±600 kV/4 000 MW換流站主接線方案研究

趙東成，常伯濤，楊建華 ，朱 萍，屈彥明，劉 森

(1.河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031；2.國網河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050051)

2017-05-20

趙東成(1979-)，男，高級工程師，主要從事變電站電氣一次設計工作。

±600 kV/4 000 MW換流站主接線方案研究

趙東成1，常伯濤1，楊建華2，朱 萍1，屈彥明1，劉 森1

(1.河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031；2.國網河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050051)

以國外某±600 kV/4000 MW換流站為基礎，提出每極1組12脈動換流器和每極2組12脈動換流器2種主接線方案，從技術性和經濟性對2種主接線方案進行比較分析，認為每極1組12脈動換流器主接線方案技術可行、經濟合理。

換流站；主接線；可靠性；布置方案

在大容量、大電流的高壓直流輸電系統中，換流站主接線方案對于整個直流輸電工程的實施難度、可靠性水平和交流系統的影響都具有重要的意義，是工程設計研究的基礎，也是整體技術方案和技術路線的主要體現[1]。換流站主接線方案的核心問題是確定換流站主要設備的具體配置，需要從技術方案的可行性、工程的可靠性及經濟性等方面進行研究論證[2]。國外某換流站為±600 kV/4 000 MW，主接線方案主要有：方案1，每極1組12脈動換流器方案；方案2，每極2組12脈動換流器串聯方案。以下就上述2種方案進行技術性和經濟性分析，確定工程的可行性方案。

1 主接線方案技術性分析

1.1 技術難度

目前高壓直流輸電工程中，換流站主接線方案的選擇主要受設備制造能力和大件運輸條件限制。

每極1組12脈動換流器方案中，換流器結構最簡單、設備數量最少，是理想的接線方式。但這種接線方式的單臺換流變壓器結構復雜、絕緣水平高，容量達到403 MVA，超過向家壩-上?！?00 kV特高壓直流輸電示范工程用換流變壓器容量(320 MVA)[3]，為當前國際上最大的單相雙繞組換流變壓器，對換流變壓器的制造和運輸提出很大的挑戰，在現有制造技術條件下每極1組12脈動換流器方案的換流變壓器可以制造并通過鐵路運輸方式運至換流站。另外，這種接線方式的換流器本身絕緣要求高，換流器串聯的閥片數量較多，閥廳的高度增加，給抗震、支撐或懸吊等都增加了難度。

每極2組12脈動換流器串聯方案中，每組12脈動換流器只承擔一半的單極容量，相應的高端換流變壓器的容量也減半。借鑒向家壩-上海±800 kV特高壓直流輸電示范工程用換流變壓器的制造經驗，±600 kV直流輸電工程用換流變壓器的制造和運輸均不存在技術障礙。

1.2 可靠性分析

高壓直流輸電系統主回路中影響系統運行可靠性的主要元件包括：換流變壓器、換流閥、平波電抗器、直流場設備等，其中換流閥、平波電抗器、直流場設備等的可靠性在2種不同的接線方案中都是基本相同的，對系統可靠性的影響沒有質的差異。因此，在下面的可靠性分析中重點考慮的元件為換流變壓器[4]。

方案l的換流變壓器容量大、電壓高，制造難度較大，單臺換流變的可靠性較低。由于換流變總臺數較少，換流變壓器總的故障率較低，但單臺換流變壓器故障時將損失一個極的電量。

假設換流變壓器的可用率為0.95，則一站換流變壓器的總臺數為12臺，全部換流變的故障概率為：

12×(1-0.95)=0.6次/年

相應的故障損失電量為：

0.6×7×24×3 200=3.225 6億kWh/年

從發生故障的概率上看，由于單換流器接線方案中換流變壓器數量最少，每極只有6臺，因此這種方案的故障率較小，可靠性較高，一旦1臺換流變壓器故障，則單極就要停運，故障損失的電量較多。

方案2的換流變壓器容量小、電壓低，因此單臺換流變可靠性較高。由于換流變壓器臺數較多，換流變壓器總的故障率較高，但一臺換流變壓器故障僅損失單極的一半功率，故障時損失的總電量較少，能源可用率高，工程運行方式靈活但控制保護系統較復雜。

在可靠性初步分析中只考慮換流變壓器的因素。假設低端換流變壓器可用率為0.965，由于對地絕緣水平更高，高端換流變壓器的可用率略低，假設高端換流變壓器可用率為0.955。

低端換流變壓器的故障概率為：

12×(1-0.965)=0.42次/年

故障損失電量為：

0.42×7×24×0.5×3 200=1.129億kWh/年

高端換流器組故障概率為：

12×(l-0.955)=0.54次/年

故障損失電量為：

0.54×7×24×0.5×3 200=1.451 5億kWh/年

換流變壓器的總故障率為0.96次/年，總故障損失電量為2.5805億kWh/年。

從以上結果可以看出，換流變壓器總的故障率較高，但故障時總的損失電量較低，換流站的可用率較高。

1.3 布置方案

每極1組12脈動換流器和每極2組12脈動換流器方案中，每種方案各有2種布置方式，各有優缺點。在具體的工程中，應根據設備的布置形式和接線方式，確定換流站的布置方式。

1.3.1 方案1

每極1組12脈動換流器方案中，對應每個閥廳有6臺換流變壓器，它們可采用一字形排列于閥廳的一側，也可以排列于閥廳的兩側，閥側套管在閥廳內接成Y、△后與閥相連。換流變壓器排列于閥廳的一側，有利于交直流開關場的布置和接線，共有2種布置方案，“一字形”的布置和背對背的布置方案。

a. 采用兩廳一樓“一字形”的布置形式，極1、極2閥廳分置主控制樓兩側，換流變壓器集中在閥廳一側布置。直流穿墻套管垂直于閥廳將直流引出到閥廳外。閥內冷設備布置在控制樓內，閥外冷設備布置在閥廳兩端的空地上。在閥廳內完成Y、△連接。高壓直流套管與高壓閥塔的底部相連接，中性母線在閥廳的另外一側與低壓閥塔的底部相連接，通過直流穿墻套管引出到直流場。采用上述布置方式的優點主要有：直流穿墻套管從閥廳高壓閥塔底部出線，布置較為成熟，高壓母線和中性母線在閥廳內的路徑長度短，接線相對簡單；備用換流變在更換時無需轉向，十分便利。

b. 采用兩廳一樓“背對背”的布置形式，極1、極2閥廳分置主控制樓兩側，采用“背靠背”布置方式，換流變壓器集中在閥廳一側布置。直流穿墻套管垂直于閥廳將直流引出到閥廳外。閥內冷設備布置在控制樓內，閥外冷設備布置在閥廳兩端的空地上。在閥廳內完成星形和三角形連接。高壓直流套管與高壓閥塔的底部相連接，中性母線在閥廳的另外一側與低壓閥塔的底部相連接，通過直流穿墻套管引出到直流場。采用上述布置方式的優點主要有：換流變壓器進串更加順暢，匯流母線至交流配電裝置進線的角度靈活。直流穿墻套管從閥廳高壓閥塔底部出線，布置較為成熟，高壓母線和中性母線在閥廳內的路徑長度短，接線相對簡單；直流穿墻套管從閥廳同側引出，每個閥廳的低壓閥塔遠離穿墻套管且閥塔出線與穿墻套管方向垂直，閥塔出線需要在閥廳內轉90°后再引接到穿墻套管上，閥廳內接線較為復雜。

1.3.2 方案2

每極2組12脈動換流器方案中，采用4個閥廳，共計2個高端閥廳和2個低端閥廳。根據換流變及閥廳的組合方式，共有2種方案：高、低壓閥廳面對面布置；高、低壓閥廳一字排列布置。

a. 將24臺換流變壓器按閥組劃分為4組，垂直于直流場布置。每組6臺換流變壓器一字排開，布置于閥廳一側，換流變壓器套管從一側插入閥廳。2個高壓閥廳在兩邊，2個低壓閥廳在中間背靠背布置，每極12臺換流變面對面布置。在每組換流變架設三相母線，即可實現6臺換流變網側母線的并聯。

該布置的主要特點有：面對面布置的高低端閥廳對換流變壓器噪聲的傳播有很好的阻擋和吸收作用，有利于換流站圍墻位置的噪音控制。減小了閥廳、換流變壓器區域和直流場的橫向尺寸。換流變壓器進串更加順暢，匯流母線至交流配電裝置進線的角度靈活。換流變壓器的匯流在換流變壓器防火墻上空完成后經過交流PLC設備直接進串，連接線短，布置緊湊；換流變壓器組裝場地上沒有一字型布置時的高跨線，布置更加美觀、清晰。直流穿墻套管從閥廳同側引出，每個閥廳的低壓閥塔遠離穿墻套管且閥塔出線與穿墻套管方向垂直，閥塔出線需要在閥廳內轉90°后再引接到穿墻套管上，閥廳內接線較為復雜。換流變壓器組裝場地考慮同一極的高、低端換流變壓器可同時背靠背安裝檢修，運行檢修非常靈活。

b. 將24臺換流變壓器一字排開布置在閥廳的一側，平行于直流場布置。2個高壓閥廳在兩邊，2個低壓閥廳在中間相鄰布置。換流變壓器的安裝、搬運軌道布置于換流變壓器靠交流場側。每個閥組換流變按Y/Y：W、V、U，Y/△：U、V、W排列，相鄰Y/Y：U相和Y/△：U相直接連接，另外兩相通過換流變壓器上方設母線連接。

該布置的主要特點有：閥廳、換流變壓器采用一字型布置，閥廳對換流變壓器噪聲有明顯的阻擋作用，直流場噪音小，基本不受換流變壓器噪音的影響。但24臺換流變壓器一字排開面向交流場，其噪音向交流場及其兩側傳播，噪音大，噪音覆蓋范圍廣，治理困難。直流場的橫向尺寸大。換流變進串引線角度較大，匯流母線跨度大(超過60 m)，接線復雜。直流穿墻套管從閥廳長度方向出線，接線相對簡單。備用換流變壓器的更換無需轉向。

2 主接線方案經濟性分析

方案1中每個換流站的換流變壓器總臺數為14臺(含2臺備用)，設備數量少，占地面積小，投資造價低，經濟性好。方案2中每個換流站的換流變壓器總臺數為28臺(含4臺備用)，設備數量多，占地面積大，投資造價較高。

表1為2種主接線方案的經濟性分析，由表1可見，方案1比方案2節約25 200萬元?！?00 kV直流輸電工程采用方案l的經濟性將更加明顯。

表1 主接線方案經濟性分析 萬元

項目方案每極1組12脈動換流器方案每極2組12脈動換流器方案分項送端受端總價送端受端總價主設備換流變壓器105000910001960009500088000182000換流閥260002500051000310003000061000平波電抗器50005000100005000500010000控制保護65006500130006500650013000其他新增交直流場設備費用0008000700015000新增土建費用000350030006500新增安裝費用000300033006300新增征地費用0006008001400費用總計270000295200

3 結論

方案l當單獨的換流器或換流變壓器故障時，會造成直流單極停運，但不會影響電網的安全穩定。此方案設備數量少，占地面積小，換流站的投資造價低，方案的經濟性好。盡管單臺換流變壓器的容量達到403 MVA，但換流變壓器運行方案可行。因此，方案1技術上可行，經濟性較好。方案2雖然比方案1對兩端的交流系統沖擊和影響小，但換流設備數量增加了一倍，換流站占地、造價等也相應上升，經濟性較差。綜上，每極1組12脈動換流器的方案技術可行，經濟合理，確定為±600 kV換流站主接線實施方案。

[1] 劉振亞．特高壓直流輸電理論[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2] 舒印彪．中國直流輸電的現狀及展望[J].高電壓技術，2004 ，30(11)：33-38.

[3] 張友富，黃振鵬，向孟奇．向家壩-上?！?00 kV換流變壓器短路阻抗確定方法的研究 [J].華東電力，2011，39 (12)：51-54.

[4] 束洪春，胡澤江，張靜芳．±800 kV換流站主接線可靠性評估[J].電力系統自動化，2008，32(10)：22-25.

Study on Main Wiring Scheme of ± 600 kV / 4 000 MW Converter Station

Zhao Dongcheng1，Chang Botao1，Yang Jianhua2,Zhu Ping1，Qu Yanming1，Liu Sen1

(1.Hebei Electric Power Design & Research Institute, Shijiazhuang 050031,China；2.State Grid Hebei Electric Power Corporation Shijiazhuang Power Supply Branch, Shijiazhuang 050051,China)

In this paper, based on a foreign ±600 kV/4 000 MW converter station,proposes 2 main wiring schemes such as each pole 1 group of 12 pulsating converters and each pole 2 groups of 12 pulsating converters,analysis the main wiring program from the technical and economic,consideres that the main wiring scheme of each pole 1 group of 12 pulsed converter is feasible and economically reasonable.

converter station；main wiring scheme；reliability；layout scheme

TM721.1

B

1001-9898(2017)05-0001-03

本文責任編輯：王洪娟