興安直流工程換流站設(shè)計(jì)和自主化特點(diǎn)

李標(biāo)俊，李其書，楊躍輝，方 野

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州省興義市，562400）

0 引言

興仁換流站為興安直流工程送端換流站，由中南設(shè)計(jì)院、許繼—西門子聯(lián)合體、南網(wǎng)研究中心聯(lián)合設(shè)計(jì)。本工程建設(shè)以“以我為主、聯(lián)合設(shè)計(jì)、自主生產(chǎn)”為指導(dǎo)原則，對(duì)推動(dòng)關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化、掌握核心技術(shù)、提高國(guó)內(nèi)設(shè)備制造水平有極其重要的意義?，F(xiàn)將本工程設(shè)計(jì)和自主化特點(diǎn)總結(jié)成文，供設(shè)計(jì)、建設(shè)、施工及運(yùn)行部門參考[1]。

1 工程概況

貴州－廣東第2回±500kV直流輸電工程（簡(jiǎn)稱“興安直流工程”）是我國(guó)±500kV直流輸電工程自主化依托項(xiàng)目，同時(shí)也是中國(guó)南方電網(wǎng)實(shí)施“西電東送”的骨干工程。該工程西起貴州興仁換流站，東至廣東深圳寶安換流站，輸送容量為3 GW，電壓為±500kV，線路總長(zhǎng)為1194.5 km。雙極于2007年12月正式投入商業(yè)運(yùn)行[2]。

2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

興仁換流站設(shè)計(jì)分為成套設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)2部分。成套設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)研究、成套設(shè)計(jì)規(guī)范書、成套設(shè)計(jì)施工圖，由中南電力設(shè)計(jì)院、南網(wǎng)研究中心與直流承包商許繼—西門子共同設(shè)計(jì)完成。工程設(shè)計(jì)包括初步設(shè)計(jì)、第3部分設(shè)備采購(gòu)規(guī)范書以及施工圖，由中南電力設(shè)計(jì)院負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)[3]。

2.1 設(shè)計(jì)原則

（1）直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)由中標(biāo)的中外聯(lián)合體完成。

（2）換流閥采用中外聯(lián)合體投標(biāo)模式，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)可控硅元件及有關(guān)零部件的比例按50%考慮，1個(gè)極全進(jìn)口，1個(gè)極全國(guó)產(chǎn)。

（3）換流變及平波電抗器采用中外聯(lián)合體投標(biāo)模式，換流變和平波電抗器按1個(gè)極全進(jìn)口，1個(gè)極全國(guó)產(chǎn)考慮。

（4）直流控制保護(hù)：直流控制保護(hù)采用中外聯(lián)合體投標(biāo)模式，在確保工程質(zhì)量和工期的前提下，采用在外方指導(dǎo)下的硬軟件聯(lián)合設(shè)計(jì)，軟件方案由雙方共同制定，軟件編程由中方實(shí)施，所有的硬件設(shè)備（屏、柜）由國(guó)內(nèi)生產(chǎn)。

（5）交、直流濾波器：設(shè)備參數(shù)的成套設(shè)計(jì)由中外聯(lián)合體完成，由外方負(fù)責(zé)校核，國(guó)內(nèi)制造廠家提供交流濾波器組和高壓并聯(lián)電容器組中的電容器，其余元件國(guó)外采購(gòu)。

（6）直流開關(guān)場(chǎng)設(shè)備由外方供貨。

（7）交流開關(guān)場(chǎng)設(shè)備由中方自行采購(gòu)。

（8）閥冷卻水系統(tǒng)由外方設(shè)計(jì)供貨。

（9）消防系統(tǒng)、采暖通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)由國(guó)內(nèi)供貨。

（10）換流站的總體建筑設(shè)計(jì)由中方完成，換流建筑物等關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)與外方聯(lián)合進(jìn)行，材料在國(guó)內(nèi)采購(gòu)。其他土建及輔助系統(tǒng)設(shè)施均由國(guó)內(nèi)提供。

（11）換流閥及換流變區(qū)域的布置由外方設(shè)計(jì)。

（12）直流場(chǎng)布置由外方設(shè)計(jì)。

（13）交流開關(guān)場(chǎng)、交流濾波器場(chǎng)布置由中方負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)。

2.2 電氣主接線和布置

500kV交流側(cè)主接線采用一個(gè)半斷路器接線方式，如圖1所示。

直流側(cè)采用雙極每個(gè)極1個(gè)12脈動(dòng)閥組接線，按極裝設(shè)平波電抗器、直流濾波器和直流電壓電流測(cè)量裝置等。

換流變網(wǎng)側(cè)套管在網(wǎng)側(cè)接成Y0接線與交流系統(tǒng)直接相連，閥側(cè)套管在閥側(cè)按順序完成Y/△連接后與12脈動(dòng)閥組相連，換流變?nèi)嘟泳€組分別采用YNy0接線及YNd11接線。

直流接線方式有：?jiǎn)螛O大地回線運(yùn)行方式、單極金屬回線運(yùn)行方式、雙極運(yùn)行方式、空載加壓試驗(yàn)運(yùn)行方式。

2.3 閥廳及換流變布置

興仁換流站每極1個(gè)12脈動(dòng)閥組由2個(gè)6脈動(dòng)閥串聯(lián)組成，1個(gè)6脈動(dòng)閥每相由2個(gè)換流閥臂串聯(lián)組成。每相4個(gè)閥臂緊密串聯(lián)在1個(gè)閥塔上組成四重閥，每極12脈動(dòng)閥組三相共3個(gè)四重閥布置在1個(gè)閥廳內(nèi)，即三相四重閥。閥塔采用頂部懸掛式設(shè)計(jì)，塔頂部電壓兩極均為0 kV，底部電壓極Ⅰ為+500kV，極Ⅱ?yàn)?500kV。

換流變進(jìn)線處設(shè)置獨(dú)立過渡母線，過渡母線布置在換流變的正上方，將Y型和△型換流變進(jìn)線L1、L2、L3三相分別連接起來。換流變閥側(cè)套管全部插入閥廳布置。

平波電抗器布置在閥廳的直流出線側(cè)，閥側(cè)套管插入閥廳布置。

2.4 直流場(chǎng)布置

直流場(chǎng)設(shè)備按兩極對(duì)稱格局布置，直流極母線設(shè)備布置于直流場(chǎng)的兩側(cè)，直流中性母線設(shè)備布置于直流場(chǎng)的中央，在直流每極的極母線和中性母線之間布置2組直流濾波器。直流濾波器設(shè)備均采用低位支持式布置方案，四周用圍欄圍起。為防止圍欄內(nèi)雜草生長(zhǎng)影響設(shè)備安全運(yùn)行，圍欄內(nèi)采用碎水泥地面。

為了滿足設(shè)備運(yùn)輸和運(yùn)行檢修的要求，在平波電抗器出線側(cè)、直流線路出線側(cè)、極母線設(shè)備外側(cè)以及極母線設(shè)備和中性母線設(shè)備之間設(shè)置搬運(yùn)及檢修道路，在每極2組直流濾波器之間設(shè)置1條巡視小道。

2.5 交流濾波器布置

10個(gè)小組500kV濾波器分為3個(gè)大組，每個(gè)大組分別接入500kV交流場(chǎng)第1、第2、第3串中。同一交流濾波器大組設(shè)備采用集中布置方式，每個(gè)交流濾波器小組的間隔度為29 m。交流濾波器大組采用懸吊式管型母線配垂直伸縮式隔離開關(guān)，可減少縱向尺寸，節(jié)省占地面積。交流濾波器設(shè)備均采用低位支持式布置方案。交流濾波器分組結(jié)構(gòu)見圖2[4—5]。

在靠近濾波器圍欄前后兩側(cè)各設(shè)置1條搬運(yùn)及巡視檢修道路，在每個(gè)交流濾波器小組之間設(shè)置1條巡視小道。

2.6 500kV交流場(chǎng)交流配電裝置

興仁換流站500kV交流場(chǎng)采用屋外常規(guī)敞開式設(shè)備，3/2斷路器接線，500kV配電裝置交流進(jìn)出線間隔布置呈東西方向排列，由南北方向進(jìn)出線，換流變采用高架進(jìn)線分別接入第1串、第2串。

斷路器采用三列式布置方式，母線隔離開關(guān)采用懸吊式管型母線配單柱垂直開啟式且串中采用雙靜觸頭三接地隔離開關(guān)，線路避雷器及CVT采用常規(guī)設(shè)備敞開式布置，線路阻波器懸吊在出線架構(gòu)上，并設(shè)置有4個(gè)就地繼電器室。

2.7 電氣總平面布置

興仁換流站500kV交流場(chǎng)布置在站區(qū)的西部，500kV交流濾波器場(chǎng)分散布置在500kV交流場(chǎng)的南北兩側(cè)，閥廳及換流變區(qū)域布置在500kV交流場(chǎng)東側(cè)，500kV直流場(chǎng)布置在閥廳及換流變區(qū)域的東側(cè)，站用變區(qū)域布置在站區(qū)的西南部，站前區(qū)布置在站區(qū)的東南部。

2.8 監(jiān)控及保護(hù)系統(tǒng)

2.8.1 控制保護(hù)系統(tǒng)配置

興仁換流站的控制保護(hù)系統(tǒng)主要包括直流控制保護(hù)系統(tǒng)、運(yùn)行人員控制和站SCADA系統(tǒng)、調(diào)度自動(dòng)化和直流遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、能量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、直流線路故障定位系統(tǒng)、暫態(tài)故障錄波系統(tǒng)、交流保護(hù)系統(tǒng)、閥冷卻控制保護(hù)系統(tǒng)、站用電控制保護(hù)系統(tǒng)、火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、換流站安全監(jiān)視系統(tǒng)（CCTV）、站用110 V和24 V直流系統(tǒng)、交流不停電電源系統(tǒng)等。

興仁換流站控制和保護(hù)系統(tǒng)按冗余原則設(shè)計(jì)。所有主要控制保護(hù)的硬件及軟件均為雙重化或多重化設(shè)計(jì)，任何單一的軟件或硬件故障都不會(huì)引起直流系統(tǒng)的停運(yùn)。直流保護(hù)系統(tǒng)采用三重化配置，出口邏輯為三取二[6]。

2.8.2 二次設(shè)備的布置

2個(gè)極的控制保護(hù)設(shè)備和站公用設(shè)備布置在主控樓內(nèi)，500kV第1、3串及第1、3大組交流濾波器對(duì)應(yīng)的二次控制保護(hù)屏柜等設(shè)備布置在500kV 1號(hào)繼電器室；500kV第2、4串及第2大組交流濾波器對(duì)應(yīng)的二次控制保護(hù)屏柜等設(shè)備布置在500kV 2號(hào)繼電器室；第5、6串對(duì)應(yīng)的二次控制保護(hù)屏柜等設(shè)備及母差保護(hù)布置在500kV 3號(hào)繼電器室；第7、8、9串對(duì)應(yīng)的二次控制保護(hù)屏柜等設(shè)備布置在500kV 4號(hào)繼電器室。

2.9 站用電系統(tǒng)

興仁換流站采用3回獨(dú)立電源供電，其中2回為工作電源，1回為備用電源。1回電源取自站內(nèi)裝設(shè)1組500kV/10 kV站用變壓器，其他2回取自站外，分別從站外引接。

興仁換流站采用的3回電源分別通過500kV/10 kV、110 kV/10 kV、35 kV/10 kV站用變降壓后接入站10 kV系統(tǒng)。

站用10 kV系統(tǒng)采用單母線，設(shè)2個(gè)工作段，每段各由1回獨(dú)立電源供電，另設(shè)1個(gè)備用段。每個(gè)工作段均可從備用母線段取得備用電源，每個(gè)10 kV工作段各接2臺(tái)10 kV/0.4 kV，2500kVA低壓站用變壓器，對(duì)全站的站用負(fù)荷供電。

3 自主化特點(diǎn)

3.1 創(chuàng)立了“貴二模式”

南網(wǎng)研究中心通過全過程參與貴廣二回直流工程的系統(tǒng)研究、設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試，創(chuàng)立了“貴二模式”，掌握了高壓直流輸電工程核心關(guān)鍵技術(shù)，提高了核心競(jìng)爭(zhēng)力，成為了一個(gè)“合格的供貨商”，為更大范圍參與競(jìng)爭(zhēng)創(chuàng)造條件。貴二模式特點(diǎn)見表1。

表1 貴二模式特點(diǎn)Tab.1 Charateristics of“GuiⅡ Mode”

3.2 國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)范圍擴(kuò)大

由于換流站設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的力度有所擴(kuò)大，國(guó)產(chǎn)化是貴廣二回最大的特點(diǎn)[7—11]。如極Ⅰ換流變壓器從選型、制造，包括全站的布置、施工都是國(guó)內(nèi)獨(dú)立完成，換流閥、平波電抗器等關(guān)鍵部分，由中方為主的中外聯(lián)合體供貨，整個(gè)工程的主要設(shè)備有70%實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化；系統(tǒng)研究報(bào)告共20項(xiàng)，自主化率100%；成套設(shè)計(jì)圖紙共17項(xiàng)，自主化率100%；成套設(shè)計(jì)計(jì)算書共7項(xiàng)，自主化率100%；成套設(shè)計(jì)二次施工圖紙共321卷冊(cè)，自主化率100%。

3.3 自主調(diào)試

直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)和功能試驗(yàn)技術(shù)是直流工程的一項(xiàng)核心技術(shù)，在貴廣Ⅰ回直流工程建設(shè)中，這項(xiàng)試驗(yàn)完全由外方負(fù)責(zé)。而在貴廣Ⅱ回，控制保護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)100%由中方完成，試驗(yàn)共發(fā)現(xiàn)和解決了100多項(xiàng)技術(shù)難題，還第一次采用由實(shí)際控制保護(hù)裝置和軟件構(gòu)成的平臺(tái)完成試驗(yàn)，第一次采用全數(shù)字式實(shí)時(shí)仿真進(jìn)行控制保護(hù)性能試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)，構(gòu)建了世界上最大規(guī)模的交直流混合實(shí)時(shí)仿真電網(wǎng)模型，并從南方電網(wǎng)大系統(tǒng)安全穩(wěn)定的角度進(jìn)行仿真試驗(yàn)，具有更強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

3.4 自主化成果

（1）通過貴廣二回直流工程的研究、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和系統(tǒng)調(diào)試，南網(wǎng)研究中心更加了解南方電網(wǎng)，系統(tǒng)研究項(xiàng)目針對(duì)性更強(qiáng)，并創(chuàng)新了研究方法、研究?jī)?nèi)容。

（2）中方承擔(dān)全部動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)和性能試驗(yàn)。

（3）中方承擔(dān)全部大型直流輸電工程站系統(tǒng)和系統(tǒng)調(diào)試。依托技術(shù)合作，完成整體試驗(yàn)方案，并對(duì)調(diào)試方案設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化；首次編制完成了直流工程的調(diào)試專用軟件，并進(jìn)行了完整的調(diào)試設(shè)備研制和試驗(yàn)項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化組合，成功克服了調(diào)試遇到的系統(tǒng)難題。

（4）受端換流站交流濾波器配置采用了中方提出的方案。

（5）交流PLC采用層架式結(jié)構(gòu)電容器。

（6）獨(dú)立完成了全站控制保護(hù)系統(tǒng)的集成、接口設(shè)計(jì)，二次設(shè)計(jì)中融入國(guó)內(nèi)成熟經(jīng)驗(yàn)，如裝置電源、接口部分的設(shè)計(jì)。

（7）站用電源系統(tǒng)備用自投功能采用國(guó)內(nèi)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了10 kV和400 V兩層雙向背自投功能，提高了電源可靠性。

（8）創(chuàng)新?lián)Q流建筑物結(jié)構(gòu)，主控制樓采用混凝土，3層結(jié)構(gòu)，并充分考慮人性化設(shè)計(jì)，注意主控制室的通風(fēng)和采光。

（9）主動(dòng)聽取運(yùn)行部門意見，從而避免重復(fù)問題發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

興安直流工程的按期建設(shè)投產(chǎn)，標(biāo)志著該工程全面實(shí)現(xiàn)了直流輸電工程系統(tǒng)研究、換流站設(shè)備成套設(shè)計(jì)和直流工程設(shè)計(jì)自主化和設(shè)備制造自主化，綜合自主化率達(dá)到70%以上。并且在投運(yùn)后第1年能量可用率達(dá)到99.19%的國(guó)際領(lǐng)先、國(guó)內(nèi)第一水平，標(biāo)志著我國(guó)電力行業(yè)重大技術(shù)裝備國(guó)產(chǎn)化工作取得了重要突破，為實(shí)現(xiàn)國(guó)家制定的直流輸電工程全面自主化的戰(zhàn)略目標(biāo)做出了貢獻(xiàn)。

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