特高壓換流站高低端閥廳“L型”布置研究

黃 陽，王建武，魯 翔，陳向東

(1. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663；2. 中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

閥廳是換流站的核心，合理的閥廳布置方案可以保障直流系統(tǒng)在對應的外部環(huán)境和系統(tǒng)條件下安全可靠運行，并滿足安裝及維護方便、節(jié)省投資等要求。閥廳的布置方案需結(jié)合閥廳及換流變區(qū)域的總體布置綜合考慮。目前已投運的特高壓直流換流站，閥廳及換流變區(qū)域的布置方案主要有“一字型”和“面對面”布置兩種型式，對應的閥廳內(nèi)部電氣工藝布置方案均適應于以上兩種布置型式。兩種布置型式各有其優(yōu)缺點。隨著換流站的征地難度越來越大，特別是當換流站落點在負荷密集地區(qū)時，土地資源極度稀缺，征地范圍內(nèi)的部分場區(qū)又處于山丘地帶時，站區(qū)土石方開挖工程量巨大。為了節(jié)省土石方量，同時滿足換流站的征地要求，本文對“一字型”布置和“面對面”布置進行了綜合比較，同時對閥廳及換流變區(qū)域進行優(yōu)化設計，提出一種新的、緊湊型的“L型”布置方案，目前已成功應用于滇西北至廣東±800 kV特高壓直流輸電工程東方換流站中[1]。

在“L型”布置方案下，同極的高端閥廳和低端閥廳呈“L型”布置，高端閥廳的短邊與低端閥廳的長邊緊鄰布置[2]；控制樓布置在高、低端閥廳的端部，與高、低端閥廳緊鄰布置，閥廳與控制樓的接觸面變小。該布置方案下，直流側(cè)套管進線的空間和角度受限，如何有效利用低端閥廳有限的長度尺寸進行直流穿墻套管的布置，如何進行巡視走道的布置，以及在直流穿墻套管插入閥廳空間受限的前提下如何調(diào)整閥塔的布置方案以滿足運行和檢修的要求是本文需研究和解決的問題。

1 閥廳及換流變電氣接線

換流閥組接線采用成熟的±800 kV閥組接線型式，即采用雙極配置，每極2個12脈動換流閥組串聯(lián)接線，2個12脈動閥組串聯(lián)電壓按(400＋400) kV分配的換流器接線方式。該接線方式在多個直流工程中已有成熟應用，此處不再詳述[3-7]。換流變壓器推薦采用單相雙繞組換流變，換流變壓器三相接線組別采用YNy0接線及YNd11接線。接線組別和閥廳內(nèi)設備的布置方式相關。

2 閥廳“面對面”布置

閥廳“面對面”布置方案示意圖如圖1所示，每極的高、低端閥廳面對面布置，高端閥廳布置在外側(cè)，兩極的低端閥廳“背靠背”布置在內(nèi)側(cè)。全站8組(24臺)換流變壓器與閥廳緊靠一字排列布置于高、低端閥廳之間，換流變閥側(cè)套管直接插入閥廳。高、低端閥廳間設置換流變運輸和組裝場地。

圖1 閥廳“面對面”布置方案

靠近兩個高端閥廳各設1 間輔控樓，主控樓設置在兩個低端閥廳端部。閥外冷設備布置于閥廳周圍的空地上。備用換流變根據(jù)實際布置于直流場和換流變廣場的空地上，區(qū)域占地尺寸為298 m×133.5 m。

采用“面對面”布置的優(yōu)點：高、低端閥廳對換流變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；輔助設備按閥廳分區(qū)布置，單元體系清晰，功能分區(qū)明確。換流變組裝場地可以考慮同一極的高、低端換流變可同時背靠背安裝檢修，運行檢修比較靈活[8-10]。

但是采用“面對面”布置時，直流穿墻套管從閥廳同側(cè)引出，每個閥廳的低壓閥塔遠離穿墻套管且閥塔出線與穿墻套管方向平行，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)接線較為復雜。由于與閥廳的長度方向同向，匯流母線跨距加大，距離在110～140 m 之間，構架大小較換流站內(nèi)其他構架寬度更寬、高度更高，鋼材消耗量較大。

3 閥廳“一字型”布置

閥廳“一字型”布置方案示意圖如圖2所示，每極的高、低端閥廳并排布置。全站8組(24臺)換流變壓器一字排開布置與閥廳的同一側(cè)。區(qū)域占地尺寸為385 m×103.5 m。

圖2 閥廳“一字型”布置方案

采用“一字型”布置方案的優(yōu)點：閥廳對換流變噪聲有明顯的阻擋作用，直流場噪音小，基本不受換流變的影響?！耙蛔中汀辈贾脮r，換流變進線構架正對閥廳，換流變引線容易實現(xiàn)。輔助設備按極分區(qū)布置，單元體系清晰。直流穿墻套管從閥廳長軸方向出線，與已有的±500 kV 直流工程類似，布置較為成熟，接線相對簡單。極1、極2 組裝場地相通，備用變更換時運輸距離較短，并且高、低端備用換流變的布置方向均與工作變同向，在更換時可做到不旋轉(zhuǎn)，快速便利[8-10]。

但是采用“一字型”布置時，增大了直流場和閥廳橫向尺寸，且24 臺換流變一字排開面向交流場，其噪聲向交流場及其兩側(cè)傳播，噪聲覆蓋范圍廣，影響較“面對面”布置大。另外，由于換流區(qū)域僅考慮一臺換流變安裝后后部過車的空間，換流變進線跨距小、角度大，不方便交流側(cè)進線。

4 閥廳“L型”布置

閥廳采用“面對面”布置時，閥廳、換流變區(qū)域和直流場的橫向尺寸較小，有利于直流場布置。極1、極2 組裝場地完全獨立，換流變組裝場地可以考慮同一極的高、低端換流變可同時背靠背安裝檢修，運行檢修比較靈活。

相比于閥廳“面對面”方案，閥廳“一字型”布置的特點在于換流變檢修更換更為便利且引線更為順暢，換流變區(qū)域占地面積相對更小。然而，由于“一字型”方案的4個閥廳為并排布置，橫向尺寸會非常大，間接增加了直流場布置的難度和占地面積。

通過對目前換流場兩種閥廳布置形式進行分析，可以看出“面對面”和“一字型”各有優(yōu)缺點。本文結(jié)合上述兩種布置方案的優(yōu)點，同時對方案的缺點部分進行優(yōu)化設計，提出了一種新型的閥廳布置方式，即“L型”布置。

閥廳“L型”布置方案如圖3所示，每極的高端閥廳和低端閥廳呈“L型”布置，兩個“L型”水平鏡像布置。其中，兩個高端閥廳“一字型”布置，兩個低端閥廳“面對面”布置。每個閥廳對應的兩組(6臺)換流變與閥廳緊靠一字排列，換流變閥側(cè)套管直接插入閥廳。分別在高、低端閥廳前設置換流變運輸和組裝場地；低端換流變利用“面對面”的運輸和組裝場地，通過架設高跨導線實現(xiàn)2組不同接線型式的換流變的匯流。

圖3 閥廳“L型”布置方案

相較于閥廳“面對面”和“一字型”布置方案，高、低端閥廳“L型”布置具有以下特點：

1)“L型”布置的閥廳、換流變區(qū)域和直流場的橫向(東西方向)尺寸較高、低端閥廳“面對面”布置時更小，節(jié)省占地面積達16%以上。

2)減少了一個輔助控制樓建筑物，閥廳相對集中，方便運行和巡視。

3)低端閥廳“面對面”布置、高端閥廳和交流500 kV戶內(nèi)氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas-insulated metal-enclosed switchgear, GIS)室面對面布置，能夠有效阻擋換流變的噪聲傳播。

4)直流穿墻套管均從閥廳長邊引出，每個閥廳的閥塔靠近對應的穿墻套管，閥塔出線不需要在閥廳內(nèi)轉(zhuǎn)90°后再引接到穿墻套管上，閥廳內(nèi)接線相對簡單。

5)2個低端閥廳“面對面”布置，能夠?qū)崿F(xiàn)低端換流變共軌，簡化換流變廣場軌道設計。

6)優(yōu)化軌道設計方案，高端換流變廣場采用單軌設計，軌道總長度約2 500 m。

7)高、低端換流變區(qū)域相對獨立，可同時進行安裝檢修和備用相更換，互不干擾，運行方式更加靈活。

閥廳、換流變區(qū)域采用“L型”布置后，較閥廳采用常規(guī)的“面對面”布置方案縮短了直流場同極高低端旁路回路的連接長度，兩極共節(jié)省了8支400 kV直流支柱絕緣子。

5 方案比較

閥廳“L型”方案兼顧了“面對面”和“一字型”布置的優(yōu)點。兩個高端閥廳可看作是“一字型”布置，而兩個低端閥廳則可認為是“面對面”布置?！癓型”布置不僅保證了高、低端換流變有各自的組裝廣場，更進一步優(yōu)化了換流變區(qū)域和直流場的尺寸。三個方案的各配電裝置的占地指標分別見表1所列，閥廳“L型”布置方案占地優(yōu)勢明顯。

表1 三個方案占地面積比較m2

6 “L型”布置閥廳的電氣設計

閥廳的布置方案需與換流變壓器的布置綜合考慮，閥廳尺寸主要取決于設備外形、空氣凈距要求、設備間連線以及運行檢修空間等。特高壓直流換流站每極分高端和低端2個閥廳，每極的高端閥廳和低端閥廳呈“L型”布置，兩個“L型”水平鏡像布置。其中，兩個高端閥廳“一字型”布置，兩個低端閥廳“面對面”布置；800 kV/600 kV閥塔布置于高端閥廳內(nèi)，400 kV/200 kV閥塔布置于低端閥廳內(nèi)。閥塔布置采用懸吊式、二重閥布置，每個閥廳內(nèi)懸吊六個二重閥。換流變壓器采用單相雙繞組型式，在布置上與閥廳緊挨，閥側(cè)套管插入閥廳，在閥廳內(nèi)部完成“Y”星形連接(以下簡稱“星接”)、“△”三角形連接(以下簡稱“角接”)。

6.1 總體布置方案介紹

換流站包含高端H/Y換流變、高端H/D換流變，低端L/Y換流變和低端L/D換流變四種類型?！癓型”布置時，閥廳直流穿墻套管均垂直閥廳長度方向進入，每個閥廳的閥塔靠近對應的穿墻套管，閥塔出線不需要像閥廳“面對面”布置那樣在閥廳內(nèi)轉(zhuǎn)90°后再引接到穿墻套管上，閥廳內(nèi)接線相對簡單。在上脈動閥塔中點用管母線接至Y/Y(星接的換流變，高端閥廳H/Y，低端閥廳L/Y)換流變的上套管，三個下套管通過支柱絕緣子和管母線連接，從而實現(xiàn)星接。Y/D(角接的換流變，高端閥廳H/D，低端閥廳L/D)換流變的上套管通過管母線直接連接到下六脈動閥塔的中點。下套管通過支柱絕緣子/懸吊絕緣子和管母線連接，實現(xiàn)角接。

6.2 閥塔布置

換流閥布置在閥廳中部，閥塔的間距與換流變防火墻的間距相適應，低端閥廳的閥塔間距還需考慮低端換流變廣場共軌布置的需求。除此以外，換流閥塔之間的距離還需考慮換流變的進線角度、閥塔之間的空氣凈距要求和直流套管接入的具體位置[11]等。高端HY(高端閥廳中的YY換流變)和HD(高端閥廳中的YD換流變)換流變閥側(cè)套管直接插入閥廳，在閥廳內(nèi)部完成對應的星接和角接。

6.3 直流穿墻套管布置

直流穿墻套管均布置在閥廳靠近直流場側(cè)，穿墻套管從閥廳的長度方向插入，高壓穿墻套管水平傾斜10°安裝。800 kV極線及400 kV直流母線均采用地面支撐布置方案。中性線母線采用側(cè)墻絕緣子安裝方案。

6.4 換流變套管布置

換流變套管的布置包括星接和角接兩種。星接的換流變閥側(cè)套管星形側(cè)采用懸吊絕緣子金具，通過硬管母連接至閥塔，換流變的中性點側(cè)采用硬管母連接，通過支撐絕緣子金具短接。角接換流變閥側(cè)套管相間通過管母從套管端部直接相連。換流變閥側(cè)套管端部與閥塔的連接采用垂直安裝的管型母線，通過懸吊絕緣子金具，從該絕緣子端部連接對應閥塔。

6.5 避雷器與接地開關布置

高端閥廳裝設直流A2避雷器采用為懸吊安裝方式， C2避雷器布置在800 kV極線母線和400 kV母線之間，采用絕緣子支撐式布置方案，C2避雷器接至800 kV母線的金具與閥塔采用集成設計。接地開關均采用側(cè)墻布置方案。

低端閥廳直流M避雷器采用懸吊安裝方式，通過管母連接金具與閥塔200 kV母線連接。C1避雷器布置于400 kV母線下方，采用落地支撐式布置方案。星接LY換流變的接地開關和中性線接地開關采用側(cè)墻布置方案，角接LD換流變的接地開關和400 kV母線接地開關采用立地布置方案。

6.6 巡視走道布置

巡視走道從控制樓側(cè)進入閥廳，采用C型環(huán)繞布置方案，巡視視野開闊，可巡視整個閥廳。

6.7 閥廳尺寸優(yōu)化

換流閥長軸方向尺寸主要由換流變套管、閥塔的相間距、對墻的距離及極線進線設備布置決定，換流閥短軸尺寸主要是由閥塔尺寸、換流變的套管長度、直流穿墻套管長度及對墻的電氣距離確定。根據(jù)以上布置原則進行優(yōu)化，高端閥廳的尺寸為長×寬×掛點高：77.8 m×32.6 m×27 m；低端閥廳的尺寸為長×寬×掛點高：60.5 m×21.3 m×17 m。優(yōu)化后的閥廳平面布置如圖4和圖5所示。本文通過閥廳內(nèi)部的電氣工藝布置優(yōu)化，本文在不突破原有閥廳尺寸的前提下，實現(xiàn)了閥廳及換流變區(qū)域的“L型”緊湊布置以及換流變的共軌布置方案，與國內(nèi)主流技術方案(“一字型”/“面對面”)相比，節(jié)省整個換流站的占地面積12%～22%，可為以后的工程施工提供參考和借鑒。

圖4 高端閥廳平面布置方案

圖5 低端閥廳平面布置方案

7 結(jié)論

本文通過對閥廳和換流變區(qū)域“一字型”布置、“面對面”布置方案進行分析，提出了創(chuàng)新型的高低端閥廳組合“L型”布置。 “L型”布置較“一字型”和“面對面”布置占地面積更小，土石方量更小，噪聲控制效果更好。

除此以外，本文還提出了一種適應于“L型”布置型式的新型閥廳電氣布置方案，該布置方案具有具有以下優(yōu)點：

1)在不增加閥廳尺寸的前提下，對閥廳布置方案進行電氣工藝的優(yōu)化設計，工藝流程順暢；

2)優(yōu)化直流側(cè)穿墻套管布置方式。閥廳直流穿墻套管均垂直閥廳長度方向進入，每個閥廳的閥塔靠近對應的穿墻套管，閥塔出線不需在閥廳內(nèi)轉(zhuǎn)90°(閥廳“面對面”布置需轉(zhuǎn)向)后再引接到穿墻套管上，簡化了閥廳內(nèi)接線；

3)優(yōu)化高端閥廳內(nèi)的C2避雷器接線方式。為了方便C2避雷器接線，400 kV穿墻套管布置在800 kV和600 kV閥塔間，C2避雷器接至800 kV母線的金具與閥塔采用集成設計；

4)優(yōu)化閥廳巡視通道的布置，低端閥廳的巡視通道從閥廳的寬度方向進入，高端閥廳的巡視通道從閥廳的長度方向進入，巡視通道呈C形環(huán)繞布置，巡視視野開闊，可巡視整個閥廳；

5)優(yōu)化閥塔布置，拉大800 kV套管兩側(cè)閥塔的間距，方便后期閥塔的維護和檢修。

本文論述的方案中，換流閥外冷卻方式采用水冷，采用其他冷卻方式時方案同樣適用。