高地震烈度區(qū)換流站1 000 kV交流濾波器配電設(shè)備選型

鄒家勇，孫梓航，孫東風(fēng)，吳怡敏

（1.西南電力設(shè)計院，成都　610000；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南　250021；3.國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東　菏澤　274000）

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高地震烈度區(qū)換流站1 000 kV交流濾波器配電設(shè)備選型

鄒家勇1，孫梓航2，孫東風(fēng)3，吳怡敏1

（1.西南電力設(shè)計院，成都610000；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南250021；3.國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東菏澤274000）

摘要：根據(jù)目前1 000 kV特高壓交流設(shè)備生產(chǎn)研發(fā)情況，從設(shè)備可靠性及投資經(jīng)濟(jì)性兩個方面提出分層接入換流站1 000 kV交流濾波器設(shè)備選型推薦方案，考慮該選型方案可能帶來的抗震及電磁環(huán)境問題，利用有限元方法校核推薦的設(shè)備型式下配電裝置的抗震性能及離地1.5 m處場強，校核結(jié)果顯示，該選型方案能夠滿足規(guī)程要求的抗震要求及場強限值，證明了該方案的可行性。

關(guān)鍵詞：分層接入換流站；交流濾波器；柱式斷路器；配電裝置

0　引言

隨著我國特高壓交、直流輸電技術(shù)的發(fā)展，為提高多饋入直流系統(tǒng)的電壓支撐能力、引導(dǎo)電網(wǎng)潮流合理分布、解決多饋入直流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題、促進(jìn)交直流電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展［1］，提出了換流站交流側(cè)分層接入1000 kV、500 kV電網(wǎng)，交流濾波器及無功補償裝置分別接入1 000 kV及500kV母線。由此換流站內(nèi)配置了1 000 kV電壓等級交流濾波器及無功補償裝置，其配電裝置存在電壓等級高、設(shè)備生產(chǎn)難度大、價格昂貴等問題，而部分分層接入換流站建設(shè)在高地震烈度區(qū)域，進(jìn)一步加大了設(shè)備選型的困難，根據(jù)我國在建±800kV分層接入換流站工程設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合1 000 kV交流設(shè)備生產(chǎn)制造能力，對分層接入換流站1 000 kV交流濾波器配電裝置設(shè)備選型及布置方式進(jìn)行研究，給出推薦的設(shè)備選型及布置方案，校核設(shè)備的抗震性能及空間場強，為后續(xù)工程提供參考。

1　1 000 kV交流濾波器配電裝置設(shè)備選型

1.1斷路器選型

1000kV交流濾波器斷路器技術(shù)難點：1）1 000 kV交流濾波器組及電容器組負(fù)載特性呈容性，需要斷路器具備開斷較大容性電流的能力；2）由于電容器的儲能效應(yīng)，斷路器開合過程中所承受的恢復(fù)電壓較大，為避免斷口重復(fù)擊穿斷路器斷口絕緣介質(zhì)應(yīng)具備良好的絕緣恢復(fù)能力；3）濾波器斷路器的投切頻率較常規(guī)斷路器更高［2］。上述要求造成1 000 kV斷路器制造困難，且價格昂貴。以往1 000 kV交流特高壓工程中，1 000 kV配電裝置大量使用了GIS型式，每臺1 000 kV斷路器造價高達(dá)1億元。如果在1 000 kV交流濾波器配電裝置中，繼續(xù)使用GIS型式斷路器，由于交流濾波器分組較多，其投資將極為巨大，以一個包含14個1 000 kV交流濾波器小組的換流站為例，若其配電裝置全部使用GIS裝置，則僅1 000 kV交流濾波器配電裝置的投資將高達(dá)14億元，若考慮圍欄內(nèi)高壓電容器、電抗器、電阻器等其他設(shè)備，每小組圍欄內(nèi)設(shè)備按2 000萬元估算，則1 000 kV交流濾波器整體投資將高達(dá)16.8億元，這將使得直流輸電工程的投資經(jīng)濟(jì)性變得極差，失去了采用分層接入的意義。因此，必須使用投資較低的1 000 kV斷路器型式。

根據(jù)以往1 000 kV交流特高壓工程經(jīng)驗及目前各設(shè)備廠家1 000 kV斷路器設(shè)備研發(fā)進(jìn)展，除GIS外，1 000 kV斷路器尚有HGIS、罐式斷路器及柱式斷路器3種型式。

1.1.1HGIS方案

HGIS方案與GIS方案的差別僅為去掉了GIS母線，由于采用了SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、結(jié)構(gòu)重心低、抗震性能好等特點，如圖1所示。

圖1　HGIS斷路器外形

根據(jù)國內(nèi)主要1 000 kV開關(guān)設(shè)備生產(chǎn)廠家調(diào)研結(jié)論，目前各大廠家均有較為成熟HGIS方案產(chǎn)品。但由于HGIS產(chǎn)品與GIS產(chǎn)品僅有母線結(jié)構(gòu)不同，因此價格依然較高。

1.1.2罐式斷路器方案

罐式斷路器方案是在HGIS方案的基礎(chǔ)上，去掉了HGIS中的隔離開關(guān)，保留了斷路器本體及電流互感器，其結(jié)構(gòu)特點、性能與HGIS產(chǎn)品相似，如圖2所示。

圖2　罐式斷路器

顯然，由于少了隔離開關(guān)，罐式方案較HGIS方案尺寸有所減小。目前西安西電開關(guān)電氣有限公司、新東北電氣集團(tuán)有限公司有較為成熟的1 000 kV罐式斷路器產(chǎn)品，河南平高電氣股份有限公司目前尚無罐式斷路器產(chǎn)品，但表示若需要，能夠在已有的GIS方案上進(jìn)行研發(fā)。

1.1.3柱式斷路器方案

1 000kV柱式斷路器是在500 kV瓷柱式斷路器的基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)的一種新的結(jié)構(gòu)型式，其結(jié)構(gòu)特點與500 kV瓷柱式設(shè)備類似，由斷路器滅弧裝置及絕緣瓷（或復(fù)合）柱組成，結(jié)構(gòu)簡單，但由于采用了空氣作為絕緣介質(zhì)，使得斷路器本體對地距離較高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不如HGIS及罐式斷路器方案。如圖3所示。

圖3　瓷柱式斷路器

由圖3可以看出，柱式斷路器滅弧室置于上部，與HGIS及罐式斷路器有較大不同，整體呈現(xiàn)“頭重腳輕”的結(jié)構(gòu)，因此其抗震性能較差，根據(jù)國內(nèi)主要1 000 kV開關(guān)設(shè)備生產(chǎn)廠家調(diào)研結(jié)論，目前西安西電開關(guān)電氣有限公司、新東北電氣集團(tuán)有限公司及河南平高電氣股份有限公司等廠家1 000 kV柱式斷路器產(chǎn)品已進(jìn)入型式試驗階段，在采用高強度的復(fù)合絕緣支柱作為支撐件的情況下，單一設(shè)備的抗震性能能夠滿足9度地震烈度的要求。

設(shè)備選型主要取決于設(shè)備的技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)上述分析，HGIS、罐式及柱式斷路器方案技術(shù)上均能滿足要求，因此需考慮其投資經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)目前向各廠家詢價，3種方案價格差異較大，HGIS及罐式斷路器方案價格均遠(yuǎn)高于柱式方案。因此，在滿足電容器投切技術(shù)性能要求及抗震性能的基礎(chǔ)上，推薦選擇柱式斷路器方案。

1.2隔離開關(guān)

1 000kV隔離開關(guān)主要有水平旋轉(zhuǎn)式和垂直伸縮式兩種。1 000 kV水平旋轉(zhuǎn)式隔離開關(guān)在晉東南1 000 kV串補站中已經(jīng)得到了應(yīng)用，而1 000 kV垂直伸縮式隔離開關(guān)目前尚處于研發(fā)階段。

水平旋轉(zhuǎn)式隔離開關(guān)方案。1 000 kV水平旋轉(zhuǎn)式隔離開關(guān)高度12.2 m，兩個靜觸頭中心距11.7 m。該設(shè)備已有運行經(jīng)驗且國內(nèi)主要設(shè)備廠均可生產(chǎn)此類型隔離開關(guān)，如圖4所示。

圖4　水平旋轉(zhuǎn)式隔離開關(guān)

垂直伸縮式隔離開關(guān)方案。1 000 kV垂直伸縮式隔離開關(guān)方案主要是延續(xù)了500kV垂直伸縮式隔離開關(guān)的思路，采用了垂直斷口設(shè)計，將靜觸頭固定于開關(guān)頂部母線上方，主要優(yōu)點是可以大大減少1 000 kV隔離開關(guān)設(shè)備占地，進(jìn)而使得換流站占地指標(biāo)更優(yōu)。1000kV垂直伸縮式隔離開關(guān)如圖5所示。

圖5　垂直伸縮式隔離開關(guān)

1 000kV剪刀式隔離開關(guān)總高22.5 m，隔離開關(guān)打開后，伸縮臂寬度5.67 m，隔離開關(guān)下部均壓環(huán)直徑為3.3 m?？紤]底部支架后，設(shè)備總高度達(dá)到25m左右，國內(nèi)主要設(shè)備廠家均已設(shè)計了1 000 kV處置伸縮式隔離開關(guān)，但由于目前尚未進(jìn)行試驗，其開合的準(zhǔn)確性和抗震問題還需要進(jìn)一步研究?？紤]到水平端口隔離開關(guān)已有成功運行經(jīng)驗，且本體相對較低，抗震性能較好，故推薦采用垂直伸縮式隔離開關(guān)。

1.3其他設(shè)備

1 000kV交流濾波器配電裝置斷路器、隔離開關(guān)外，還有避雷器、接地開關(guān)及電流互感器等，其中避雷器及接地開關(guān)均在1 000 kV交流特高壓中有成熟應(yīng)用，并已形成了1 000 kV通用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，且能夠滿足1 000 kV交流濾波器場布置要求，因此可以按通用設(shè)備直接選用。對于1 000 kV濾波器回路電流互感器，由于目前國內(nèi)互感器廠家均無1 000 kV電磁式互感器產(chǎn)品，考慮到目前光電流互感器技術(shù)應(yīng)用較為成熟，而1 000 kV光電流互感器實際對地電壓為相電壓635 kV，小于直流場800 kV光電流互感器對地電壓，目前國內(nèi)廠家均表示具備該設(shè)備生產(chǎn)能力，且結(jié)構(gòu)型式及尺寸與800 kV光TA類似。因此1 000 kV互感器選用光電流互感器。

圖6　1 000 kV交流濾波器配電裝置斷面

2　配電裝置抗震性能校核

根據(jù)設(shè)備選型結(jié)果，可得到1 000 kV交流濾波器配電裝置連接斷面如圖6所示。

圖6虛線框內(nèi)為濾波器配電裝置部分，可以看出整個配電裝置部分均為支柱式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較常規(guī)特高壓交流變電站1 000 kV GIS配電裝置差，抗震能力會減弱，雖然各設(shè)備廠家通過計算及試驗驗證了單個設(shè)備的抗震性能，但當(dāng)設(shè)備通過導(dǎo)體連接后，需考慮地震時對導(dǎo)體、設(shè)備端子及金具的影響，因此，尚需進(jìn)一步進(jìn)行整體配電裝置的抗震性能驗證。

為驗證其配電裝置整體抗震性能，根據(jù)目前國內(nèi)、外常用的電氣設(shè)備抗震能力分析方法［3］，利用ANSYS軟件建立配電裝置模型如圖7所示。

模型考慮了斷路器與隔離開關(guān)、斷路器與接地開關(guān)及支柱絕緣子的連接，對于隔離開關(guān)與上部導(dǎo)線的連接，由于導(dǎo)線柔性較好，且連接線較長，其對設(shè)備的影響較小，故可不考慮。按上述模型，以8度地震區(qū)為例，設(shè)備按9度設(shè)防，采用地震反應(yīng)譜特征周期為0.5 s［4］，地震水平加速度0.4g進(jìn)行抗震計算，在設(shè)備支柱均采用復(fù)合絕緣支柱的條件下，計算結(jié)果如表1～4所示，其中模型X向為水平回路連接方向，Y向為水平垂直回路連接方向。

圖7　交流濾波器裝置抗震計算模型

表1　設(shè)備支撐件應(yīng)力

表2　設(shè)備頂端位移mm

表3　X向金具內(nèi)力　N

表4　Y向金具內(nèi)力　N

由上述計算結(jié)果可知，1 000 kV交流濾波器設(shè)備支柱最大應(yīng)力為Y方向，應(yīng)力值為25.65 MPa，而設(shè)備廠家提供的支柱破壞應(yīng)力為80 MPa，此時設(shè)備的安全系數(shù)為3.12，超過設(shè)計安全系數(shù)。設(shè)備頂端位移最大處為隔離開關(guān)支柱3，即隔離開關(guān)與斷路器相連處支柱，此支柱的位移達(dá)到了857.69 mm，但由于隔離開關(guān)與斷路器支架采用了軟連接，設(shè)計時，通過加大軟連接處的弧垂，可減少地震時設(shè)備的隔離開關(guān)端子受力，使得偏移量滿足要求。設(shè)備端子連接金具所受應(yīng)力最大處為接地開關(guān)端子應(yīng)力，達(dá)到了6 394.32 N，而以往特高壓工程1 000 kV接地開關(guān)設(shè)備端子板的受力要求為4 000 N，但由于此要求為持續(xù)受力要求，按1.67倍安全系數(shù)考慮，其破壞應(yīng)力為6 680 N，大于地震時的設(shè)備應(yīng)力，因此可認(rèn)為設(shè)備端子板受力能夠滿足9度地震要求。

根據(jù)以上分析，在選用柱式設(shè)備，采用復(fù)合材質(zhì)絕緣子作為支撐件的情況下，1 000 kV交流濾波器配電裝置推薦選型方案能夠滿足9度地震烈度要求。

3　濾波器配電裝置區(qū)域地表場強校核

根據(jù)GB 50697—2011《1 000 kV變電站設(shè)計規(guī)范》規(guī)定“1 000 kV屋外配電裝置場地內(nèi)的靜電感應(yīng)場強水平（距離地面1.5 m空間場強）不宜超過10 kV/m，但少部分地區(qū)可允許達(dá)到15 kV/m。”在以往1 000 kV交流特高壓變電站中，一般要求帶電導(dǎo)體對地距離不小于17.5m，但對于1 000 kV交流濾波器場地，由于1 000 kV柱式斷路器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及操作機(jī)構(gòu)決定了其高度僅為15.5 m，提高其高度會導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，抗震能力下降，無法滿足高地震烈度抗震要求，因此，其設(shè)備下方距離地面1.5 m處空間場強會較常規(guī)1 000 kV變電站增大，為保證1 000 kV交流濾波器配電裝置區(qū)域場強滿足規(guī)程要求，需對其進(jìn)行校核。

由于1 000 kV交流濾波器配電裝置設(shè)備布置復(fù)雜，無法將其簡化為理想模型進(jìn)行解析求解，因此，考慮采用有限元方法進(jìn)行區(qū)域場強計算［5］，建立1000kV交流濾波器區(qū)域三維有限元模型如圖8所示。

圖8　1 000 kV交流濾波器三維有限元模型

考慮斷路器高度為15.5 m，隔離開關(guān)高度為17.5 m，計算距地面1.5 m處電場強度分布情況如圖9所示。

圖9　1 000 kV交流濾波器區(qū)域場強分布

由圖9可知，1 000 kV交流濾波器配電裝置離地1.5 m處僅有斷路器與隔離開關(guān)連接處局部區(qū)域場強超過10 kV/m，接近11 kV/m，其他區(qū)域場強均小于10 kV/m，而1 000 kV交流濾波器區(qū)域巡視分布與相間，該區(qū)域不屬于運行人員工作區(qū)，可將其定義為GB 50697—2011《1 000 kV變電站設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的少部分區(qū)域，其允許場強可達(dá)15 kV/m，因此，可認(rèn)為按目前設(shè)備選型進(jìn)行布置的1 000 kV交流濾波器配電裝置區(qū)域離地1.5 m處電場強度可滿足設(shè)計規(guī)程要求。

4　結(jié)語

根據(jù)目前特高壓交流1 000 kV斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備研發(fā)情況，從設(shè)備可靠性及投資經(jīng)濟(jì)性兩個方面提出了在分層接入換流站中1 000 kV交流濾波器配電裝置設(shè)備推薦型式，并對其抗震性能及區(qū)域場強進(jìn)行了校核，校核結(jié)論表明設(shè)備型式能夠滿足規(guī)程規(guī)范要求的抗震性能及電磁環(huán)境要求，證明了該選型方案的可行性。

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1 000 kV ACF Switchgear Selection of Converter Stations in High Seismic Intensity Area

ZOU Jiayong1，SUN Zihang2，SUN Dongfeng3，WU Yimin1
（1. Cpecc Southwest Electric Power Design Institute，Chenghua District，Chengdu 610000，China；2.Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China；3. State Grid Heze Power Supply Company，Heze 274000，China）

Abstract:In view of the current R&D（research & development）and manufacturing status，and concerning the reliability and economy，a scheme of 1 000 kV ACF equipment selection is proposed. The aseismic performance and field intensity at 1.5 meter above ground level are evaluated by using finite element method considering the aseismic and electromagnetic environment problems of proposed scheme. The result illustrates that the proposed scheme can meet the aseismic requirement and electric field intensity limit of relevant specifications. The feasibility of the recommended scheme is also demonstrated.

Key words:hierarchical connected converter station；ACF；live tank circuit breaker；switchgear

中圖分類號：TM642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007－9904（2016）05－0047－06

收稿日期：2016-02-20

作者簡介：

鄒家勇（1982），男，工程師，從事防雷與接地、過電壓與絕緣配合方面研究。