±800 kV鄭州換流站戶內(nèi)直流開關(guān)場(chǎng)設(shè)計(jì)

鄧廣靜，邵俊偉，王宏斌

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇南京，211102)

為滿足河南電網(wǎng)“十二五”及以后負(fù)荷快速增長(zhǎng)的供電要求，結(jié)合哈密地區(qū)風(fēng)電、煤電資源豐富的特點(diǎn)，1回哈密—河南±800 kV特高壓直流工程將在2012年建設(shè)?！?00 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(jí)較高，直流開關(guān)場(chǎng)電氣設(shè)備制造難度大。在已投運(yùn)直流輸電工程中通過復(fù)合絕緣或戶內(nèi)開關(guān)場(chǎng)來降低設(shè)備外絕緣[1，2]，但電壓等級(jí)僅為±500 kV，尚無±800 kV的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。文中推薦±800 kV極母線電氣設(shè)備采用戶內(nèi)布置方式，以減小設(shè)備爬電比距，并通過計(jì)算直流空氣間隙，提出戶內(nèi)開關(guān)場(chǎng)設(shè)計(jì)尺寸及直流開關(guān)場(chǎng)的布置方式，對(duì)±800 kV鄭州換流站的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 直流開關(guān)場(chǎng)接線

1.1 直流開關(guān)場(chǎng)電氣主接線

雙極直流開關(guān)場(chǎng)接線相對(duì)比較簡(jiǎn)單，以滿足系統(tǒng)基本運(yùn)行方式為原則。直流開關(guān)場(chǎng)的設(shè)備主要包括平波電抗器、直流濾波器、直流測(cè)量裝置、避雷器、沖擊電容器、PLC、開關(guān)設(shè)備、母線和絕緣子等。典型的±500 kV雙極直流開關(guān)場(chǎng)接線如圖1所示，鄭州換流站直流開關(guān)場(chǎng)接線如圖2所示。

圖1 典型±500 kV雙極直流開關(guān)場(chǎng)接線

圖2 鄭州±800 kV換流站直流開關(guān)場(chǎng)接線

與典型±500 kV雙極直流開關(guān)場(chǎng)接線相比，±800 kV鄭州換流站采用旁路開關(guān)接線。由于閥組采用每極2個(gè)12脈動(dòng)閥組串聯(lián)接線，每個(gè)12脈動(dòng)閥組均并聯(lián)一個(gè)旁路開關(guān)回路，以提高直流系統(tǒng)可靠性。旁路開關(guān)回路由旁路斷路器、旁路隔離開關(guān)以及之間的2組隔離開關(guān)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(lián)，使融冰模式下線路的輸送電流提高，相當(dāng)于2個(gè)單極400 kV金屬回路運(yùn)行方式并聯(lián)；由于晶閘管閥的單向?qū)ㄐ?，要使?fù)極性的極2高端閥組并聯(lián)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(zhuǎn)換隔離開關(guān)和并聯(lián)運(yùn)行隔離開關(guān)。

鄭州換流站輸送功率為7 500 MW，額定電流達(dá)到4 687.5 A。每極高端12脈動(dòng)換流器并聯(lián)運(yùn)行在400 kV直流電壓下,融冰時(shí)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(guān)5臺(tái)，由于融冰接線并不常用，因此利用4個(gè)常開可連接斷口和1個(gè)常閉可拆卸斷口代替隔離開關(guān)以節(jié)省投資。

2 直流開關(guān)場(chǎng)主要電氣設(shè)備

2.1 平波電抗器

平波電抗器用來抑制直流開關(guān)場(chǎng)或直流線路所產(chǎn)生的陡波沖擊波進(jìn)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(fù)荷時(shí)的電流續(xù)斷綜合考慮，鄭州換流站可采用每極裝設(shè)電感量為300 mH的平波電抗器。根據(jù)過電壓的估算結(jié)果，若電感量為300 mH的平波電抗器都裝設(shè)在直流極線上，過電壓水平較高，為降低設(shè)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(tái)75 mH干式電抗器串聯(lián)。

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(cè)諧波,減少直流輸電線路對(duì)鄰近通信線路的干擾，直流濾波器的接線，應(yīng)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(cè)均配有隔離開關(guān)，并且高壓側(cè)隔離開關(guān)具有在正常運(yùn)行情況下投切的能力。為方便檢修，在濾波器兩側(cè)均設(shè)有接地刀。鄭州換流站按每極裝設(shè)2組雙調(diào)諧直流濾波器考慮，為節(jié)省投資，2組直流濾波器的高壓側(cè)和低壓側(cè)共用1組隔離開關(guān)。

2.3 直流隔離開關(guān)

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

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(yán)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(zhì)和表面硅橡膠合成材料2種材料。受目前廠家生產(chǎn)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(fù)合絕緣機(jī)械強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度和爬距都能滿足設(shè)計(jì)要求，耐污能力大致接近于瓷質(zhì)的1.3倍。支柱絕緣子傘形結(jié)構(gòu)有大小傘及深棱傘2種，大量試驗(yàn)表明，相鄰傘間距的比值為3.15時(shí)，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(jí)與絕緣配合

3.1 污穢等級(jí)

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

根據(jù)河南省電力科學(xué)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(shù)據(jù)，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(dá)到了IV級(jí)污穢水平，因此鄭州換流站交流爬電比距按31 mm/kV設(shè)計(jì)。

直流爬電比距可按交流爬電比距的1.8～2.0倍簡(jiǎn)單計(jì)算[5]。因此鄭州換流站直流爬電比距按60 mm/kV設(shè)計(jì)。

3.2 直流側(cè)空氣間隙計(jì)算

換流站直流側(cè)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(yīng)的空氣間隙時(shí)，操作沖擊是比雷電沖擊重要的決定因素[6]。對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)空氣間隙時(shí)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(zhǔn)確的計(jì)算直流側(cè)空氣間隙，不僅需要架空軟導(dǎo)線、管型硬母線與構(gòu)架之間的放電特性曲線，而且需要帶電電氣設(shè)備（均壓環(huán)）與構(gòu)架之間的放電特性曲線。如果采用戶內(nèi)直流場(chǎng)，還需要管型硬母線對(duì)墻的放電特性曲線。

文中按照國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）提供的計(jì)算方法計(jì)算?？諝忾g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(luò)電壓；Ka為氣象修正系數(shù)；K1為裕度系數(shù)，對(duì)操作和雷電沖擊分別為1.2和1.25；up為避雷器相應(yīng)的（操作、雷電）沖擊波保護(hù)水平；σ為間隙的沖擊（操作、雷電）放電電壓變異系數(shù)。

對(duì)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(shù)，導(dǎo)線對(duì)板k=1.15，導(dǎo)線對(duì)導(dǎo)線k=1.3，棒對(duì)棒k=1.4。

根據(jù)國(guó)內(nèi)對(duì)±800 kV直流工程系統(tǒng)過電壓初步研究提出的換流站設(shè)備絕緣水平值[7]，鄭州換流站±800 kV設(shè)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(shù)取6%。鄭州換流站海拔小于1 000 m，環(huán)境溫度不高于40℃，氣象修正系數(shù)為1。經(jīng)計(jì)算，鄭州換流站直流場(chǎng)最小空氣間隙如表1所示。

表1 鄭州換流站直流場(chǎng)最小空氣間隙

4 直流戶內(nèi)開關(guān)場(chǎng)設(shè)計(jì)

4.1 采用直流戶內(nèi)開關(guān)場(chǎng)降低污穢等級(jí)

如3.1節(jié)所述，如鄭州換流站極母線設(shè)備，隔離開關(guān)、平波電抗器、支柱絕緣子按照爬電比距60 mm/kV選擇設(shè)備，僅極母線設(shè)備絕緣件的閃距高度就達(dá)到816×60/3.15=15.54 m，結(jié)構(gòu)高度更高，同時(shí)平波電抗器絕緣件還要承受重達(dá)幾十噸的重量，隔離開關(guān)操作力較大，設(shè)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(nèi)直流場(chǎng)之前，英法海峽直流輸電工程的英國(guó)側(cè)已經(jīng)采用戶內(nèi)直流場(chǎng)。考慮鄭州換流站站址污穢等級(jí)高，推薦采用戶內(nèi)開關(guān)場(chǎng)，由于極母線電壓等級(jí)為±800 kV，極低端及中性線設(shè)備電壓等級(jí)低（最高400 kV），將±800 kV極母線設(shè)備戶內(nèi)布置，其余戶外布置。直流戶內(nèi)開關(guān)場(chǎng)設(shè)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(guān)、支柱絕緣子廠家目前的生產(chǎn)能力都能滿足。

4.2 直流戶內(nèi)開關(guān)場(chǎng)的布置

戶內(nèi)開關(guān)場(chǎng)電氣設(shè)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(shè)備間連線采用管母?？紤]對(duì)地場(chǎng)強(qiáng)的要求，戶內(nèi)設(shè)備及管母線高度按16 m設(shè)計(jì)，結(jié)合表1計(jì)算結(jié)果并考慮一定裕度，戶內(nèi)直流場(chǎng)凈高按25 m設(shè)計(jì)。

戶內(nèi)開關(guān)場(chǎng)極母線電氣設(shè)備除旁路隔離開關(guān)、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(chǎn)廠家的干式平波電抗器直徑可以控制在5 m以內(nèi)，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(guān)、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(hù)空間，戶內(nèi)開關(guān)場(chǎng)寬度按38 m設(shè)計(jì)。長(zhǎng)度按需要布置的設(shè)備總長(zhǎng)度控制。

±800 kV直流濾波器高壓電容器數(shù)量較多，電容器塔高度達(dá)到24 m左右，懸吊式安裝，構(gòu)架高度達(dá)36 m左右。將800 kV電容器分為0～500 kV和500～800 kV 2個(gè)塔串聯(lián)考慮，2個(gè)塔構(gòu)架高度基本一致，構(gòu)架高25 m。將電容器塔房間與戶內(nèi)開關(guān)場(chǎng)組成聯(lián)合建筑，呈凸字形建筑結(jié)構(gòu)。

鄭州換流站采用閥廳面對(duì)面布置，即兩極高端閥廳布置在直流場(chǎng)兩側(cè)，低端閥廳背靠背布置在直流場(chǎng)中間，場(chǎng)地總寬度達(dá)到285 m。戶內(nèi)開關(guān)場(chǎng)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(nèi)開關(guān)場(chǎng)。這樣布置的特點(diǎn)是與設(shè)備連接簡(jiǎn)單清晰，極母線設(shè)備沿著出線方向布置，±400 kV電氣設(shè)備及極中性線設(shè)備布置在兩棟戶內(nèi)直流場(chǎng)中間，利于平波電抗器的噪聲限制。

5 結(jié)束語

根據(jù)鄭州換流站站址附近的污穢數(shù)據(jù)，計(jì)算直流開關(guān)場(chǎng)設(shè)備爬電比距按60 mm/kV選擇，戶內(nèi)開關(guān)場(chǎng)設(shè)備爬電距離按25 mm/kV選擇。直流戶內(nèi)開關(guān)場(chǎng)凈高及寬度需充分考慮直流最小空氣間隙及設(shè)備外廓，建議戶內(nèi)開關(guān)場(chǎng)與直流濾波器的電容器塔室組成聯(lián)合建筑，呈凸字形建筑結(jié)構(gòu)，以利于整個(gè)直流場(chǎng)按極對(duì)稱布置，降低設(shè)備噪音。

建議進(jìn)行直流污穢試驗(yàn)以得到鄭州換流站站址的直流污穢數(shù)據(jù)，從而更加精確計(jì)算直流爬電比距，以指導(dǎo)工程建設(shè)。

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