±800 kV換流站通用設(shè)計研究與應(yīng)用

郭賢珊，郄鑫，曾靜

(1.國家電網(wǎng)公司直流建設(shè)部，北京市 100031;2.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京市 102209; 3.中南電力設(shè)計院，武漢市 430071)

0 引言

近10年來，堅持立足自主、開拓創(chuàng)新，國家電網(wǎng)公司特高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平得到了迅速提升。在世界上率先成功研發(fā)了±800 kV特高壓直流輸電技術(shù)，并于2010年7月建成了向家壩—上?！?00 kV特高壓直流輸電示范工程(簡稱向上工程)，額定輸送功率6 400 MW。2012年12月，錦屏—蘇南±800 kV特高壓直流輸電工程成功投運，額定輸送功率達到7 200 MW。2014年1月哈密南—鄭州±800 kV特高壓直流輸電工程建成投運，額定輸送功率進一步提高到8 000 MW。特高壓直流輸電技術(shù)在我國的應(yīng)用前景非常遼闊［1-3］，因此，全面系統(tǒng)地總結(jié)特高壓直流工程設(shè)計、建設(shè)和運行經(jīng)驗，結(jié)合最新的特高壓直流科研成果，將安全可靠、先進適用、經(jīng)濟合理的設(shè)計優(yōu)化成果固化，提煉形成±800 kV換流站通用設(shè)計，對于特高壓直流輸電技術(shù)的推廣應(yīng)用，全面提升特高壓直流工程建設(shè)水平具有十分重要的意義［4-6］。

1 換流站通用設(shè)計編制思路

±800 kV換流站通用設(shè)計按照國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計的編制原則，充分考慮特高壓直流工程的特點，確定了模塊化的編制思路。各區(qū)域分區(qū)清晰、功能相對獨立、連接關(guān)系明確。采用模塊化編制思路可以充分體現(xiàn)通用設(shè)計統(tǒng)一性、靈活性的設(shè)計原則。根據(jù)換流站所處地理環(huán)境、系統(tǒng)條件和設(shè)備型式的差異，不同組合方案較多。為避免重復(fù)，方便使用，通用設(shè)計在內(nèi)容編寫上以模塊為基礎(chǔ)，主要對各個功能模塊開展設(shè)計。實際工程設(shè)計時，可根據(jù)外部條件和功能需求，直接采用通用設(shè)計方案或采用不同的模塊方案進行“拼裝”，形成完整的設(shè)計方案。

2 通用設(shè)計的輸入條件

主要輸入條件應(yīng)遵循具有代表性，并能對同類型不同規(guī)模、外部條件的工程具有廣泛適用性的原則進行考慮。但兼顧到具體實施的可行性，通用設(shè)計方案按照在設(shè)計過程中能夠方便地過渡到不同條件下的具體工程設(shè)計為原則，劃定一個相對合理的適用范圍。主要輸入條件見表1、2。

表1 通用設(shè)計換流站規(guī)模Tab.1Converter station scale in general design

表2 通用設(shè)計站址環(huán)境條件Tab.2Environmental conditions of converter station in general design

3 通用設(shè)計方案及模塊劃分原則

3.1 通用設(shè)計方案劃分原則

根據(jù)目前實際特高壓直流工程可能遇到的不同外部條件和功能需求，通過深入分析，歸納出影響換流站主接線、平面布置等設(shè)計方案的4個方面的主要因素［7］。

3.1.1 大件運輸條件

特高壓直流工程直流電壓等級高、輸送容量大，換流變等設(shè)備尺寸和質(zhì)量均較大。大件運輸條件對設(shè)備型式選擇、設(shè)計方案和運輸安裝方式有重大影響。根據(jù)換流站站址的大件運輸條件不同，換流站關(guān)鍵設(shè)備的運輸尺寸差異較大，對換流站平面布置影響較大。對于運輸條件較好的換流站，換流變壓器可以采用水路+公路直接運輸方案，換流變壓器的運輸尺寸基本不受限制，高端換流變壓器鐵芯可以采用兩柱式;平波電抗器可采用每極4臺75 mH的線圈(單臺線圈質(zhì)量約90 t，運輸寬度5.6 m左右，運輸高度4.5 m左右)。對于運輸條件限制較為嚴(yán)格的換流站，換流變壓器需采用鐵路+公路運輸方案，換流變壓器運輸尺寸受鐵路運輸要求限制，一般不超過13 m×3.5 m×4.85 m(長×寬×高)。高端換流變壓器鐵芯需采用三柱式，甚至需要采取現(xiàn)場組裝方式;平波電抗器采用每極6臺50 mH線圈，公路運輸(單臺線圈質(zhì)量約70 t，運輸寬度5.3 m左右，運輸高度3.9 m左右)。

3.1.2 閥外冷卻系統(tǒng)型式

對于換流閥的閥冷卻外循環(huán)系統(tǒng)，由于換流站站址所處位置氣象條件差異及周圍供水能力的不同，可能需要采用水冷或者空冷串聯(lián)水冷方案，這對換流閥的運行方式、換流場平面布置和占地大小具有重要的影響。

3.1.3 是否需要融冰方式

對于直流線路經(jīng)過重冰區(qū)且該區(qū)段線路較長的工程，直流工程需要具備融冰功能，相應(yīng)直流場主接線和設(shè)備也不同［8］。

3.1.4 交流濾波器場配電裝置型式

對于交流濾波器場，一是交流無功配置的差異(一般有16小組或20小組2種不同的規(guī)模);二是斷路器型式不同(罐式或瓷柱式);三是交流濾波器場的布置有“田”字型和改進“田”字型方案，上述3個因素對換流站的平面布置影響較大。

因此，換流站通用設(shè)計方案首先考慮將以上這些對換流站總體方案影響較大的因素作為首要因素，形成不同模塊方案，參與組合形成不同的通用設(shè)計方案。其次將對總體方案影響較小、可以適配所有技術(shù)方案的模塊用于配合方案形成，不參與通用設(shè)計方案組合。最后，將換流變壓器、換流閥采用不同類型，高、低端閥廳采用不同結(jié)構(gòu)型式，主、輔控樓是否與閥外冷卻設(shè)備間合并設(shè)計，交流濾波器小組采用不同諧調(diào)頻率等對換流站的主接線、總體平面布置、建設(shè)規(guī)模等影響不大的因素作為不同的子模塊方案，用于模塊方案的內(nèi)部變化，不參與形成不同的通用設(shè)計方案。

通過總結(jié)已建工程的成功經(jīng)驗，并適當(dāng)兼顧了后續(xù)特高壓直流工程的需求，按照大件運輸條件、閥外冷卻系統(tǒng)型式、直流線路是否有融冰要求、交流濾波器組配電裝置型式等對設(shè)計方案影響較大的因素，共提出送端和受端換流站各16種通用設(shè)計方案，見表3。

表3 通用設(shè)計方案分類形成一覽表Tab.3General design schemes’classification

3.2 通用設(shè)計模塊劃分原則

為了便于方案優(yōu)化，加強方案的通用性，通用設(shè)計確定了模塊化的編制思路，將各功能區(qū)作為通用設(shè)計的基本模塊，結(jié)合換流站所處的地理環(huán)境、接入系統(tǒng)條件等差異，形成若干模塊方案，按照各功能分區(qū)之間的連接關(guān)系拼裝成通用設(shè)計方案。提出了5個基本模塊，即換流場模塊、直流場模塊、交流濾波器場模塊、站用電模塊、接地極模塊(不含接地極線路)，并按照5個基本模塊設(shè)計了15個模塊方案，見表4。換流場模塊按照影響平面布置因素，結(jié)合換流變壓器的運輸條件，設(shè)2個模塊方案;直流場模塊按照送端和受端接線的差異。直流線路是否有融冰要求及平波電抗器的配置方案等影響接線和布置的因素，設(shè)8個模塊;交流濾波器場模塊按配電裝置型式及布置的不同設(shè)2個模塊方案;站用電模塊設(shè)1個模塊方案;接地極模塊按是否與其他換流站共用，設(shè)獨立接地極和共用接地極2個模塊方案。

通用設(shè)計共提出了13個子模塊，換流場基本模塊按照建筑物和專業(yè)劃分為高端閥廳、低端閥廳、主控樓、輔控樓、水工系統(tǒng)和暖通系統(tǒng)共6個子模塊，交流濾波場基本模塊按照設(shè)備單元功能劃分為3次單調(diào)諧高通濾波器小組(HP3)、11次和13次單調(diào)諧帶通并聯(lián)濾波器小組(BP11/BP13)、24/36次雙調(diào)諧高通濾波器小組(HP24/36)、不帶阻尼電抗器的并聯(lián)電容器小組(SC1)、帶阻尼電抗器的并聯(lián)電容器小組(SC2)、12次單調(diào)諧高通濾波器小組(HP12)、12/24次雙調(diào)諧高通濾波器小組(HP12/ 24)等7個子模塊。

對于提出的13個子模塊設(shè)計了19個子模塊方案，見表5。按照閥廳結(jié)構(gòu)型式的不同，高端閥廳提出3個子模塊方案，低端閥廳提出2個子模塊方案。按照主、輔控樓與閥外冷卻設(shè)備間分開或合并的2種方案，主控樓提出2個子模塊方案，輔控樓提出2個子模塊方案。按照閥外冷卻系統(tǒng)采用水冷方式或空冷串聯(lián)水冷(空冷為主、水冷為輔)方式，水工系統(tǒng)提出2個子模塊方案。按照高端閥廳、低端閥廳、主控樓、輔控樓的采暖通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案，暖通系統(tǒng)提出1個子模塊方案。按照交流濾波器小組配置方案，提出HP3、BP11/BP13、HP24/36、SC1、SC2、HP12、HP12/24共7個子模塊方案。

表4 基本模塊方案一覽表Tab.4Basic module schemes

表5 子模塊方案一覽表Tab.5Sub-module schemes

實際工程中，送、受端各16個通用設(shè)計方案可直接用于工程設(shè)計，選擇適應(yīng)的子模塊組成基本模塊，對基本模塊進行“拼裝”，形成換流站本體及接地極極址部分的設(shè)計方案。

4 通用設(shè)計的特點

通用設(shè)計充分吸收特高壓直流最新研究與設(shè)計成果，提升特高壓直流工程通用設(shè)計的安全性、可靠性、經(jīng)濟性與環(huán)境友好性。為了確保不同技術(shù)方案和不同廠家設(shè)備能夠協(xié)調(diào)運行，提升特高壓直流工程標(biāo)準(zhǔn)化水平，要注意以換流閥、換流變壓器、直流控制保護為核心的不同技術(shù)路線設(shè)備之間的融合與兼容。通用設(shè)計涵蓋特高壓直流換流站的各個功能分區(qū)，重點注意通用設(shè)計的模塊化組合，確保整個工程工藝流程清晰，現(xiàn)場布置分區(qū)清楚，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整。

4.1 換流站主接線方案靈活

4.1.1 換流器接線

±800 kV特高壓直流系統(tǒng)換流器采用雙極，每極2個12脈動換流閥組串聯(lián)接線，電壓按400 kV+ 400 kV分配。每個12脈動換流閥組直流側(cè)設(shè)置旁路回路，采用單相雙繞組換流變壓器，換流變壓器閥側(cè)套管在閥廳內(nèi)按順序完成Y、△連接［9］。這種主接線方案運行方式靈活，有6種運行方式，單、雙極強迫停運率分別降低60%和50%，提高了直流輸電的可靠性和靈活性。單換流器故障退出運行不影響其他換流器正常運行，減小了單換流器停運對系統(tǒng)的沖擊，提高了直流系統(tǒng)的可靠性。同時，設(shè)備研制難度大幅降低，充分兼顧了高低壓換流器之間設(shè)備的兼容性與互換性。

4.1.2 直流場接線

直流場采用典型雙極接線，每極可以獨立運行。按極對稱裝設(shè)平波電抗器、直流濾波器、直流電壓測量裝置、直流電流測量裝置、直流隔離開關(guān)、旁路開關(guān)及直流避雷器等設(shè)備。平波電抗器按電感量平均分配安裝在極線和中性線上。直流濾波器按每站每極裝設(shè)1組考慮，每組直流濾波器由2個雙調(diào)諧支路并聯(lián)構(gòu)成，共用1臺極線隔離開關(guān)。直流場可根據(jù)直流線路是否需要融冰功能確定是否裝設(shè)融冰回路。

4.1.3 交流場及交流濾波器接線

交流場采用典型一個半斷路器接線方式。交流濾波器分為4個大組，每大組1個元件接入交流場一個半斷路器串內(nèi)。交流濾波器大組母線采用單母線接線方式。

4.2 主要設(shè)備通用性強

4.2.1 換流閥

換流閥由晶閘管換流閥單元、換流閥控制和晶閘管監(jiān)視設(shè)備及其觸發(fā)/回報光纖系統(tǒng)、換流閥單元的閥避雷器、換流閥冷卻系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)監(jiān)視設(shè)備等組成。

現(xiàn)有的5英寸晶閘管通流能力有限，難以構(gòu)建合理、高效的超大容量直流系統(tǒng)，不能充分發(fā)揮特高壓直流輸電線路的優(yōu)勢?！?00 kV特高壓直流系統(tǒng)采用6英寸電觸發(fā)晶閘管換流閥，較5英寸方案，換流閥額定電流從3 000 A提升到5 000 A，承受短路電流能力由36 kA提升到51 kA，單閥串聯(lián)元件由108片減少到60片，損耗降低了25%，大幅提高了設(shè)備可靠性和效率。

特高壓直流換流閥為空氣絕緣、水冷卻、戶內(nèi)懸吊式二重閥。每個閥廳內(nèi)部裝設(shè)6個二重閥塔、12個單閥，全站4個閥廳共裝設(shè)48個單閥。閥廳布置充分考慮不同技術(shù)路線換流閥的適應(yīng)性，換流閥與控制保護、閥冷之間采用通用性的接口，提高兼容性和運行協(xié)調(diào)性。

4.2.2 換流變壓器

換流變壓器選型既要適應(yīng)換流器主接線要求，又要兼顧設(shè)備制造和運輸能力。特高壓直流工程用換流變采用戶外、單相、雙繞組、油浸式、有載調(diào)壓變壓器，冷卻方式為OFAF(強迫油循環(huán)風(fēng)冷)或ODAF (強迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷)，中性點直接接地。換流變壓器由本體、組部件、傳感器組成。根據(jù)站址大件運輸條件的不同，換流變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)可采用兩柱式或三柱式，具體需要根據(jù)大件運輸條件、電壓等級、容量等因素確定。

4.2.3 平波電抗器

經(jīng)過綜合比較，特高壓直流工程采用干式平波電抗器。平波電抗器按電感量平均分配安裝在極線和中性線上，并緊靠閥廳布置。每極平波電抗器電感值300 mH，文獻［10］采用2種配置方案:(1)每極采用6臺電感值為50 mH的平波電抗器，全站共12臺平波電抗器;(2)每極采用4臺電感值為75 mH的平波電抗器，全站共8臺平波電抗器。具體選用哪種方案要考慮運輸條件和廠家的制造能力。

4.2.4 直流開關(guān)

直流開關(guān)包括直流轉(zhuǎn)換開關(guān)、旁路開關(guān)、直流隔離開關(guān)、直流場接地開關(guān)和閥廳接地開關(guān)共5類設(shè)備。其中直流轉(zhuǎn)換開關(guān)包括金屬回線轉(zhuǎn)換開關(guān)(metallic return transfer breaker，MRTB)、大地回線轉(zhuǎn)換開關(guān)(ground return transfer switch，GRTS)、中性母線開關(guān)(neutral bus switch，NBS)、中性母線接地開關(guān)(neutral bus grounding swithch，NBGS)，旁路開關(guān)包括高端12脈動換流閥組旁路開關(guān)和低端12脈動換流閥組旁路開關(guān)，直流隔離開關(guān)包括極線直流隔離開關(guān)、中點(2個12脈動換流閥組連接點，以下簡稱中點)直流隔離開關(guān)和中性線直流隔離開關(guān)，直流場接地開關(guān)包括極線直流接地開關(guān)、中點直流接地開關(guān)和中性線直流接地開關(guān)，閥廳接地開關(guān)包括閥廳極線側(cè)接地開關(guān)、閥廳中點側(cè)接地開關(guān)、閥廳中性線側(cè)接地開關(guān)、高端Y/Y換流變壓器閥側(cè)接地開關(guān)、高端Y/D換流變壓器閥側(cè)接地開關(guān)、低端Y/Y換流變壓器閥側(cè)接地開關(guān)和低端Y/D換流變壓器閥側(cè)接地開關(guān)。其中MRTB和GRTS僅在送端換流站內(nèi)裝設(shè)。

4.2.5 直流控制保護

直流控制保護采用實時、全數(shù)字的分布式系統(tǒng);按照分區(qū)配置保護，分層實施控制;直流控制保護的每個測量信號均采用雙通道測量校驗，包括換流變保護在內(nèi)的直流保護系統(tǒng)均采用“三取二”邏輯，即信號測量繞組、回路、電源、測量模塊、主機按照三重化原則完全冗余配置，將雙極層保護下放至極層，不設(shè)置單獨的雙極保護主機，提高可靠性。

4.3 布置方案緊湊

4.3.1 換流場

按照通用性原則，考慮適應(yīng)已有的2種技術(shù)路線換流變、4種技術(shù)路線換流閥的各種組合。閥廳大小、閥廳之間搬運廣場尺寸按照不同組合給出，并給出適應(yīng)不同組合的設(shè)計方案。換流廣場:根據(jù)換流變線圈芯柱不同(分為兩柱式和三柱式2種結(jié)構(gòu))，換流廣場對應(yīng)有2種模塊方案。方案一(適用于單相兩柱式換流變壓器):以道路為界，區(qū)域?qū)挾葹?80 m，滿足不同技術(shù)路線換流閥與換流變組合要求。方案二(適用于三柱式換流變壓器):以道路為界，區(qū)域?qū)挾葹?88 m，滿足不同技術(shù)路線換流閥與換流變組合要求。整個換流廣場布置方正、規(guī)整，有利于噪聲抑制。

4.3.2 直流場

直流場通用設(shè)計方案推薦戶外場，整個布置簡單，建設(shè)和運行費用低。成功解決了戶外場需解決設(shè)備在高電壓、重污穢、大風(fēng)沙等惡劣自然環(huán)境下的外絕緣問題，以及支柱絕緣子的機械強度問題。采用典型雙極對稱設(shè)計，直流場設(shè)備按極對稱布置，直流中性點設(shè)備布置在直流場的中央，直流高壓極線設(shè)備布置在直流場兩側(cè)，每極直流濾波器組布置在直流中性點設(shè)備和直流高壓極線設(shè)備之間［11］。

4.3.3 交流濾波器場

交流濾波器場模塊按照布置型式不同分為“田”字形和改進“田”字形2種。2種模塊方案的交流濾波器布置方式不同、組數(shù)不同，對交流濾波器小組數(shù)量的適應(yīng)性不同，具體工程規(guī)模可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整。

4.4 注重輔助系統(tǒng)和細節(jié)設(shè)計

4.4.1 進一步優(yōu)化建筑物設(shè)計

控制樓通用設(shè)計在吸收以往工程經(jīng)驗基礎(chǔ)上，推進簡約化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。將閥廳空調(diào)設(shè)備間移至控制樓內(nèi)，將閥外冷設(shè)備間與控制樓合并設(shè)計，壓縮樓層層高，優(yōu)化房間功能布局與建筑面積，提升使用方便性和工程經(jīng)濟性。

4.4.2 規(guī)范換流閥冷卻系統(tǒng)

通用設(shè)計的換流閥內(nèi)冷系統(tǒng)均為水冷，外冷包括水冷(主要方式)、空冷，以及空冷+水冷3種方式，實際工程可結(jié)合站址的氣候、水源、水質(zhì)情況進行選擇。每個閥廳內(nèi)的換流閥組設(shè)置一套閥冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)由內(nèi)冷系統(tǒng)和外冷系統(tǒng)2個部分組成，內(nèi)冷系統(tǒng)為閉式單循環(huán)系統(tǒng)，冷卻介質(zhì)采用去離子純水;外冷系統(tǒng)按照冷卻介質(zhì)的不同分為水冷、空冷2種冷卻方式。在水資源豐富且年平均氣溫較高的地區(qū)，閥外冷系統(tǒng)宜采用水冷方式。在年平均氣溫較低、極端最高氣溫與換流閥進水溫度的差值大于5℃的地區(qū)，閥外冷系統(tǒng)宜采用空冷方式;在年平均氣溫較低、極端最高氣溫與換流閥進水溫度的差值小于5℃的地區(qū)，閥外冷系統(tǒng)宜采用空冷為主、串聯(lián)水冷為輔的冷卻方式。

4.4.3 優(yōu)化閥廳設(shè)計方案

換流變壓器交流進線及閥廳直流出線設(shè)計簡單、方便。每極高、低端閥廳采用面對面布置，雙極的低端閥廳采用背靠背聯(lián)合布置。主控樓緊靠低端閥廳，輔控樓緊靠高端閥廳。每個換流器的6臺換流變緊靠閥廳一字形布置，閥側(cè)套管直接插入閥廳，在閥廳內(nèi)部完成Y、△接線。以往直流工程閥廳按照每臺換流變分別配置地刀，一般為埋地式設(shè)計;通用設(shè)計根據(jù)錦蘇工程經(jīng)驗，按照每組換流變配置一副地刀設(shè)計，并改為側(cè)墻式，取消了地下管溝，節(jié)省投資，提高了可靠性［12-13］。

5 結(jié)語

通用設(shè)計規(guī)范了設(shè)計原則，對提高工程質(zhì)量、縮短建設(shè)周期意義重大，特別是“十二五”及“十三五”期間，±800 kV特高壓直流輸送容量將進一步提升。隨著±1 100 kV特高壓直流輸電技術(shù)不斷成熟，特高壓直流輸電技術(shù)還將得到更為廣泛的應(yīng)用。國家電網(wǎng)公司還將根據(jù)技術(shù)的不斷進步，滾動修訂通用設(shè)計方案，進一步推進特高壓直流輸電技術(shù)不斷進步。

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(編輯:張小飛)