±600 kV/4 000 MW換流站主接線方案研究

趙東成，常伯濤，楊建華 ，朱 萍，屈彥明，劉 森

(1.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050051)

2017-05-20

趙東成(1979-)，男，高級(jí)工程師，主要從事變電站電氣一次設(shè)計(jì)工作。

±600 kV/4 000 MW換流站主接線方案研究

趙東成1，常伯濤1，楊建華2，朱 萍1，屈彥明1，劉 森1

(1.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050051)

以國(guó)外某±600 kV/4000 MW換流站為基礎(chǔ)，提出每極1組12脈動(dòng)換流器和每極2組12脈動(dòng)換流器2種主接線方案，從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)2種主接線方案進(jìn)行比較分析，認(rèn)為每極1組12脈動(dòng)換流器主接線方案技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理。

換流站；主接線；可靠性；布置方案

在大容量、大電流的高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流站主接線方案對(duì)于整個(gè)直流輸電工程的實(shí)施難度、可靠性水平和交流系統(tǒng)的影響都具有重要的意義，是工程設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)，也是整體技術(shù)方案和技術(shù)路線的主要體現(xiàn)[1]。換流站主接線方案的核心問(wèn)題是確定換流站主要設(shè)備的具體配置，需要從技術(shù)方案的可行性、工程的可靠性及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行研究論證[2]。國(guó)外某換流站為±600 kV/4 000 MW，主接線方案主要有：方案1，每極1組12脈動(dòng)換流器方案；方案2，每極2組12脈動(dòng)換流器串聯(lián)方案。以下就上述2種方案進(jìn)行技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性分析，確定工程的可行性方案。

1 主接線方案技術(shù)性分析

1.1 技術(shù)難度

目前高壓直流輸電工程中，換流站主接線方案的選擇主要受設(shè)備制造能力和大件運(yùn)輸條件限制。

每極1組12脈動(dòng)換流器方案中，換流器結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、設(shè)備數(shù)量最少，是理想的接線方式。但這種接線方式的單臺(tái)換流變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、絕緣水平高，容量達(dá)到403 MVA，超過(guò)向家壩-上?！?00 kV特高壓直流輸電示范工程用換流變壓器容量(320 MVA)[3]，為當(dāng)前國(guó)際上最大的單相雙繞組換流變壓器，對(duì)換流變壓器的制造和運(yùn)輸提出很大的挑戰(zhàn)，在現(xiàn)有制造技術(shù)條件下每極1組12脈動(dòng)換流器方案的換流變壓器可以制造并通過(guò)鐵路運(yùn)輸方式運(yùn)至換流站。另外，這種接線方式的換流器本身絕緣要求高，換流器串聯(lián)的閥片數(shù)量較多，閥廳的高度增加，給抗震、支撐或懸吊等都增加了難度。

每極2組12脈動(dòng)換流器串聯(lián)方案中，每組12脈動(dòng)換流器只承擔(dān)一半的單極容量，相應(yīng)的高端換流變壓器的容量也減半。借鑒向家壩-上海±800 kV特高壓直流輸電示范工程用換流變壓器的制造經(jīng)驗(yàn)，±600 kV直流輸電工程用換流變壓器的制造和運(yùn)輸均不存在技術(shù)障礙。

1.2 可靠性分析

高壓直流輸電系統(tǒng)主回路中影響系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的主要元件包括：換流變壓器、換流閥、平波電抗器、直流場(chǎng)設(shè)備等，其中換流閥、平波電抗器、直流場(chǎng)設(shè)備等的可靠性在2種不同的接線方案中都是基本相同的，對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響沒(méi)有質(zhì)的差異。因此，在下面的可靠性分析中重點(diǎn)考慮的元件為換流變壓器[4]。

方案l的換流變壓器容量大、電壓高，制造難度較大，單臺(tái)換流變的可靠性較低。由于換流變總臺(tái)數(shù)較少，換流變壓器總的故障率較低，但單臺(tái)換流變壓器故障時(shí)將損失一個(gè)極的電量。

假設(shè)換流變壓器的可用率為0.95，則一站換流變壓器的總臺(tái)數(shù)為12臺(tái)，全部換流變的故障概率為：

12×(1-0.95)=0.6次/年

相應(yīng)的故障損失電量為：

0.6×7×24×3 200=3.225 6億kWh/年

從發(fā)生故障的概率上看，由于單換流器接線方案中換流變壓器數(shù)量最少，每極只有6臺(tái)，因此這種方案的故障率較小，可靠性較高，一旦1臺(tái)換流變壓器故障，則單極就要停運(yùn)，故障損失的電量較多。

方案2的換流變壓器容量小、電壓低，因此單臺(tái)換流變可靠性較高。由于換流變壓器臺(tái)數(shù)較多，換流變壓器總的故障率較高，但一臺(tái)換流變壓器故障僅損失單極的一半功率，故障時(shí)損失的總電量較少，能源可用率高，工程運(yùn)行方式靈活但控制保護(hù)系統(tǒng)較復(fù)雜。

在可靠性初步分析中只考慮換流變壓器的因素。假設(shè)低端換流變壓器可用率為0.965，由于對(duì)地絕緣水平更高，高端換流變壓器的可用率略低，假設(shè)高端換流變壓器可用率為0.955。

低端換流變壓器的故障概率為：

12×(1-0.965)=0.42次/年

故障損失電量為：

0.42×7×24×0.5×3 200=1.129億kWh/年

高端換流器組故障概率為：

12×(l-0.955)=0.54次/年

故障損失電量為：

0.54×7×24×0.5×3 200=1.451 5億kWh/年

換流變壓器的總故障率為0.96次/年，總故障損失電量為2.5805億kWh/年。

從以上結(jié)果可以看出，換流變壓器總的故障率較高，但故障時(shí)總的損失電量較低，換流站的可用率較高。

1.3 布置方案

每極1組12脈動(dòng)換流器和每極2組12脈動(dòng)換流器方案中，每種方案各有2種布置方式，各有優(yōu)缺點(diǎn)。在具體的工程中，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的布置形式和接線方式，確定換流站的布置方式。

1.3.1 方案1

每極1組12脈動(dòng)換流器方案中，對(duì)應(yīng)每個(gè)閥廳有6臺(tái)換流變壓器，它們可采用一字形排列于閥廳的一側(cè)，也可以排列于閥廳的兩側(cè)，閥側(cè)套管在閥廳內(nèi)接成Y、△后與閥相連。換流變壓器排列于閥廳的一側(cè)，有利于交直流開關(guān)場(chǎng)的布置和接線，共有2種布置方案，“一字形”的布置和背對(duì)背的布置方案。

a. 采用兩廳一樓“一字形”的布置形式，極1、極2閥廳分置主控制樓兩側(cè)，換流變壓器集中在閥廳一側(cè)布置。直流穿墻套管垂直于閥廳將直流引出到閥廳外。閥內(nèi)冷設(shè)備布置在控制樓內(nèi)，閥外冷設(shè)備布置在閥廳兩端的空地上。在閥廳內(nèi)完成Y、△連接。高壓直流套管與高壓閥塔的底部相連接，中性母線在閥廳的另外一側(cè)與低壓閥塔的底部相連接，通過(guò)直流穿墻套管引出到直流場(chǎng)。采用上述布置方式的優(yōu)點(diǎn)主要有：直流穿墻套管從閥廳高壓閥塔底部出線，布置較為成熟，高壓母線和中性母線在閥廳內(nèi)的路徑長(zhǎng)度短，接線相對(duì)簡(jiǎn)單；備用換流變?cè)诟鼡Q時(shí)無(wú)需轉(zhuǎn)向，十分便利。

b. 采用兩廳一樓“背對(duì)背”的布置形式，極1、極2閥廳分置主控制樓兩側(cè)，采用“背靠背”布置方式，換流變壓器集中在閥廳一側(cè)布置。直流穿墻套管垂直于閥廳將直流引出到閥廳外。閥內(nèi)冷設(shè)備布置在控制樓內(nèi)，閥外冷設(shè)備布置在閥廳兩端的空地上。在閥廳內(nèi)完成星形和三角形連接。高壓直流套管與高壓閥塔的底部相連接，中性母線在閥廳的另外一側(cè)與低壓閥塔的底部相連接，通過(guò)直流穿墻套管引出到直流場(chǎng)。采用上述布置方式的優(yōu)點(diǎn)主要有：換流變壓器進(jìn)串更加順暢，匯流母線至交流配電裝置進(jìn)線的角度靈活。直流穿墻套管從閥廳高壓閥塔底部出線，布置較為成熟，高壓母線和中性母線在閥廳內(nèi)的路徑長(zhǎng)度短，接線相對(duì)簡(jiǎn)單；直流穿墻套管從閥廳同側(cè)引出，每個(gè)閥廳的低壓閥塔遠(yuǎn)離穿墻套管且閥塔出線與穿墻套管方向垂直，閥塔出線需要在閥廳內(nèi)轉(zhuǎn)90°后再引接到穿墻套管上，閥廳內(nèi)接線較為復(fù)雜。

1.3.2 方案2

每極2組12脈動(dòng)換流器方案中，采用4個(gè)閥廳，共計(jì)2個(gè)高端閥廳和2個(gè)低端閥廳。根據(jù)換流變及閥廳的組合方式，共有2種方案：高、低壓閥廳面對(duì)面布置；高、低壓閥廳一字排列布置。

a. 將24臺(tái)換流變壓器按閥組劃分為4組，垂直于直流場(chǎng)布置。每組6臺(tái)換流變壓器一字排開，布置于閥廳一側(cè)，換流變壓器套管從一側(cè)插入閥廳。2個(gè)高壓閥廳在兩邊，2個(gè)低壓閥廳在中間背靠背布置，每極12臺(tái)換流變面對(duì)面布置。在每組換流變架設(shè)三相母線，即可實(shí)現(xiàn)6臺(tái)換流變網(wǎng)側(cè)母線的并聯(lián)。

該布置的主要特點(diǎn)有：面對(duì)面布置的高低端閥廳對(duì)換流變壓器噪聲的傳播有很好的阻擋和吸收作用，有利于換流站圍墻位置的噪音控制。減小了閥廳、換流變壓器區(qū)域和直流場(chǎng)的橫向尺寸。換流變壓器進(jìn)串更加順暢，匯流母線至交流配電裝置進(jìn)線的角度靈活。換流變壓器的匯流在換流變壓器防火墻上空完成后經(jīng)過(guò)交流PLC設(shè)備直接進(jìn)串，連接線短，布置緊湊；換流變壓器組裝場(chǎng)地上沒(méi)有一字型布置時(shí)的高跨線，布置更加美觀、清晰。直流穿墻套管從閥廳同側(cè)引出，每個(gè)閥廳的低壓閥塔遠(yuǎn)離穿墻套管且閥塔出線與穿墻套管方向垂直，閥塔出線需要在閥廳內(nèi)轉(zhuǎn)90°后再引接到穿墻套管上，閥廳內(nèi)接線較為復(fù)雜。換流變壓器組裝場(chǎng)地考慮同一極的高、低端換流變壓器可同時(shí)背靠背安裝檢修，運(yùn)行檢修非常靈活。

b. 將24臺(tái)換流變壓器一字排開布置在閥廳的一側(cè)，平行于直流場(chǎng)布置。2個(gè)高壓閥廳在兩邊，2個(gè)低壓閥廳在中間相鄰布置。換流變壓器的安裝、搬運(yùn)軌道布置于換流變壓器靠交流場(chǎng)側(cè)。每個(gè)閥組換流變按Y/Y：W、V、U，Y/△：U、V、W排列，相鄰Y/Y：U相和Y/△：U相直接連接，另外兩相通過(guò)換流變壓器上方設(shè)母線連接。

該布置的主要特點(diǎn)有：閥廳、換流變壓器采用一字型布置，閥廳對(duì)換流變壓器噪聲有明顯的阻擋作用，直流場(chǎng)噪音小，基本不受換流變壓器噪音的影響。但24臺(tái)換流變壓器一字排開面向交流場(chǎng)，其噪音向交流場(chǎng)及其兩側(cè)傳播，噪音大，噪音覆蓋范圍廣，治理困難。直流場(chǎng)的橫向尺寸大。換流變進(jìn)串引線角度較大，匯流母線跨度大(超過(guò)60 m)，接線復(fù)雜。直流穿墻套管從閥廳長(zhǎng)度方向出線，接線相對(duì)簡(jiǎn)單。備用換流變壓器的更換無(wú)需轉(zhuǎn)向。

2 主接線方案經(jīng)濟(jì)性分析

方案1中每個(gè)換流站的換流變壓器總臺(tái)數(shù)為14臺(tái)(含2臺(tái)備用)，設(shè)備數(shù)量少，占地面積小，投資造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)性好。方案2中每個(gè)換流站的換流變壓器總臺(tái)數(shù)為28臺(tái)(含4臺(tái)備用)，設(shè)備數(shù)量多，占地面積大，投資造價(jià)較高。

表1為2種主接線方案的經(jīng)濟(jì)性分析，由表1可見(jiàn)，方案1比方案2節(jié)約25 200萬(wàn)元?！?00 kV直流輸電工程采用方案l的經(jīng)濟(jì)性將更加明顯。

表1 主接線方案經(jīng)濟(jì)性分析 萬(wàn)元

項(xiàng)目方案每極1組12脈動(dòng)換流器方案每極2組12脈動(dòng)換流器方案分項(xiàng)送端受端總價(jià)送端受端總價(jià)主設(shè)備換流變壓器105000910001960009500088000182000換流閥260002500051000310003000061000平波電抗器50005000100005000500010000控制保護(hù)65006500130006500650013000其他新增交直流場(chǎng)設(shè)備費(fèi)用0008000700015000新增土建費(fèi)用000350030006500新增安裝費(fèi)用000300033006300新增征地費(fèi)用0006008001400費(fèi)用總計(jì)270000295200

3 結(jié)論

方案l當(dāng)單獨(dú)的換流器或換流變壓器故障時(shí)，會(huì)造成直流單極停運(yùn)，但不會(huì)影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。此方案設(shè)備數(shù)量少，占地面積小，換流站的投資造價(jià)低，方案的經(jīng)濟(jì)性好。盡管單臺(tái)換流變壓器的容量達(dá)到403 MVA，但換流變壓器運(yùn)行方案可行。因此，方案1技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)性較好。方案2雖然比方案1對(duì)兩端的交流系統(tǒng)沖擊和影響小，但換流設(shè)備數(shù)量增加了一倍，換流站占地、造價(jià)等也相應(yīng)上升，經(jīng)濟(jì)性較差。綜上，每極1組12脈動(dòng)換流器的方案技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理，確定為±600 kV換流站主接線實(shí)施方案。

[1] 劉振亞．特高壓直流輸電理論[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[2] 舒印彪．中國(guó)直流輸電的現(xiàn)狀及展望[J].高電壓技術(shù)，2004 ，30(11)：33-38.

[3] 張友富，黃振鵬，向孟奇．向家壩-上海±800 kV換流變壓器短路阻抗確定方法的研究 [J].華東電力，2011，39 (12)：51-54.

[4] 束洪春，胡澤江，張靜芳．±800 kV換流站主接線可靠性評(píng)估[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(10)：22-25.

Study on Main Wiring Scheme of ± 600 kV / 4 000 MW Converter Station

Zhao Dongcheng1，Chang Botao1，Yang Jianhua2,Zhu Ping1，Qu Yanming1，Liu Sen1

(1.Hebei Electric Power Design & Research Institute, Shijiazhuang 050031,China；2.State Grid Hebei Electric Power Corporation Shijiazhuang Power Supply Branch, Shijiazhuang 050051,China)

In this paper, based on a foreign ±600 kV/4 000 MW converter station,proposes 2 main wiring schemes such as each pole 1 group of 12 pulsating converters and each pole 2 groups of 12 pulsating converters,analysis the main wiring program from the technical and economic,consideres that the main wiring scheme of each pole 1 group of 12 pulsed converter is feasible and economically reasonable.

converter station；main wiring scheme；reliability；layout scheme

TM721.1

B

1001-9898(2017)05-0001-03

本文責(zé)任編輯：王洪娟