特高压换流站500 kV站用变压器应用GIL的连接方案

刘盛，周志超，张农，丁健

(浙江省电力设计院，杭州市，310012)

0 引言

直流输电技术主要应用于远距离、大功率输电和非同步交流系统的联网，换流站是直流输电系统的核心，用于完成交流和直流之间的变换。±800 kV换流站是目前国内电压等级最高的换流站，站用电一般为站内引接2回站用电源，站外引接1回站用电源。站内2回站用电源接至站内交流气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear，GIS)，电压等级为500 kV，设置2台站用变压器，低压侧电压等级为10 kV。

特高压换流站中500 kV交流站用变压器与GIS连接的方式可以采用架空连接和气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal enclosed transmission line，GIL)连接等多种方式。架空连接方式为GIS设备套管与站用变压器采用软导线或管母线连接，避雷器和电压互感器采用空气绝缘开关装置(air insulated switchgear，AIS)，布置尺寸偏大，GIS设备与站用变压器之间有明显的断开点，各类试验相对简单，检修方便；GIL连接方式为变压器采用油/SF6气体套管与GIS设备通过气体绝缘母线连接，不出现裸露的导体和引线，布置灵活紧凑，有利于提高设备的可靠性，但避雷器和电压互感器均需采用GIS设备，造价较高，无明显的断开点，各类试验相对复杂，检修不便。

1 油/SF6气体套管介绍

油/SF6气体套管可以根据电容心子的材料不同分为2类：油纸和环氧树脂浸纸。

油纸套管的主绝缘为油浸纸电容心子，经真空干燥后由变压器油真空浸渍而成；油纸套管具有优良的电气性能，但由于该类套管在运行中可能出现油色谱超标、瓷件爆炸伤人、漏油污染环境等缺点，导致油纸套管的应用受到了一定的影响。因此，20世纪60年代国外开始研究环氧树脂浸纸干式套管，以克服油纸套管的缺点。

环氧树脂浸纸干式套管中起主绝缘作用的电容心子为圆柱形电容器，用绝缘纸和铝箔缠在套管的导电杆上，经真空干燥后浸渍环氧树脂固化而成。环氧树脂浸纸干式套管的制造和测试均达到或超过了IEC 60137和GB/T 4109—2008的要求。

油/SF6套管已大规模应用于核电站、水电站、抽水蓄能电站等工程中，在交流500 kV户内变电站中也有应用经验。

2 换流站站用变压器回路配置方案

GIS与站用变压器采用GIL连接后，该回路避雷器和电压互感器改为GIS设备，造价增加，以下介绍该回路金属氧化物避雷器(metal oxide arrester，MOA)和电压互感器(voltage transformer，VT)的配置要求，同时结合国内某特高压换流站交流场地的整体布局，对GIL连接方案和架空连接方案进行技术经济比较。

2.1 电压互感器与避雷器配置

本工程交流500 kV线路为一个半断路器接线，2台站用变压器分别接入IM和ⅡM母线。

2.1.1 站用变压器500 kV侧电压互感器配置

根据国家标准的要求，与三相电压量相关的变压器保护主要有过励磁保护、复合电压启动的过电流保护或复合电流保护。

(1)过励磁保护［1-5］。对于高压侧为交流330 kV及以上的变压器，为防止由于频率降低和/或电压升高引起变压器磁密过高而损坏变压器，应装设过励磁保护。过励磁保护由电压与频率的比值构成，每相都要进行判别，需要引入三相电压。

结合工程情况，特高压换流站中站用电负荷为10 MVA，但由于500 kV交流变压器额定容量最小不宜低于40 MVA，因此一般按40 MVA选择。换流站中的站用变压器运行在低负荷，铁心等金属构件及变压器油的温度较低，有利于提高变压器的过励磁能力。此类变压器的正常工作磁通密度一般为1.5～1.6 T，饱和磁通密度为1.8～2 T。本工程作为受端换流站，经计算其工频稳态过电压不超过1.09 pu，而所连接的系统频率基本不变，因此可以认为工作磁通密度不超过1.09倍的正常磁通密度，即为1.635～1.744 T时不会导致铁心饱和。根据变压器过励磁特性曲线，此类运行方式下的变压器在过电压倍数不超过1.1 pu时可以连续运行。因此本工程站用变压器不会出现过励磁情况，可以不装设过励磁保护，无需引入三相电压。

对于某些交流500 kV变压器低压侧安装有低压无功补偿装置的特高压换流站，配置的交流变压器额定容量一般为120～240 MVA。由于变压器需要运行在满负荷状态，此类变压器的过励磁能力为不超过1.05 pu时能连续运行，若要提高过励磁能力，则需增大铁心截面或增加绕组匝数，提高设备投资，因此仍需装设过励磁保护，不提高站用变压器的过励磁水平。

对于工频稳态过电压水平超过1.1 pu的特高压换流站，交流站用变压器也应装设过励磁保护。

(2)复合电压启动的过电流保护或复合电流保护。交流110～500 kV降压变压器、升压变压器和系统联络变压器，相间短路后备保护采用过电流保护不能满足灵敏度要求时，宜采用复合电压启动的过电流保护或复合电流保护，复合电压由引入三相电压产生。

经校验，本工程站用变压器高压侧相间短路过电流保护灵敏度数为11.89，满足灵敏性要求，无需配置复压启动。

由上分析可得，本工程站用变压器保护不需要配置高压侧VT。同时，计量测量点可以设置在站用变压器低压侧，因此站用变压器计量测量也不需要配置高压侧VT。

综上所述，结合本工程的实际情况，站用变压器保护和计量测量系统可以不配置高压侧电压互感器。2.1.2 站用变压器500 kV侧避雷器配置

根据变电站设备实际的布置情况，采用电磁暂态计算程序分析了线路雷电进波对设备的过电压影响，计算结果见表1。

由表1可知，站用变压器的过电压为1 326 kV，绝缘裕度为16.9％，低于最小绝缘配合系数25％；如果过站用变压器采用油气套管，站用变压器的过电压为1 263 kV，绝缘裕度为22.7％，仍低于最小绝缘配合系数25％。因此，需要采取措施降低其过电压，而在母线上安装1组MOA即可满足要求，母线避雷器应尽量靠近站用变压器侧，或者将站用变压器的雷电冲击绝缘水平提高到1 675 kV。

表1 线路雷电过电压电磁暂态计算结果Tab.1 Calculation results of electromagnetic transient of lightning overvoltage for transm ission lines

2.2 换流站500kV交流场地布置

对于GIL管道连接方案，站用变压器500 kV侧回路避雷器宜采用GIS设备，因此站用变压器回路省去了空气套管和架空线所要求的电气距离要求，占地尺寸大幅降低，可以直接利用GIL管道区域的空余场地布置，不单独增加站用变布置区，使得换流站交流场区域布置更加清晰合理。

油/SF6套管为减小安装法兰的受力，倾斜角不宜大于30°，故推荐竖向安装油/SF6套管，断面及剖面如图1所示。

图1 油气套管断面及剖面图Fig.1 Sectional draw ing and hatch areas of oil/gas bushing

2.3 技术经济比较

站用变回路选用GIL连接方案与架空连接方案在500 kV套管、避雷器及GIL等设备型式的选用及数量上存在不一致，见表2。

经比较设备配置差异，全站2组站用变压器采用GIL连接方案共节省投资23.64万元，并且交流区域布置更加合理，节省了场地，提高了连接的可靠性，减少了维护的工作量。

表2 GIL连接方案和架空连接方案的相关设备配置Tab.2 Equipment configuration for connectionschemes of GIL and overhead

3 GIL连接方案互感器的选择

由以上分析可知，该换流站站用变回路可以取消回路VT，如果个别特高压换流站不能取消过励磁保护，则站用变回路的VT也不能取消。由于常规GIS的VT比AIS的VT每相需增加投资31.8万元，因此GIL管道连接方案总体投资反而需要增加。

应用电子式互感器可以降低工程造价，同时罗氏线圈线性度好、抗饱和能力强，能有效解决站用变压器高压侧小变比电流互感器(current transformer，CT)的饱和问题［6-7］，但是目前电子式互感器处在应用初期，需要论述方案的可靠性。为了更全面地分析GIL管道连接方案，有必要对应用GIS电子式互感器的方案进行探讨。

实习基地建设与利用 从2012年开始，先后与丹东东方测控、华日理学等五家企业签订实习实训基地协议书；与锦州航星集团有限公司、锦州阳光能源科技有限公司等三家企业签订实习实训基地协议书，接纳连续六届学生毕业实习、生产实习。

3.1 电子式互感器的工作原理

电子式互感器根据其高压部分是否需要工作电源，可以分为有源式和无源式2类［8-10］。

对于GIS设备，现阶段选择应用线圈型电子式电流互感器(electronic current transformer，ECT)和分压型电子式电压互感器 (electronic voltage transformer，EVT)技术可靠、投资节省。

3.2 应用电子式互感器

3.2.1 应用方案

站用变压器采用GIL管道连接，站用变压器500 kV侧应用GIS型式的ECT和EVT；为了考虑站用变各侧互感器特性的一致性，站用变压器10 kV及中性点侧也应用ECT和EVT。

对于电子式互感器方案，对应2种VT设置方式进行应用探讨。

(1)方式1：500 kV母线设置单相VT，站用变压器500 kV侧设置三相VT。

500 kV母线单相VT采用常规型式，站用变压器500 kV侧采用三相ECT、三相常规CT和三相EVT；站用变压器保护、测量、计量装置采用ECT和本回路EVT，500 kV母差保护采用常规CT。

(2)方式2：500 kV母线设置三相VT，站用变压器500 kV侧不设置VT。

500 kV母线三相 VT采用 EVT，站用变压器500 kV侧采用三相ECT和三相常规CT；站用变压器保护、测量、计量装置等采用 ECT和母线 EVT，500 kV母差保护采用常规CT。

3.2.2 方案比较

母线VT除了站用变压器外的间隔仅需提供单相同期电压，不影响主保护功能，因此应用EVT对于控制保护系统影响不大，上述2种方式均较为稳妥，但是方式1比方式2的影响范围更小、可靠性更高，对于除了站用变压器外的其他间隔，控制保护系统没有影响，也不存在互感器特性不一致的问题，因此推荐采用方式1。方式1比方式2需增加2台500 kV常规GIS电压互感器，增加投资约80万元。

站用变压器保护、测控、计量等装置均接入来自ECT和EVT的电流电压数字量，500 kV母差保护及断路器保护仍接入常规电流互感器的电流模拟量。GIL连接方案应用电子式互感器，与架空连接方案应用常规互感器的相关设备配置差异见表3。

表3 GIL连接方案和架空连接方案的设备配置Tab.3 Equipment configuration for connection schemes of GIL and overhead

由表3可知，站用变压器GIL连接方案应用电子式互感器后，比架空连接方案应用全常规互感器节省投资约36.84万元。本方案为了增强电子式互感器的可靠性，尽可能减小应用电子式互感器所带来的影响，仅使用站用变回路的保护测控、电能表和故障录波装置采集来自电子式互感器的电流电压采样值，其他控制保护设备均保持不变。

4 结语

在特高压换流站中，500 kV交流站用变压器采用GIL管道连接方案可以节省投资，优化了交流场布置，提高了连接可靠性，减少了维护工作量，但是也会带来试验和检修的不便。随着GIS设备的普及，GIL连接方案将更多地应用到各种类型的换流站及变电站中，这就需要相关规程规范针对油/SF6套管的特点调整试验和检修要求，以利于该设备的推广应用。

由于GIL连接方案要求避雷器和VT改用GIS设备，需要增加设备投资，但经论证后发现，可以取消站用变过励磁保护和复压启动回路，取消站用变压器500 kV侧回路VT，从而节省了投资。

本文还提出了应用有源式电子式互感器来解决GIS常规互感器价格偏高的问题，力求在保证可靠性的前提下降低工程造价，有效解决了特高压换流站站用变压器高压侧小变比CT的饱和问题。

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