一種新型的特高壓換流站直流融冰接線方案

李扶中，雷翔勝，崔 瓊

(1.廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510663；2.廣東電網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510010；3.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510650)

1 概述

近幾年，中國將陸續(xù)建成多條±800kV特高壓直流輸電工程。特高壓直流系統(tǒng)的輸電容量高達(dá)5GW～7.2GW，如此大容量的電力傳輸對直流輸電系統(tǒng)的可靠性提出了極高的要求。由于特高壓直流輸電工程往往輸送距離遠(yuǎn)，中間需跨越多個(gè)易發(fā)嚴(yán)重復(fù)冰災(zāi)害的區(qū)域。因此，研究特高壓直流工程的防冰和除冰技術(shù)對確保特高壓直流輸電系統(tǒng)本身以及相關(guān)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行都具有重要意義。

現(xiàn)已投運(yùn)的特高壓換流站均采用戶外直流場布置方案。然而，隨著特高壓直流輸電工程的逐漸增多，建設(shè)在大氣污穢嚴(yán)重地區(qū)或高海拔地區(qū)的特高壓換流站由于爬電距離加大而造成設(shè)備的高度增加，當(dāng)設(shè)備制造難度太大或采用其他防直流污閃措施后不能滿足要求時(shí)，往往需要采用戶內(nèi)直流場的布置方案。目前，國內(nèi)僅針對戶外直流場的融冰接線型式進(jìn)行了研究和分析，而對于換流站戶內(nèi)直流場均未考慮融冰接線的功能。因此，本文以特高壓直流輸電受端換流站為研究對象，根據(jù)戶內(nèi)直流場的技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種新型的融冰接線型式，這種新型融冰接線方式的提出將為開展特高壓換流站戶內(nèi)直流場設(shè)計(jì)提供參考，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 戶外直流場融冰方式研究

目前，特高壓換流站戶外直流場均采用2組12脈動(dòng)換流器并聯(lián)運(yùn)行的方式來提供緊急融冰電流，典型的融冰接線示意圖如圖1所示，融冰電流流經(jīng)的線路在圖中用深色線標(biāo)出。

緊急融冰時(shí)，通以+400kV的電壓，線路融冰電流設(shè)為2倍的額定電流，通過極1高壓直流線路流進(jìn)，極2高壓直流線路流出。先將2組低端12脈動(dòng)換流器V2和V3退出運(yùn)行，通過隔離開關(guān)斷開。然后，將換流站轉(zhuǎn)入單極單換流器V1金屬回線運(yùn)行，然后閉合V4并聯(lián)線路上的隔刀，解鎖V4并逐漸增大電流，即可不停電實(shí)現(xiàn)2組12脈動(dòng)換流器并聯(lián)融冰運(yùn)行方式。這樣，800kV設(shè)備當(dāng)作400kV來運(yùn)行，不但不用增加額外的投資，而且可以利用極在線的電壓電流測量裝置監(jiān)測融冰時(shí)的工況。

圖1 戶外直流場電氣主接線(考慮緊急融冰)

為實(shí)現(xiàn)上述緊急融冰運(yùn)行方式，只需在特高壓換流站直流場增加融冰專用連接管母線A－A1、B－B1、C－C1、D－D1和相應(yīng)的直流隔離開關(guān)Q1～Q4，就可以方便地通過直流場操作，使2組12脈動(dòng)換流器由常規(guī)的串聯(lián)運(yùn)行方式切換為每站2個(gè)換流器并聯(lián)，經(jīng)由金屬回路返回的單級(jí)融冰運(yùn)行方式。由于融冰接線并不常用，為節(jié)省投資，通常將融冰所需的隔離開關(guān)斷口用支柱絕緣子代替，并提前預(yù)留接線端子及連接導(dǎo)線，當(dāng)需要采取融冰方式運(yùn)行時(shí)再臨時(shí)接線。

3 戶內(nèi)直流場新型融冰方案設(shè)計(jì)

對戶外直流場而言，增加緊急融冰接線的功能通常不會(huì)使得戶外直流場的占地增加。此時(shí)，緊急融冰接線投資主要取決于新增融冰專用連接管母線的長度。對于戶內(nèi)直流場則不同，由于從戶內(nèi)到戶外接線需要通過直流穿墻套管，如果因緊急融冰需要新增戶內(nèi)－戶外直流穿墻套管，不但會(huì)造成戶內(nèi)建筑物的體量增大，使得運(yùn)行費(fèi)用提高，而且會(huì)造成直流場新增占地增加，影響戶內(nèi)直流場的經(jīng)濟(jì)性。

按照電氣接線方便、工程投資少的原則，我們設(shè)計(jì)了一種新型的戶內(nèi)直流場接線布置方案，增加了緊急融冰的功能，其電氣主接線如圖2所示。戶內(nèi)直流場區(qū)域設(shè)備在圖2中實(shí)線框內(nèi)，融冰電流流經(jīng)的線路在圖中用深色線標(biāo)出。緊急融冰時(shí)，戶內(nèi)直流場僅需要增加融冰專用的連接管母線A－A1和臨時(shí)斷口Q1～Q7，不需要新增戶內(nèi)－戶外直流穿墻套管。

圖2 戶內(nèi)直流場電氣主接線方案(考慮緊急融冰)

緊急融冰時(shí)，換流站內(nèi)電流的流經(jīng)路徑為：

極1回路電流通過極1直流線路流進(jìn)站內(nèi)——經(jīng)800kV直流穿墻套管(序號(hào)①)接至極1戶內(nèi)直流開關(guān)場——通過極母線流過平抗后經(jīng)800kV直流穿墻套管(序號(hào)②)接入極1高端閥廳——流過極1高端換流閥組后通過400kV穿墻套管(序號(hào)④)再接到極1戶內(nèi)直流開關(guān)場——極1的400kV穿墻套管(序號(hào)③)流到戶外——經(jīng)中性母線回路流到極1的直流濾波器低壓側(cè)的管母——與極2回路的融冰電流匯合后通過融冰專用管母線A－A1經(jīng)搭接點(diǎn)Q4接到極2直流出線，完成融冰。

極2回路電流通過極1直流線路流進(jìn)站內(nèi)——經(jīng)戶外的融冰搭接點(diǎn)Q5接至金屬回路——通過極2的400kV金屬回路穿墻套管(序號(hào)⑥)接至極2戶內(nèi)直流開關(guān)場——經(jīng)戶內(nèi)的融冰搭接點(diǎn)Q3接至極母線處——通過極母線流過平抗后通過融冰專用支柱絕緣子搭接點(diǎn)Q1(此絕緣子設(shè)計(jì)為上下兩段支柱絕緣子迭加而成，上段采用400kV絕緣子搭接點(diǎn)Q1，下段為100kV絕緣子搭接點(diǎn)Q2)接至極2的400kV穿墻套管(序號(hào)④)接入極2高端閥廳——流過極2高端換流閥組后通過800kV穿墻套管(序號(hào)②)再接到極2戶內(nèi)直流開關(guān)場——再次通過融冰專用支柱絕緣子搭接點(diǎn)Q2接至極2的400kV穿墻套管(序號(hào)③)流到戶外——經(jīng)中性母線回路流到極2的直流濾波器低壓側(cè)的管母——與極1回路的融冰電流匯合后通過融冰專用管母經(jīng)搭接點(diǎn)Q4接到極2直流出線，完成融冰。

增加緊急融冰的功能以后，直流穿墻套管的數(shù)量沒有增加，唯一不同的是連接極2戶內(nèi)直流開關(guān)場和戶外金屬回線的直流穿墻套管電壓等級(jí)由100kV變?yōu)?00kV。這是因?yàn)榫o急融冰時(shí)，該穿墻套管處于直流+400kV高壓進(jìn)線端。

增加融冰功能后，極1和極2的戶內(nèi)直流場存在部分差異，不完全為鏡像布置。極2戶內(nèi)直流開關(guān)場包含3個(gè)融冰接線用斷口，極1戶內(nèi)直流場則無此類斷口。另外，極線與金屬回線的連接部分選用的直流穿墻套管電壓等級(jí)，極2是400kV，極1則為100kV。

這種新型戶內(nèi)直流場接線布置方案的主要優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)不會(huì)因緊急融冰而增加戶內(nèi)直流場的穿墻套管數(shù)量，避免了戶內(nèi)直流場占地的擴(kuò)大。降低了工程投資和運(yùn)行費(fèi)用、節(jié)省了全站占地面積。

(2)將金屬回路設(shè)計(jì)成400kV絕緣等級(jí)的回路，融冰時(shí)正極(+400kV)電流通過金屬回路流入極2高端閥塔。這樣就可以減少一條約200m的融冰回路，僅需要增加一條很短的融冰專用管母線A－A1，降低了工程投資，使得直流場布置更加簡潔、整齊和美觀。

(3)通過采用層疊方式的融冰專用支柱絕緣子，創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了Q1和Q2兩個(gè)融冰臨時(shí)搭接點(diǎn)的上下布置。使得戶內(nèi)直流開關(guān)場的布置更加緊湊，提高了空間利用率，降低了工程投資和運(yùn)行費(fèi)用、節(jié)省了全站占地面積。

4 結(jié)語

本文以特高壓直流受端換流站為研究對象，在簡要分析了戶外直流場布置的緊急融冰接線型式的基礎(chǔ)上，根據(jù)戶內(nèi)直流場的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的緊急融冰接線型式，并詳細(xì)分析了這種融冰接線方案的運(yùn)行方式，總結(jié)了其主要優(yōu)點(diǎn)。

新型融冰接線方案應(yīng)用于換流站戶內(nèi)直流場，不但可以顯著減少換流站專用融冰管母線的長度，并且不需新增穿墻套管數(shù)量。這種新型方案可以有效降低工程造價(jià)、節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，顯著提升戶內(nèi)直流場的空間利用率，提高戶內(nèi)直流場設(shè)計(jì)的整體經(jīng)濟(jì)性。本文提出的新型戶內(nèi)直流場緊急融冰接線方式具有較強(qiáng)的通用性，可適用于特高壓直流送端換流站，并可推廣應(yīng)用至500kV直流輸電工程戶內(nèi)直流場。本文的研究結(jié)論將為開展特高壓換流站戶內(nèi)直流場設(shè)計(jì)提供參考，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]蔣興良，易輝.輸電線路覆冰及防護(hù)[J].北京：中國電力出版社，2002.

[2]陸佳政，等.湖南電網(wǎng)2008 年冰災(zāi)事故分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(11).

[3]苑吉河，等.輸電線路導(dǎo)線覆冰的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].高電壓技術(shù)，2004，30(1).

[4]黃新波，等.電力架空線路覆冰雪的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(4).

[5]舒印彪，等.±800 kV 6 400 MW特高壓直流輸電工程設(shè)計(jì)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(1).

[6]尚春.特高壓輸電技術(shù)在南方電網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2006，32(1).

[7]田杰，等.提高特高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)可靠性研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(21).

[8]張祿琦，等.高壓直流輸電工程可靠性指針統(tǒng)計(jì)分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31(19).

[9]張慶武，呂鵬飛，王德林.特高壓直流輸電線路融冰方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(7).

[10]常浩，石巖，殷威揚(yáng)，等.交直流線路融冰技術(shù)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(5).

[11]李立.特高壓直流輸電的技術(shù)特點(diǎn)與工程應(yīng)用[J].電力設(shè)備，2006，7(3).

[12]張慶武，呂鵬飛，王德林.特高壓直流輸電線路融冰方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(7).