 直流濾波器

直流濾波器接在平波電抗器后的極線與閥組相連接的中性線上,以濾去直流側諧波,減少直流輸電線路對鄰近通信線路的干擾，直流濾波器的接線，應保證濾波器的投切，不中斷和降低直流輸電功率，因此，在濾波器高低壓側均配有隔離開關，并且高壓側隔離開關具有在正常運行情況下投切的能力。為方便檢修，在濾波器兩側均設有接地刀。鄭州換流站按每極裝設2組雙調諧直流濾波器考慮，為節省投資，2組直流濾波器的高壓側和低壓側共用1組隔離開關。

2.3 直流隔離開關

該工程可采用雙柱水平旋轉開閉式隔離開關或雙柱垂直開啟式架式隔離開關，其中直流耐壓以及直流濾波器隔離開關應具有帶電投切的能力，為直流開關制造的關鍵技術。

2.4 直流支柱絕緣子

由于直流電壓下特有的靜電力的作用，絕緣子表面積污比交流情況下嚴重，支柱絕緣子需要具有較高的污閃電壓和較好的積污特性。支柱絕緣子主要有瓷質和表面硅橡膠合成材料2種材料。受目前廠家生產能力限制，±800 kV直流支柱絕緣子采用純瓷外絕緣的方案幾乎沒有可能，而復合絕緣機械強度較差，目前±800 kV特高壓直流工程中廣泛采用瓷絕緣子表面涂RTV涂料，機械強度和爬距都能滿足設計要求，耐污能力大致接近于瓷質的1.3倍。支柱絕緣子傘形結構有大小傘及深棱傘2種，大量試驗表明，相鄰傘間距的比值為3.15時，傘伸出和傘間距均為95 mm的深棱型絕緣子具有最佳的污閃特性[3，4]。

3 污穢等級與絕緣配合

3.1 污穢等級

根據《河南電網外絕緣污穢區域分布圖（2007年版）》，鄭州換流站大孟站址所在地區的污穢水平均為D級，屬重度污區。

根據河南省電力科學研究院提供的站址附近500 kV官祥線(官渡變到祥符變）與大孟站址最短距離約15 km的污穢數據，其交流等值鹽密為0.22～0.57 mg/cm2，灰密為1.04～2.23 mg/cm2，基本達到了IV級污穢水平，因此鄭州換流站交流爬電比距按31 mm/kV設計。

直流爬電比距可按交流爬電比距的1.8～2.0倍簡單計算[5]。因此鄭州換流站直流爬電比距按60 mm/kV設計。

3.2 直流側空氣間隙計算

換流站直流側空氣間隙主要考慮直流、交流、雷電和操作沖擊合成電壓的作用。確定與直流電壓水平相應的空氣間隙時，操作沖擊是比雷電沖擊重要的決定因素[6]。對于一個標準的間隙，正的雷電沖擊擊穿電壓至少比正的操作沖擊擊穿電壓高30%。

設計空氣間隙時需要各種換流站真型雷電波、操作波放電電壓特性曲線。為了較準確的計算直流側空氣間隙，不僅需要架空軟導線、管型硬母線與構架之間的放電特性曲線，而且需要帶電電氣設備（均壓環）與構架之間的放電特性曲線。如果采用戶內直流場，還需要管型硬母線對墻的放電特性曲線。

文中按照國際大電網會議（CIGRE）提供的計算方法計算。空氣間隙50%沖擊放電電壓為：

式中：u50為間隙的沖擊（操作、雷電）電壓波形下的50%的閃絡電壓；Ka為氣象修正系數；K1為裕度系數，對操作和雷電沖擊分別為1.2和1.25；up為避雷器相應的（操作、雷電）沖擊波保護水平；σ為間隙的沖擊（操作、雷電）放電電壓變異系數。

對于操作沖擊最小凈空距離為U50：

式中：d為凈空距離，m；k為表示電極形狀特性的間隙系數，導線對板k=1.15，導線對導線k=1.3，棒對棒k=1.4。

根據國內對±800 kV直流工程系統過電壓初步研究提出的換流站設備絕緣水平值[7]，鄭州換流站±800 kV設備操作沖擊絕緣水平取1 600 kV，操作沖擊放電電壓變異系數取6%。鄭州換流站海拔小于1 000 m，環境溫度不高于40℃，氣象修正系數為1。經計算，鄭州換流站直流場最小空氣間隙如表1所示。

表1 鄭州換流站直流場最小空氣間隙

4 直流戶內開關場設計

4.1 采用直流戶內開關場降低污穢等級

如3.1節所述，如鄭州換流站極母線設備，隔離開關、平波電抗器、支柱絕緣子按照爬電比距60 mm/kV選擇設備，僅極母線設備絕緣件的閃距高度就達到816×60/3.15=15.54 m，結構高度更高，同時平波電抗器絕緣件還要承受重達幾十噸的重量，隔離開關操作力較大，設備制造非常困難。

在三常直流輸電工程的政平換流站采用戶內直流場之前，英法海峽直流輸電工程的英國側已經采用戶內直流場。考慮鄭州換流站站址污穢等級高，推薦采用戶內開關場，由于極母線電壓等級為±800 kV，極低端及中性線設備電壓等級低（最高400 kV），將±800 kV極母線設備戶內布置，其余戶外布置。直流戶內開關場設備爬電比距參照政平換流站采用25 mm/kV，瓷件最小高度8 m。隔離開關、支柱絕緣子廠家目前的生產能力都能滿足。

4.2 直流戶內開關場的布置

戶內開關場電氣設備按照單層布置，母線采用支持管母線，極母線與閥廳一列式布置，設備間連線采用管母。考慮對地場強的要求，戶內設備及管母線高度按16 m設計，結合表1計算結果并考慮一定裕度，戶內直流場凈高按25 m設計。

戶內開關場極母線電氣設備除旁路隔離開關、旁路斷路器、直流濾波器外均采用單列布置，由表1，安全距離按9 m控制。目前各生產廠家的干式平波電抗器直徑可以控制在5 m以內，因此平波電抗器距兩邊墻至少14 m。

另外由圖2可見，800 kV旁路隔離開關、旁路斷路器需與極母線隔離垂直和平行布置，考慮一定的安裝維護空間，戶內開關場寬度按38 m設計。長度按需要布置的設備總長度控制。

±800 kV直流濾波器高壓電容器數量較多，電容器塔高度達到24 m左右，懸吊式安裝，構架高度達36 m左右。將800 kV電容器分為0～500 kV和500～800 kV 2個塔串聯考慮，2個塔構架高度基本一致，構架高25 m。將電容器塔房間與戶內開關場組成聯合建筑，呈凸字形建筑結構。

鄭州換流站采用閥廳面對面布置，即兩極高端閥廳布置在直流場兩側，低端閥廳背靠背布置在直流場中間，場地總寬度達到285 m。戶內開關場與閥廳采用一列式布置，從高端閥廳引出的穿墻套管直接插入到戶內開關場。這樣布置的特點是與設備連接簡單清晰，極母線設備沿著出線方向布置，±400 kV電氣設備及極中性線設備布置在兩棟戶內直流場中間，利于平波電抗器的噪聲限制。

5 結束語

根據鄭州換流站站址附近的污穢數據，計算直流開關場設備爬電比距按60 mm/kV選擇，戶內開關場設備爬電距離按25 mm/kV選擇。直流戶內開關場凈高及寬度需充分考慮直流最小空氣間隙及設備外廓，建議戶內開關場與直流濾波器的電容器塔室組成聯合建筑，呈凸字形建筑結構，以利于整個直流場按極對稱布置，降低設備噪音。

建議進行直流污穢試驗以得到鄭州換流站站址的直流污穢數據，從而更加精確計算直流爬電比距，以指導工程建設。

[1]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2]馬為名，聶定珍，曹燕明，等.特高壓直流換流站系統優化設計[J].高電壓技術，2010，36（1）：26-30.

[3]舒印彪，劉澤洪，高理迎，等.±800 kV 6 400 MW特高壓直流輸電工程設計[J].電網技術，2006，30（1）：1-8.

[4]范建斌，宿志一，李武峰，等.高壓直流換支柱絕緣子和套管傘形結構研究計[J].中國電機工程學報，2007，27（21）：1-6.

[5]郭賢珊，宿志一，樂 波.特高壓直流換流站支柱絕緣子設計[J].電網技術，2007，31（24）：1-6.

[6]GB/T311.3—2007，絕緣配合第3部分：高壓直流換流站絕緣配合程序[S].

[7]聶定珍，馬為民，鄭 勁.±800 kV特高壓直流換流站絕緣配合[J].高電壓技術，32（9）：75-79.