特高压阀厅电气设计探讨

王斌

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司,北京 100032)

1 特高压阀厅设计原则

八百千伏直流输电工程采用双极线方式,每条极线上串联着两个十二脉动阀组,而每一个十二脉动阀组都需要设置一个阀厅,因此,在八百千伏特高压直流输电工程中,每一个换流站都要设置四个阀厅。

在普通的直流输电工程的换流站中,阀厅很少会出现故障,即使出现故障也可以在短时间内进行修复并重新投入到直流输电工作当中去。而在特高压直流输电工程的换流站中,阀厅一旦出现故障如果不能将其退出运行将无法修复,由于电压过高,盲目对其进行修复很可能对维修人员的生命造成极大地威胁。因此,在超高压阀厅设计中,我们在每一个十二脉动阀组后面都增设一个旁路开关。同时控制系统、保护系统等辅助运行系统都与主系统完全独立,在这种设计下当某个十二脉动阀组出现故障时,我们可以将整个阀厅通过保护系统退出运行,而其他几个阀厅并不受其影响,仍可以继续正常工作。大大提高了特高压直流输电系统的稳定性和可靠性,同时保证了维修人员的生命安全。

对于阀厅布置的设计,根据主设备的不同我们可以根据自身情况选择二重阀阀厅或者四重阀阀厅。二重阀阀厅的占地面积大,但其安全性和可靠性明显优于四重阀阀厅。优于阀厅内部空间充足,可以很容易满足各设备之间安全距离的需求。在我国西部地区,一直在进行着西电东输项目,在陕西、甘肃、宁夏、内蒙古等地由于其煤矿资源丰富都建有大量火力发电厂,这些火力发电厂所生产的电能大多都是通过特高压直流输电工程传输到东部发达地区。对于我国这些西部地区,出了丰富的煤矿资源以外还有着大量充足的土地资源,对于这些地区的特高压阀厅的设计,建议全部采用二重阀阀组,保证西电东输项目的安全可靠。而四重阀阀厅的优点在于其占地面积小,但是满足阀厅内各设备的安全电气净距离相对二重阀阀厅较为困难。但这并不意味着四重阀阀厅的安全性和可靠性不高,相反,四重阀阀厅为满足其安全电气净距离将会采用更为先进的技术,其安全性绝对满足生产需求。只是其结构设计相对复杂,在建设期间将要投入更多的人力成本和财力成本。但对于东部寸土寸金的发达地区,采用四重阀阀厅的设计方案是必需的。各直流换流站根据自身的经济条件,以安全可靠为原则,选择符合自己的特高压阀厅设计方案。

2 阀厅电气安全净距计算研究

电气安全净距离需要考虑到基本冲击绝缘水平距离和操作冲击绝缘水平距离,其中基本冲击绝缘水平距离是由雷电冲击电压决定的,而操作冲击绝缘水平距离是由操作冲击电压决定的。在通常的情况下,由于阀厅内的避雷设施都较为完善,所以阀厅电气安全净距离主要是由操作冲击电压带来的操作冲击绝缘水平距离决定的。

对于阀厅电气安全最小净距离的计算,我们统一采用I E C标准公式。气压、温度、湿度是影响阀厅电气安全净距离的三大要素。而海拔是影响气压的主要因素,因此,我们在对阀厅电气安全距离进行计算的时候,要将特高压换流站所处地区的海拔精确带入到公式中去,以得出精确的结果,从而保证根据计算结果进行设计的阀厅布置方案的安全性和可靠性。

通过对某海拔五百五十米八百千伏特高压直流换流站阀厅最小电气安全净距离的计算,我们得到以下结果：直流高压极母线、阀侧对地最小电气净距取值为75 50m m;单阀两侧最小电气净距取值为12 00mm;高端Yy换流变阀侧相对地最小电气净距取值为75 50mm;高端Yy换流变阀侧相间最小电气净距取值为18 00mm;高端Yy换流变阀侧相对中性点最小电气净距取值为650mm;高端Yy换流变阀侧中性点对地最小电气净距取值为果直 00 m m;高端十二脉动阀桥的六脉动终点最小电气净距取值为阀两最小 m m;高端Yx换流变阀侧对地最小电气净距取值为5500mm;高端Yx换流变阀侧相间最小电气净距取值为1800 m m;两个十二脉动桥的中点至高压极母线最小电气净距取值为3400 m m;两个十二脉动桥的中点至低压极母线最小电气净距取值为3400mm。

以上数据可作为海拔五百五十米特高压直流换流站阀厅最小电气安全净距离的参考,但不同换流站还需根据自己的实际情况进行阀厅设计,在保证阀厅安全可靠的同时,还需要考虑到阀厅设备安装的经济性。

3 阀厅布置研究

3.1 换流阀结构外形

晶闸管是换流阀的主要原件,普通的直流换流站所采用的换流阀一般所用得晶闸管都是13公分,而对于超高压直流换流站,我们的换流阀将要在更高的电压环境下工作,输送容量也远远高于普通直流换流站所以得换流阀。因此,对于超高压直流换流站我们需要性能更强的晶闸管作为支撑。据悉,目前西门子公司已经成功研发出了15.5公分的晶闸管,由此晶闸管为主要原件的换流阀也将于今年年底进行生产。因此,我们在进行阀厅设计的时候可以考虑将这种新型的换流阀纳入设计方案。

3.2 阀厅尺寸要求

八百千伏特高压直流换流站中主要有阀塔、避雷设施、地刀、直流电流互感器、直流电压分压器、管母、支持绝缘子及悬垂绝缘子等设备。阀厅的尺寸主要取决于阀厅内设备的布置,包括各设备连接方式、阀厅采用二重阀阀厅还是四重阀阀厅以及个各设备之间的电气安全距离。

其中,阀厅的高度取决与设备外形尺寸及其连接方式,以及预留的维护通道。而阀厅的高度主要取决于阀塔的形式为二重阀还是四重阀。根据上文给出的五百五十米八百千伏特高压直流换流站阀厅最小电气安全净距离的计算结果,给出的集中不同设计方案下的阀厅尺寸如下：

采用二重阀阀塔的高端阀厅的尺寸为77x30x23.5/m,占地面积为2160平方米;采用四重阀阀塔的高端阀厅的尺寸为46.3x31.8x23.6/m,占地面积为1473平方米;采用二重阀阀塔的低端阀厅的尺寸为59x22.5x15.5/m,占地面积为1220平方米;采用四重阀阀塔的低端阀厅的尺寸为35.4x26.6x16.6/m,占地面积为942平方米。

根据不同的连接方式,海拔五百五十米八百千伏特高压直流换流站阀厅共有四种尺寸方案以供参考,各换流站可以根据自身的经济实力进行选择。而采用四重阀的阀厅,需要对厅内各设备的安全距离最更精准的计算,由于空间限制,对阀厅内各设备的维护可能会出现不便捷等困难,但是其经济性相对二重阀阀厅较高,不仅造价较低,在日常的运行维护中对阀厅供暖、监测阀厅内部温湿度等指标的成本均低于二重阀阀厅。此外,以上数据针对海拔五百五十米八百千伏的特高压直流换流站计算,对其他海拔或非特高压的直流换流站阀厅设计并无太大参考意义。设计人员在进行阀厅设计时需重新计算。

4 结语

综上所述,采用二重阀还是四重阀对阀厅的布置设计具有最直观的影响,上文有所提及,采用二重阀的阀厅,可以很容易的保证阀厅内各设备间的电气安全距离,换流站在运行的时候可以很好的保证换流站的安全性和可靠性。此外,还可以预留较为广阔的运行维护空间,当设备出现故障时进入阀厅维修维护十分便捷。

[1] 杨俊超,何山,杨国华,程静,王维庆,余金.±800kV特高压直流换流站阀厅金具的电气设计特点[J].高压电器,2016,52(11)：47-50.

[2] 杨媛,杜晓磊,付颖,乐波,陈东,祝全乐.特高压直流工程受端分层接入交流电网方式下阀厅概念设计[J].高电压技术,2016,42(07)：2224-2234.

[3] 杜志叶,朱琳,阮江军,金硕,胡龙飞,常林晶.基于瞬时电位加载法的±800kV特高压阀厅金具表面电场求解[J].高电压技术,2014,40(06)：1809-1815.

[4] 丁永福,王祖力,张燕秉,徐光辉,韩国辉,孔玉辉,刘建权.±800kV特高压直流换流站阀厅金具的结构特点[J].高压电器,2013,49(09)：13-18.