高地震烈度区换流站1 000 kV交流滤波器配电设备选型

邹家勇，孙梓航，孙东风，吴怡敏

（1.西南电力设计院，成都　610000；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南　250021；3.国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东　菏泽　274000）



高地震烈度区换流站1 000 kV交流滤波器配电设备选型

邹家勇1，孙梓航2，孙东风3，吴怡敏1

（1.西南电力设计院，成都610000；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南250021；3.国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东菏泽274000）

摘要：根据目前1 000 kV特高压交流设备生产研发情况，从设备可靠性及投资经济性两个方面提出分层接入换流站1 000 kV交流滤波器设备选型推荐方案，考虑该选型方案可能带来的抗震及电磁环境问题，利用有限元方法校核推荐的设备型式下配电装置的抗震性能及离地1.5 m处场强，校核结果显示，该选型方案能够满足规程要求的抗震要求及场强限值，证明了该方案的可行性。

关键词：分层接入换流站；交流滤波器；柱式断路器；配电装置

0　引言

随着我国特高压交、直流输电技术的发展，为提高多馈入直流系统的电压支撑能力、引导电网潮流合理分布、解决多馈入直流系统电压稳定问题、促进交直流电网协调发展［1］，提出了换流站交流侧分层接入1000 kV、500 kV电网，交流滤波器及无功补偿装置分别接入1 000 kV及500kV母线。由此换流站内配置了1 000 kV电压等级交流滤波器及无功补偿装置，其配电装置存在电压等级高、设备生产难度大、价格昂贵等问题，而部分分层接入换流站建设在高地震烈度区域，进一步加大了设备选型的困难，根据我国在建±800kV分层接入换流站工程设计经验，结合1 000 kV交流设备生产制造能力，对分层接入换流站1 000 kV交流滤波器配电装置设备选型及布置方式进行研究，给出推荐的设备选型及布置方案，校核设备的抗震性能及空间场强，为后续工程提供参考。

1　1 000 kV交流滤波器配电装置设备选型

1.1断路器选型

1000kV交流滤波器断路器技术难点：1）1 000 kV交流滤波器组及电容器组负载特性呈容性，需要断路器具备开断较大容性电流的能力；2）由于电容器的储能效应，断路器开合过程中所承受的恢复电压较大，为避免断口重复击穿断路器断口绝缘介质应具备良好的绝缘恢复能力；3）滤波器断路器的投切频率较常规断路器更高［2］。上述要求造成1 000 kV断路器制造困难，且价格昂贵。以往1 000 kV交流特高压工程中，1 000 kV配电装置大量使用了GIS型式，每台1 000 kV断路器造价高达1亿元。如果在1 000 kV交流滤波器配电装置中，继续使用GIS型式断路器，由于交流滤波器分组较多，其投资将极为巨大，以一个包含14个1 000 kV交流滤波器小组的换流站为例，若其配电装置全部使用GIS装置，则仅1 000 kV交流滤波器配电装置的投资将高达14亿元，若考虑围栏内高压电容器、电抗器、电阻器等其他设备，每小组围栏内设备按2 000万元估算，则1 000 kV交流滤波器整体投资将高达16.8亿元，这将使得直流输电工程的投资经济性变得极差，失去了采用分层接入的意义。因此，必须使用投资较低的1 000 kV断路器型式。

根据以往1 000 kV交流特高压工程经验及目前各设备厂家1 000 kV断路器设备研发进展，除GIS外，1 000 kV断路器尚有HGIS、罐式断路器及柱式断路器3种型式。

1.1.1HGIS方案

HGIS方案与GIS方案的差别仅为去掉了GIS母线，由于采用了SF6气体作为绝缘介质，具有结构紧凑、体积小、结构重心低、抗震性能好等特点，如图1所示。

图1　HGIS断路器外形

根据国内主要1 000 kV开关设备生产厂家调研结论，目前各大厂家均有较为成熟HGIS方案产品。但由于HGIS产品与GIS产品仅有母线结构不同，因此价格依然较高。

1.1.2罐式断路器方案

罐式断路器方案是在HGIS方案的基础上，去掉了HGIS中的隔离开关，保留了断路器本体及电流互感器，其结构特点、性能与HGIS产品相似，如图2所示。

图2　罐式断路器

显然，由于少了隔离开关，罐式方案较HGIS方案尺寸有所减小。目前西安西电开关电气有限公司、新东北电气集团有限公司有较为成熟的1 000 kV罐式断路器产品，河南平高电气股份有限公司目前尚无罐式断路器产品，但表示若需要，能够在已有的GIS方案上进行研发。

1.1.3柱式断路器方案

1 000kV柱式断路器是在500 kV瓷柱式断路器的基础上进行研发的一种新的结构型式，其结构特点与500 kV瓷柱式设备类似，由断路器灭弧装置及绝缘瓷（或复合）柱组成，结构简单，但由于采用了空气作为绝缘介质，使得断路器本体对地距离较高，结构稳定性不如HGIS及罐式断路器方案。如图3所示。

图3　瓷柱式断路器

由图3可以看出，柱式断路器灭弧室置于上部，与HGIS及罐式断路器有较大不同，整体呈现“头重脚轻”的结构，因此其抗震性能较差，根据国内主要1 000 kV开关设备生产厂家调研结论，目前西安西电开关电气有限公司、新东北电气集团有限公司及河南平高电气股份有限公司等厂家1 000 kV柱式断路器产品已进入型式试验阶段，在采用高强度的复合绝缘支柱作为支撑件的情况下，单一设备的抗震性能能够满足9度地震烈度的要求。

设备选型主要取决于设备的技术可行性及经济性，根据上述分析，HGIS、罐式及柱式断路器方案技术上均能满足要求，因此需考虑其投资经济性，根据目前向各厂家询价，3种方案价格差异较大，HGIS及罐式断路器方案价格均远高于柱式方案。因此，在满足电容器投切技术性能要求及抗震性能的基础上，推荐选择柱式断路器方案。

1.2隔离开关

1 000kV隔离开关主要有水平旋转式和垂直伸缩式两种。1 000 kV水平旋转式隔离开关在晋东南1 000 kV串补站中已经得到了应用，而1 000 kV垂直伸缩式隔离开关目前尚处于研发阶段。

水平旋转式隔离开关方案。1 000 kV水平旋转式隔离开关高度12.2 m，两个静触头中心距11.7 m。该设备已有运行经验且国内主要设备厂均可生产此类型隔离开关，如图4所示。

图4　水平旋转式隔离开关

垂直伸缩式隔离开关方案。1 000 kV垂直伸缩式隔离开关方案主要是延续了500kV垂直伸缩式隔离开关的思路，采用了垂直断口设计，将静触头固定于开关顶部母线上方，主要优点是可以大大减少1 000 kV隔离开关设备占地，进而使得换流站占地指标更优。1000kV垂直伸缩式隔离开关如图5所示。

图5　垂直伸缩式隔离开关

1 000kV剪刀式隔离开关总高22.5 m，隔离开关打开后，伸缩臂宽度5.67 m，隔离开关下部均压环直径为3.3 m。考虑底部支架后，设备总高度达到25m左右，国内主要设备厂家均已设计了1 000 kV处置伸缩式隔离开关，但由于目前尚未进行试验，其开合的准确性和抗震问题还需要进一步研究。考虑到水平端口隔离开关已有成功运行经验，且本体相对较低，抗震性能较好，故推荐采用垂直伸缩式隔离开关。

1.3其他设备

1 000kV交流滤波器配电装置断路器、隔离开关外，还有避雷器、接地开关及电流互感器等，其中避雷器及接地开关均在1 000 kV交流特高压中有成熟应用，并已形成了1 000 kV通用设备标准，且能够满足1 000 kV交流滤波器场布置要求，因此可以按通用设备直接选用。对于1 000 kV滤波器回路电流互感器，由于目前国内互感器厂家均无1 000 kV电磁式互感器产品，考虑到目前光电流互感器技术应用较为成熟，而1 000 kV光电流互感器实际对地电压为相电压635 kV，小于直流场800 kV光电流互感器对地电压，目前国内厂家均表示具备该设备生产能力，且结构型式及尺寸与800 kV光TA类似。因此1 000 kV互感器选用光电流互感器。

图6　1 000 kV交流滤波器配电装置断面

2　配电装置抗震性能校核

根据设备选型结果，可得到1 000 kV交流滤波器配电装置连接断面如图6所示。

图6虚线框内为滤波器配电装置部分，可以看出整个配电装置部分均为支柱式结构，结构稳定性较常规特高压交流变电站1 000 kV GIS配电装置差，抗震能力会减弱，虽然各设备厂家通过计算及试验验证了单个设备的抗震性能，但当设备通过导体连接后，需考虑地震时对导体、设备端子及金具的影响，因此，尚需进一步进行整体配电装置的抗震性能验证。

为验证其配电装置整体抗震性能，根据目前国内、外常用的电气设备抗震能力分析方法［3］，利用ANSYS软件建立配电装置模型如图7所示。

模型考虑了断路器与隔离开关、断路器与接地开关及支柱绝缘子的连接，对于隔离开关与上部导线的连接，由于导线柔性较好，且连接线较长，其对设备的影响较小，故可不考虑。按上述模型，以8度地震区为例，设备按9度设防，采用地震反应谱特征周期为0.5 s［4］，地震水平加速度0.4g进行抗震计算，在设备支柱均采用复合绝缘支柱的条件下，计算结果如表1～4所示，其中模型X向为水平回路连接方向，Y向为水平垂直回路连接方向。

图7　交流滤波器装置抗震计算模型

表1　设备支撑件应力

表2　设备顶端位移mm

表3　X向金具内力　N

表4　Y向金具内力　N

由上述计算结果可知，1 000 kV交流滤波器设备支柱最大应力为Y方向，应力值为25.65 MPa，而设备厂家提供的支柱破坏应力为80 MPa，此时设备的安全系数为3.12，超过设计安全系数。设备顶端位移最大处为隔离开关支柱3，即隔离开关与断路器相连处支柱，此支柱的位移达到了857.69 mm，但由于隔离开关与断路器支架采用了软连接，设计时，通过加大软连接处的弧垂，可减少地震时设备的隔离开关端子受力，使得偏移量满足要求。设备端子连接金具所受应力最大处为接地开关端子应力，达到了6 394.32 N，而以往特高压工程1 000 kV接地开关设备端子板的受力要求为4 000 N，但由于此要求为持续受力要求，按1.67倍安全系数考虑，其破坏应力为6 680 N，大于地震时的设备应力，因此可认为设备端子板受力能够满足9度地震要求。

根据以上分析，在选用柱式设备，采用复合材质绝缘子作为支撑件的情况下，1 000 kV交流滤波器配电装置推荐选型方案能够满足9度地震烈度要求。

3　滤波器配电装置区域地表场强校核

根据GB 50697—2011《1 000 kV变电站设计规范》规定“1 000 kV屋外配电装置场地内的静电感应场强水平（距离地面1.5 m空间场强）不宜超过10 kV/m，但少部分地区可允许达到15 kV/m。”在以往1 000 kV交流特高压变电站中，一般要求带电导体对地距离不小于17.5m，但对于1 000 kV交流滤波器场地，由于1 000 kV柱式断路器的结构稳定性及操作机构决定了其高度仅为15.5 m，提高其高度会导致其结构稳定性变差，抗震能力下降，无法满足高地震烈度抗震要求，因此，其设备下方距离地面1.5 m处空间场强会较常规1 000 kV变电站增大，为保证1 000 kV交流滤波器配电装置区域场强满足规程要求，需对其进行校核。

由于1 000 kV交流滤波器配电装置设备布置复杂，无法将其简化为理想模型进行解析求解，因此，考虑采用有限元方法进行区域场强计算［5］，建立1000kV交流滤波器区域三维有限元模型如图8所示。

图8　1 000 kV交流滤波器三维有限元模型

考虑断路器高度为15.5 m，隔离开关高度为17.5 m，计算距地面1.5 m处电场强度分布情况如图9所示。

图9　1 000 kV交流滤波器区域场强分布

由图9可知，1 000 kV交流滤波器配电装置离地1.5 m处仅有断路器与隔离开关连接处局部区域场强超过10 kV/m，接近11 kV/m，其他区域场强均小于10 kV/m，而1 000 kV交流滤波器区域巡视分布与相间，该区域不属于运行人员工作区，可将其定义为GB 50697—2011《1 000 kV变电站设计规范》中规定的少部分区域，其允许场强可达15 kV/m，因此，可认为按目前设备选型进行布置的1 000 kV交流滤波器配电装置区域离地1.5 m处电场强度可满足设计规程要求。

4　结语

根据目前特高压交流1 000 kV断路器、隔离开关等设备研发情况，从设备可靠性及投资经济性两个方面提出了在分层接入换流站中1 000 kV交流滤波器配电装置设备推荐型式，并对其抗震性能及区域场强进行了校核，校核结论表明设备型式能够满足规程规范要求的抗震性能及电磁环境要求，证明了该选型方案的可行性。

参考文献

［1］刘振亚，秦晓辉，赵良.特高压直流分层接入方式在多馈入直流电网的应用研究［J］.中国电机工程学报，2013，33（10）：1-7.

［2］聂定珍，曹燕明.HVDC换流站投切交流滤波器用断路器特殊性能要求［J］.电网技术，2008，32（23）：86-90.

［3］张伯艳，方诗圣，范知好.高压电气设备的抗震计算［J］.中国电力，2001，34（1）：44-47.

［4］尤洪兵，赵凤新.特高压电气设备抗震设计反应谱特征周期选值研究［J］.震灾防御技术，2014，9（2）：1171-180.

［5］王泽忠，刘士利，孙静.特高压交流变电站设备附近工频电场计算［J］.高电压技术，2010，36（1）：81-85.

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

中图分类号：TM642

文献标志码：A

文章编号：1007－9904（2016）05－0047－06

收稿日期：2016-02-20

作者简介：

邹家勇（1982），男，工程师，从事防雷与接地、过电压与绝缘配合方面研究。