換流站閥廳用接地開關(guān)的設(shè)計(jì)*

徐光輝，李宇鵬，胡延濤，王占杰，鐘建英

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001）

1 概述

我國能源資源和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不均衡的基本國情決定了發(fā)展特高壓輸電及直流輸電的必要性。根據(jù)負(fù)荷分布特點(diǎn)，特高壓交流定位于主網(wǎng)架建設(shè)和跨大區(qū)送電，使特高壓交流電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的大型煤電、水電、風(fēng)電、核電能就近接入；特高壓直流定位于大型能源基地的遠(yuǎn)距離、大容量外送，西南水電基地、西北及新疆等煤電、風(fēng)電基地和跨國電力通過直流輸送。構(gòu)建“強(qiáng)交強(qiáng)直”混合電網(wǎng)，可以充分發(fā)揮兩種輸電方式的功能和優(yōu)勢，保證電網(wǎng)安全性和經(jīng)濟(jì)性。2011年，第十一屆全國人民代表大會(huì)第四次會(huì)議審議通過的《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》明確提出：“推動(dòng)能源生產(chǎn)和利用方式變革，發(fā)展特高壓等大容量、高效率、遠(yuǎn)距離先進(jìn)輸電技術(shù)”，“形成若干條采用先進(jìn)特高壓技術(shù)的跨區(qū)域輸電通道”[1]。

2010年6月世界首個(gè)±800 kV直流輸電工程——云廣特高壓直流輸電工程雙極竣工投產(chǎn)，這是迄今世界電壓等級最高的直流輸電項(xiàng)目，標(biāo)志著中國全面進(jìn)入了特高壓交直流混合電網(wǎng)時(shí)代。

圖1 閥廳內(nèi)接地開關(guān)典型電氣布置圖

換流站閥廳接地開關(guān)的研制，是基于我國電力建設(shè)的布局實(shí)現(xiàn)西電東送、南北互供的需要，結(jié)合國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司未來電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展，提出的前瞻性項(xiàng)目。閥廳接地開關(guān)是直流工程閥廳內(nèi)設(shè)備的重要組成部分，是閥廳內(nèi)設(shè)備進(jìn)行檢修的安全保障，是換流站直流場設(shè)計(jì)布置的重要設(shè)備。典型電氣布置圖如圖1所示。

2 產(chǎn)品正常使用條件和基本參數(shù)

由于閥廳接地開關(guān)安裝在換流站的閥廳內(nèi)，屬于戶內(nèi)開關(guān)設(shè)備，根據(jù)使用場所，對其要求如下。

（1）產(chǎn)品正常使用條件

1）周圍空氣溫度：0℃～+40℃；

2）相對濕度：不大于60%（20℃）；

3）地震烈度：不超過AG3；

4）安裝場所無經(jīng)常性的劇烈震動(dòng)及易燃、易爆物質(zhì)和化學(xué)腐蝕性氣體等的影響。

（2）產(chǎn)品基本參數(shù)

如表1所示。

3 閥廳接地開關(guān)總體設(shè)計(jì)方案

如圖2所示，根據(jù)換流站閥廳內(nèi)設(shè)備布置的特點(diǎn)，在換流站的閥廳內(nèi)，一般安裝有換流閥（三相四重閥）、各類套管、閥組避雷器、電壓分壓器等高電壓設(shè)備，以及大量的母線用于四重閥與換流變壓器和避雷器的連接。換流閥與交流系統(tǒng)的連接是由穿過閥廳的套管來實(shí)現(xiàn)，它包括穿墻套管、換流變壓器閥側(cè)繞組套管（交流）、油浸式平波電抗器靠近閥側(cè)的套管（直流）。套管的結(jié)構(gòu)可以是實(shí)心的、充氣或油絕緣的[2]。對于這些高壓電氣設(shè)備的接地，要求接地開關(guān)的布置必須靈活，可以方便地進(jìn)行接地檢修，而接地開關(guān)又必須適合布置在閥廳內(nèi)，不占用大量閥廳的面積，不然的話必定增加閥廳的建設(shè)成本。

表1 基本參數(shù)

圖2 閥廳內(nèi)各種高壓設(shè)備典型位置圖

因此，對于閥廳內(nèi)接地開關(guān)采用側(cè)墻式安裝結(jié)構(gòu)，接地開關(guān)本體直接安裝在閥廳的墻面上，而接地靜觸頭則能方便地安裝在各種高壓設(shè)備上，這樣可以方便地對高壓設(shè)備提供接地。

閥廳接地開關(guān)主要包括安裝在墻面上的本體部分，以及安裝在各種高壓設(shè)備套管頂部屏蔽罩上的接地靜觸頭。

在閥廳墻面上安裝的本體部分主要由底座裝配、齒輪箱裝配和操動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，底座裝配上安裝有接地刀桿，通過其運(yùn)動(dòng)插入接地靜觸頭來實(shí)現(xiàn)對安裝接地靜觸頭設(shè)備的接地。齒輪箱內(nèi)安裝正交的兩個(gè)錐齒輪，用以實(shí)現(xiàn)對操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)換，通過由齒輪箱內(nèi)安裝的拐臂和底座裝配的轉(zhuǎn)動(dòng)座及拉桿構(gòu)成的四連桿結(jié)構(gòu)，將操動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)變換為接地刀桿的運(yùn)動(dòng)。由于不同安裝位置的接地開關(guān)承受的電壓不同，其接地刀桿長度也有所不同。為保證不同安裝位置的接地開關(guān)均能順利分合閘，在底座裝配上還通過安裝一對正交的錐齒輪來設(shè)置了一個(gè)平衡裝置，使其與接地刀桿同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通過配重塊在接地開關(guān)分合閘過程中的重力矩變化來平衡接地刀桿分合閘過程中的重力矩變化，以達(dá)到接地開關(guān)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠的目的。

為減小閥廳內(nèi)的電暈，對閥廳接地開關(guān)而言，還需加裝屏蔽環(huán)。屏蔽環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是限制產(chǎn)品電暈放電的關(guān)鍵元件。電暈放電不僅有能量的損失，同時(shí)會(huì)對其周圍通訊設(shè)備產(chǎn)生無線電干擾。通常，接地開關(guān)屏蔽的目的可以不考慮由于電暈放電形成的能量損失，但是，由于閥廳內(nèi)是一個(gè)封閉的環(huán)境，對電暈放電所產(chǎn)生的無線電干擾和噪音干擾必須加以限制。電極上的電暈放電與電極上的電壓高低無關(guān)，僅與電極上的電場強(qiáng)度有關(guān)。因此在接地開關(guān)屏蔽環(huán)的設(shè)計(jì)時(shí)，考慮在額定電壓下屏蔽環(huán)表面的最大場強(qiáng)不超過起始電暈放電場強(qiáng)來設(shè)計(jì)。由于閥廳接地開關(guān)安裝在不同位置時(shí)，其額定電壓不同，在換流變壓器的閥繞組側(cè)所承受的電壓為直流電壓疊加交流電壓，并且在兩側(cè)繞組中均有一系列的諧波電流，而在極線側(cè)套管及中性母線側(cè)則承受直流電壓。在直流場作用下，經(jīng)過自由電荷弛豫過程后，不同介質(zhì)分界面上的自由電荷達(dá)到穩(wěn)定分布后，電流場分布亦達(dá)到穩(wěn)態(tài)。此時(shí)開關(guān)本體不同介質(zhì)內(nèi)部的場強(qiáng)按照電阻率來分布，因此直流場條件下采用恒定電流場分析模塊對開關(guān)本體進(jìn)行有限元分析。因此，根據(jù)此原則，對安裝在高壓設(shè)備的接地靜觸頭加裝均壓球，此時(shí)閥廳內(nèi)的空氣凈距可以達(dá)到最小。同時(shí)對其底座裝配和齒輪箱、接地開關(guān)分閘位置均加裝均壓環(huán)，以改善電場，減小電暈。

閥廳接地開關(guān)的工作原理為：安裝在墻面上的操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，通過垂直連桿帶動(dòng)齒輪箱內(nèi)的錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將機(jī)構(gòu)的水平旋轉(zhuǎn)動(dòng)作變換為垂直轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過齒輪箱的拐臂、聯(lián)桿和接地開關(guān)底座上的轉(zhuǎn)動(dòng)座構(gòu)成的四連桿系統(tǒng)帶動(dòng)接地刀桿轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)接地刀桿上安裝的動(dòng)觸頭插入或離開接地靜觸頭的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)接地開關(guān)的分合閘操作。

在合閘狀態(tài)時(shí)，接地開關(guān)能耐受動(dòng)熱穩(wěn)定電流。此時(shí)齒輪箱的拐臂處于死點(diǎn)狀態(tài)，在配重塊的平衡作用下，即使出現(xiàn)短路電流，在短路力、重力、振動(dòng)、沖擊或者偶然碰到操動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)桿時(shí)，接地開關(guān)均不會(huì)出現(xiàn)分閘動(dòng)作。

接地開關(guān)的動(dòng)觸頭采用銅鍍銀處理，在端部設(shè)計(jì)采用錐度導(dǎo)向，以方便插入接地靜觸頭時(shí)減少操作阻力，能夠順暢插入。接地靜觸頭采用環(huán)形玫瑰瓣觸指，觸指鍍銀，并安裝環(huán)形彈簧，與動(dòng)觸頭多片接觸，保證電流通過壓緊的銀－銀觸頭流動(dòng)。觸指外安裝導(dǎo)向罩，在分合閘時(shí)對動(dòng)觸頭進(jìn)行導(dǎo)向，使接地開關(guān)在動(dòng)觸頭即使出現(xiàn)小范圍的偏差時(shí)也能順利插入到靜觸頭中。

接地刀桿通過自重和安裝在底座上的配重塊保持平衡，由于接地刀桿和配重塊均為圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故其重力矩變化曲線擬合后能隨時(shí)保持平衡，使接地開關(guān)操作平穩(wěn)可靠。

圖3 安裝在換流變壓器上的閥廳接地開關(guān)

安裝在換流變壓器上的閥廳接地開關(guān)如圖3所示。安裝在均壓罩內(nèi)的接地靜觸頭如圖4所示。閥廳接地開關(guān)實(shí)物如圖5所示。

4 產(chǎn)品的型式試驗(yàn)及運(yùn)行

根據(jù)GB/T 25091-2010高壓直流隔離開關(guān)和接地開關(guān)的要求，對設(shè)計(jì)完成的閥廳接地開關(guān)進(jìn)行了相關(guān)的型式試驗(yàn)，包括額定短時(shí)耐受電流試驗(yàn)、峰值耐受電流容量試驗(yàn)、機(jī)械特性試驗(yàn)、機(jī)械操作試驗(yàn)、機(jī)械壽命試驗(yàn)、接線端子靜拉力試驗(yàn)、整體抗彎試驗(yàn)等試驗(yàn)項(xiàng)目。

圖4 安裝在均壓罩內(nèi)的接地靜觸頭

2010年7月，閥廳接地開關(guān)開始在葛滬二回直流綜合改造工程湖北荊門站進(jìn)行安裝。葛滬二回直流綜合改造工程是三峽地下電站送電華東電力通道的重要組成部分，是三峽四個(gè)直流輸電項(xiàng)目的最后一個(gè)工程，它與±500 kV葛-南直流輸電工程（輸送功率為1200 MW）共用現(xiàn)有的輸電走廊，節(jié)約了大量的建設(shè)用地，是一個(gè)典型的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型工程，也是我國第一個(gè)同塔雙回、輸送功率達(dá)到3000 MW的直流輸電工程。荊門換流站為該工程的送端換流站，楓涇換流站為受端換流站。兩站均為雙極布置，直流電壓為±500 kV，每極采用兩組12脈沖換流器串聯(lián)，換流變壓器（單相雙繞組）14臺(tái)（其中2臺(tái)備用），每臺(tái)容量297 MVA；500 kV交流濾波器總?cè)萘?900 Mvar；500 kV高壓并聯(lián)電抗器2組，容量均為150 Mvar。工程建設(shè)±500 kV高壓直流輸電線路1回，接地極線路1回；500 kV交流出線終期6回，本期出線6回（3回至三峽地下電站，3回至荊門特高壓變電站），與晉東南-南陽-荊門1000 kV特高壓交流試驗(yàn)示范工程構(gòu)成強(qiáng)交流、強(qiáng)直流相互補(bǔ)充、相互支撐的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)。

圖5 閥廳接地開關(guān)

5 閥廳接地開關(guān)的發(fā)展趨勢

2011年，閥廳接地開關(guān)中標(biāo)葛滬二回直流綜合改造工程，在上海楓涇換流站和湖北荊門換流站進(jìn)行安裝。2011年3月，葛滬二回直流綜合改造工程完成安裝，開始帶電運(yùn)行。至今工程運(yùn)行情況優(yōu)異，閥廳接地開關(guān)的性能穩(wěn)定、運(yùn)行良好，通過了工程實(shí)踐的考驗(yàn)。

2011年及2012年，在葛滬二回直流綜合改造工程用閥廳接地開關(guān)成功運(yùn)行的基礎(chǔ)上，又接連中標(biāo)溪洛渡±500 kV同塔雙回輸電工程昭通站和東北-華北聯(lián)網(wǎng)高嶺背靠背擴(kuò)建工程，目前兩個(gè)站的閥廳接地開關(guān)都已經(jīng)安裝調(diào)試完畢。

2012年，新疆哈密南至鄭州±800千伏特高壓直流工程開工建設(shè)，起自新疆哈密南部能源基地，止于河南鄭州，線路全長2210千米，計(jì)劃于2013年9月30日實(shí)現(xiàn)低端雙極投運(yùn)，其設(shè)備中有±500 kV閥廳接地開關(guān)14臺(tái)，±800 kV閥廳接地開關(guān)2臺(tái)，2014年實(shí)現(xiàn)全面投運(yùn)。在溪浙特高壓工程中，雙龍站使用±500 kV閥廳接地開關(guān)10臺(tái)，±800 kV閥廳接地開關(guān)4臺(tái)。

±500 kV閥廳接地開關(guān)的完成及其在葛滬二回直流綜合改造工程中的正式運(yùn)行，表明已經(jīng)初步掌握了閥廳內(nèi)開關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)，掌握了對閥廳內(nèi)接地開關(guān)的參數(shù)確定、選型、設(shè)計(jì)、制造、裝配、試驗(yàn)等核心技術(shù)，為國家電力工程需要而研制的±800 kV直流工程用閥廳接地開關(guān)和±1120kV直流工程用閥廳接地開關(guān)提供了寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

［1］國家電網(wǎng)公司.“三華”同步電網(wǎng)知識(shí)手冊［M］.北京：中國電力出版社，2011.

［2］趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2011.