±800 kV换流站通用设计研究与应用

郭贤珊，郄鑫，曾静

(1.国家电网公司直流建设部，北京市 100031;2.国网北京经济技术研究院，北京市 102209; 3.中南电力设计院，武汉市 430071)

0 引言

近10年来，坚持立足自主、开拓创新，国家电网公司特高压直流输电技术的发展和应用水平得到了迅速提升。在世界上率先成功研发了±800 kV特高压直流输电技术，并于2010年7月建成了向家坝—上海±800 kV特高压直流输电示范工程(简称向上工程)，额定输送功率6 400 MW。2012年12月，锦屏—苏南±800 kV特高压直流输电工程成功投运，额定输送功率达到7 200 MW。2014年1月哈密南—郑州±800 kV特高压直流输电工程建成投运，额定输送功率进一步提高到8 000 MW。特高压直流输电技术在我国的应用前景非常辽阔［1-3］，因此，全面系统地总结特高压直流工程设计、建设和运行经验，结合最新的特高压直流科研成果，将安全可靠、先进适用、经济合理的设计优化成果固化，提炼形成±800 kV换流站通用设计，对于特高压直流输电技术的推广应用，全面提升特高压直流工程建设水平具有十分重要的意义［4-6］。

1 换流站通用设计编制思路

±800 kV换流站通用设计按照国家电网公司输变电工程通用设计的编制原则，充分考虑特高压直流工程的特点，确定了模块化的编制思路。各区域分区清晰、功能相对独立、连接关系明确。采用模块化编制思路可以充分体现通用设计统一性、灵活性的设计原则。根据换流站所处地理环境、系统条件和设备型式的差异，不同组合方案较多。为避免重复，方便使用，通用设计在内容编写上以模块为基础，主要对各个功能模块开展设计。实际工程设计时，可根据外部条件和功能需求，直接采用通用设计方案或采用不同的模块方案进行“拼装”，形成完整的设计方案。

2 通用设计的输入条件

主要输入条件应遵循具有代表性，并能对同类型不同规模、外部条件的工程具有广泛适用性的原则进行考虑。但兼顾到具体实施的可行性，通用设计方案按照在设计过程中能够方便地过渡到不同条件下的具体工程设计为原则，划定一个相对合理的适用范围。主要输入条件见表1、2。

表1 通用设计换流站规模Tab.1Converter station scale in general design

表2 通用设计站址环境条件Tab.2Environmental conditions of converter station in general design

3 通用设计方案及模块划分原则

3.1 通用设计方案划分原则

根据目前实际特高压直流工程可能遇到的不同外部条件和功能需求，通过深入分析，归纳出影响换流站主接线、平面布置等设计方案的4个方面的主要因素［7］。

3.1.1 大件运输条件

特高压直流工程直流电压等级高、输送容量大，换流变等设备尺寸和质量均较大。大件运输条件对设备型式选择、设计方案和运输安装方式有重大影响。根据换流站站址的大件运输条件不同，换流站关键设备的运输尺寸差异较大，对换流站平面布置影响较大。对于运输条件较好的换流站，换流变压器可以采用水路+公路直接运输方案，换流变压器的运输尺寸基本不受限制，高端换流变压器铁芯可以采用两柱式;平波电抗器可采用每极4台75 mH的线圈(单台线圈质量约90 t，运输宽度5.6 m左右，运输高度4.5 m左右)。对于运输条件限制较为严格的换流站，换流变压器需采用铁路+公路运输方案，换流变压器运输尺寸受铁路运输要求限制，一般不超过13 m×3.5 m×4.85 m(长×宽×高)。高端换流变压器铁芯需采用三柱式，甚至需要采取现场组装方式;平波电抗器采用每极6台50 mH线圈，公路运输(单台线圈质量约70 t，运输宽度5.3 m左右，运输高度3.9 m左右)。

3.1.2 阀外冷却系统型式

对于换流阀的阀冷却外循环系统，由于换流站站址所处位置气象条件差异及周围供水能力的不同，可能需要采用水冷或者空冷串联水冷方案，这对换流阀的运行方式、换流场平面布置和占地大小具有重要的影响。

3.1.3 是否需要融冰方式

对于直流线路经过重冰区且该区段线路较长的工程，直流工程需要具备融冰功能，相应直流场主接线和设备也不同［8］。

3.1.4 交流滤波器场配电装置型式

对于交流滤波器场，一是交流无功配置的差异(一般有16小组或20小组2种不同的规模);二是断路器型式不同(罐式或瓷柱式);三是交流滤波器场的布置有“田”字型和改进“田”字型方案，上述3个因素对换流站的平面布置影响较大。

因此，换流站通用设计方案首先考虑将以上这些对换流站总体方案影响较大的因素作为首要因素，形成不同模块方案，参与组合形成不同的通用设计方案。其次将对总体方案影响较小、可以适配所有技术方案的模块用于配合方案形成，不参与通用设计方案组合。最后，将换流变压器、换流阀采用不同类型，高、低端阀厅采用不同结构型式，主、辅控楼是否与阀外冷却设备间合并设计，交流滤波器小组采用不同谐调频率等对换流站的主接线、总体平面布置、建设规模等影响不大的因素作为不同的子模块方案，用于模块方案的内部变化，不参与形成不同的通用设计方案。

通过总结已建工程的成功经验，并适当兼顾了后续特高压直流工程的需求，按照大件运输条件、阀外冷却系统型式、直流线路是否有融冰要求、交流滤波器组配电装置型式等对设计方案影响较大的因素，共提出送端和受端换流站各16种通用设计方案，见表3。

表3 通用设计方案分类形成一览表Tab.3General design schemes’classification

3.2 通用设计模块划分原则

为了便于方案优化，加强方案的通用性，通用设计确定了模块化的编制思路，将各功能区作为通用设计的基本模块，结合换流站所处的地理环境、接入系统条件等差异，形成若干模块方案，按照各功能分区之间的连接关系拼装成通用设计方案。提出了5个基本模块，即换流场模块、直流场模块、交流滤波器场模块、站用电模块、接地极模块(不含接地极线路)，并按照5个基本模块设计了15个模块方案，见表4。换流场模块按照影响平面布置因素，结合换流变压器的运输条件，设2个模块方案;直流场模块按照送端和受端接线的差异。直流线路是否有融冰要求及平波电抗器的配置方案等影响接线和布置的因素，设8个模块;交流滤波器场模块按配电装置型式及布置的不同设2个模块方案;站用电模块设1个模块方案;接地极模块按是否与其他换流站共用，设独立接地极和共用接地极2个模块方案。

通用设计共提出了13个子模块，换流场基本模块按照建筑物和专业划分为高端阀厅、低端阀厅、主控楼、辅控楼、水工系统和暖通系统共6个子模块，交流滤波场基本模块按照设备单元功能划分为3次单调谐高通滤波器小组(HP3)、11次和13次单调谐带通并联滤波器小组(BP11/BP13)、24/36次双调谐高通滤波器小组(HP24/36)、不带阻尼电抗器的并联电容器小组(SC1)、带阻尼电抗器的并联电容器小组(SC2)、12次单调谐高通滤波器小组(HP12)、12/24次双调谐高通滤波器小组(HP12/ 24)等7个子模块。

对于提出的13个子模块设计了19个子模块方案，见表5。按照阀厅结构型式的不同，高端阀厅提出3个子模块方案，低端阀厅提出2个子模块方案。按照主、辅控楼与阀外冷却设备间分开或合并的2种方案，主控楼提出2个子模块方案，辅控楼提出2个子模块方案。按照阀外冷却系统采用水冷方式或空冷串联水冷(空冷为主、水冷为辅)方式，水工系统提出2个子模块方案。按照高端阀厅、低端阀厅、主控楼、辅控楼的采暖通风和空调系统设计方案，暖通系统提出1个子模块方案。按照交流滤波器小组配置方案，提出HP3、BP11/BP13、HP24/36、SC1、SC2、HP12、HP12/24共7个子模块方案。

表4 基本模块方案一览表Tab.4Basic module schemes

表5 子模块方案一览表Tab.5Sub-module schemes

实际工程中，送、受端各16个通用设计方案可直接用于工程设计，选择适应的子模块组成基本模块，对基本模块进行“拼装”，形成换流站本体及接地极极址部分的设计方案。

4 通用设计的特点

通用设计充分吸收特高压直流最新研究与设计成果，提升特高压直流工程通用设计的安全性、可靠性、经济性与环境友好性。为了确保不同技术方案和不同厂家设备能够协调运行，提升特高压直流工程标准化水平，要注意以换流阀、换流变压器、直流控制保护为核心的不同技术路线设备之间的融合与兼容。通用设计涵盖特高压直流换流站的各个功能分区，重点注意通用设计的模块化组合，确保整个工程工艺流程清晰，现场布置分区清楚，系统结构完整。

4.1 换流站主接线方案灵活

4.1.1 换流器接线

±800 kV特高压直流系统换流器采用双极，每极2个12脉动换流阀组串联接线，电压按400 kV+ 400 kV分配。每个12脉动换流阀组直流侧设置旁路回路，采用单相双绕组换流变压器，换流变压器阀侧套管在阀厅内按顺序完成Y、△连接［9］。这种主接线方案运行方式灵活，有6种运行方式，单、双极强迫停运率分别降低60%和50%，提高了直流输电的可靠性和灵活性。单换流器故障退出运行不影响其他换流器正常运行，减小了单换流器停运对系统的冲击，提高了直流系统的可靠性。同时，设备研制难度大幅降低，充分兼顾了高低压换流器之间设备的兼容性与互换性。

4.1.2 直流场接线

直流场采用典型双极接线，每极可以独立运行。按极对称装设平波电抗器、直流滤波器、直流电压测量装置、直流电流测量装置、直流隔离开关、旁路开关及直流避雷器等设备。平波电抗器按电感量平均分配安装在极线和中性线上。直流滤波器按每站每极装设1组考虑，每组直流滤波器由2个双调谐支路并联构成，共用1台极线隔离开关。直流场可根据直流线路是否需要融冰功能确定是否装设融冰回路。

4.1.3 交流场及交流滤波器接线

交流场采用典型一个半断路器接线方式。交流滤波器分为4个大组，每大组1个元件接入交流场一个半断路器串内。交流滤波器大组母线采用单母线接线方式。

4.2 主要设备通用性强

4.2.1 换流阀

换流阀由晶闸管换流阀单元、换流阀控制和晶闸管监视设备及其触发/回报光纤系统、换流阀单元的阀避雷器、换流阀冷却系统及冷却系统监视设备等组成。

现有的5英寸晶闸管通流能力有限，难以构建合理、高效的超大容量直流系统，不能充分发挥特高压直流输电线路的优势。±800 kV特高压直流系统采用6英寸电触发晶闸管换流阀，较5英寸方案，换流阀额定电流从3 000 A提升到5 000 A，承受短路电流能力由36 kA提升到51 kA，单阀串联元件由108片减少到60片，损耗降低了25%，大幅提高了设备可靠性和效率。

特高压直流换流阀为空气绝缘、水冷却、户内悬吊式二重阀。每个阀厅内部装设6个二重阀塔、12个单阀，全站4个阀厅共装设48个单阀。阀厅布置充分考虑不同技术路线换流阀的适应性，换流阀与控制保护、阀冷之间采用通用性的接口，提高兼容性和运行协调性。

4.2.2 换流变压器

换流变压器选型既要适应换流器主接线要求，又要兼顾设备制造和运输能力。特高压直流工程用换流变采用户外、单相、双绕组、油浸式、有载调压变压器，冷却方式为OFAF(强迫油循环风冷)或ODAF (强迫导向油循环风冷)，中性点直接接地。换流变压器由本体、组部件、传感器组成。根据站址大件运输条件的不同，换流变压器铁芯结构可采用两柱式或三柱式，具体需要根据大件运输条件、电压等级、容量等因素确定。

4.2.3 平波电抗器

经过综合比较，特高压直流工程采用干式平波电抗器。平波电抗器按电感量平均分配安装在极线和中性线上，并紧靠阀厅布置。每极平波电抗器电感值300 mH，文献［10］采用2种配置方案:(1)每极采用6台电感值为50 mH的平波电抗器，全站共12台平波电抗器;(2)每极采用4台电感值为75 mH的平波电抗器，全站共8台平波电抗器。具体选用哪种方案要考虑运输条件和厂家的制造能力。

4.2.4 直流开关

直流开关包括直流转换开关、旁路开关、直流隔离开关、直流场接地开关和阀厅接地开关共5类设备。其中直流转换开关包括金属回线转换开关(metallic return transfer breaker，MRTB)、大地回线转换开关(ground return transfer switch，GRTS)、中性母线开关(neutral bus switch，NBS)、中性母线接地开关(neutral bus grounding swithch，NBGS)，旁路开关包括高端12脉动换流阀组旁路开关和低端12脉动换流阀组旁路开关，直流隔离开关包括极线直流隔离开关、中点(2个12脉动换流阀组连接点，以下简称中点)直流隔离开关和中性线直流隔离开关，直流场接地开关包括极线直流接地开关、中点直流接地开关和中性线直流接地开关，阀厅接地开关包括阀厅极线侧接地开关、阀厅中点侧接地开关、阀厅中性线侧接地开关、高端Y/Y换流变压器阀侧接地开关、高端Y/D换流变压器阀侧接地开关、低端Y/Y换流变压器阀侧接地开关和低端Y/D换流变压器阀侧接地开关。其中MRTB和GRTS仅在送端换流站内装设。

4.2.5 直流控制保护

直流控制保护采用实时、全数字的分布式系统;按照分区配置保护，分层实施控制;直流控制保护的每个测量信号均采用双通道测量校验，包括换流变保护在内的直流保护系统均采用“三取二”逻辑，即信号测量绕组、回路、电源、测量模块、主机按照三重化原则完全冗余配置，将双极层保护下放至极层，不设置单独的双极保护主机，提高可靠性。

4.3 布置方案紧凑

4.3.1 换流场

按照通用性原则，考虑适应已有的2种技术路线换流变、4种技术路线换流阀的各种组合。阀厅大小、阀厅之间搬运广场尺寸按照不同组合给出，并给出适应不同组合的设计方案。换流广场:根据换流变线圈芯柱不同(分为两柱式和三柱式2种结构)，换流广场对应有2种模块方案。方案一(适用于单相两柱式换流变压器):以道路为界，区域宽度为280 m，满足不同技术路线换流阀与换流变组合要求。方案二(适用于三柱式换流变压器):以道路为界，区域宽度为288 m，满足不同技术路线换流阀与换流变组合要求。整个换流广场布置方正、规整，有利于噪声抑制。

4.3.2 直流场

直流场通用设计方案推荐户外场，整个布置简单，建设和运行费用低。成功解决了户外场需解决设备在高电压、重污秽、大风沙等恶劣自然环境下的外绝缘问题，以及支柱绝缘子的机械强度问题。采用典型双极对称设计，直流场设备按极对称布置，直流中性点设备布置在直流场的中央，直流高压极线设备布置在直流场两侧，每极直流滤波器组布置在直流中性点设备和直流高压极线设备之间［11］。

4.3.3 交流滤波器场

交流滤波器场模块按照布置型式不同分为“田”字形和改进“田”字形2种。2种模块方案的交流滤波器布置方式不同、组数不同，对交流滤波器小组数量的适应性不同，具体工程规模可以根据实际情况进行调整。

4.4 注重辅助系统和细节设计

4.4.1 进一步优化建筑物设计

控制楼通用设计在吸收以往工程经验基础上，推进简约化、标准化设计。将阀厅空调设备间移至控制楼内，将阀外冷设备间与控制楼合并设计，压缩楼层层高，优化房间功能布局与建筑面积，提升使用方便性和工程经济性。

4.4.2 规范换流阀冷却系统

通用设计的换流阀内冷系统均为水冷，外冷包括水冷(主要方式)、空冷，以及空冷+水冷3种方式，实际工程可结合站址的气候、水源、水质情况进行选择。每个阀厅内的换流阀组设置一套阀冷却系统。冷却系统由内冷系统和外冷系统2个部分组成，内冷系统为闭式单循环系统，冷却介质采用去离子纯水;外冷系统按照冷却介质的不同分为水冷、空冷2种冷却方式。在水资源丰富且年平均气温较高的地区，阀外冷系统宜采用水冷方式。在年平均气温较低、极端最高气温与换流阀进水温度的差值大于5℃的地区，阀外冷系统宜采用空冷方式;在年平均气温较低、极端最高气温与换流阀进水温度的差值小于5℃的地区，阀外冷系统宜采用空冷为主、串联水冷为辅的冷却方式。

4.4.3 优化阀厅设计方案

换流变压器交流进线及阀厅直流出线设计简单、方便。每极高、低端阀厅采用面对面布置，双极的低端阀厅采用背靠背联合布置。主控楼紧靠低端阀厅，辅控楼紧靠高端阀厅。每个换流器的6台换流变紧靠阀厅一字形布置，阀侧套管直接插入阀厅，在阀厅内部完成Y、△接线。以往直流工程阀厅按照每台换流变分别配置地刀，一般为埋地式设计;通用设计根据锦苏工程经验，按照每组换流变配置一副地刀设计，并改为侧墙式，取消了地下管沟，节省投资，提高了可靠性［12-13］。

5 结语

通用设计规范了设计原则，对提高工程质量、缩短建设周期意义重大，特别是“十二五”及“十三五”期间，±800 kV特高压直流输送容量将进一步提升。随着±1 100 kV特高压直流输电技术不断成熟，特高压直流输电技术还将得到更为广泛的应用。国家电网公司还将根据技术的不断进步，滚动修订通用设计方案，进一步推进特高压直流输电技术不断进步。

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(编辑:张小飞)