超高压柔性直流换流站换流区优化布置研究

（中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，杭州 310012）

0 引言

国家能源局“十四五”规划已明确规定要大力发展风电、太阳能等可再生能源，实现2030 年非化石能源消费占比达20%的战略目标[1]。可再生能源具有间歇性、不稳定性等特点，高比例接入对电网的安全稳定运行提出了挑战，而柔性直流输电是解决新能源并网问题的最优技术方案[2]。

近年来，国内已有数条柔性直流输电工程投运，包括南澳±160 kV 柔性直流输电示范工程[3]、舟山±200 kV 五端柔性直流工程[4]、张北±500 kV柔性直流示范工程[5]等。随着电压等级的提高，换流站的占地面积也呈比例增长，工程建设过程中一直在探索减少换流站占地面积的课题。一方面是新设备的应用，如紧凑型配电装置GIS（气体绝缘开关设备）的推广，但往往需要数十年相关技术领域的重大突破；另一方面是设备的灵活布置，通过合理规划设备布局及接线，如以空间换平面等，短期内在设计领域更易实现。

国内已有相关文献对柔性直流换流站的平面布置进行了优化，文献[6-7]介绍了换流阀同相上下桥臂相邻布置（AABBCC）和同极桥臂三相相邻布置（ABCABC）的阀厅结构，通过阀塔布置结构的对比分析优化了阀厅占地面积。文献[8]针对星形/星形单相换流变阀侧套管伸入阀厅内的结构，提出换流变压器（以下简称“换流变”）中性点采用气体绝缘管型母线连接，节省了3 只阀侧穿墙套管的投资成本，但对减少换流变占地面积的效果不大。文献[9]对±800 kV 柔性直流换流站的换流变区域进行了整体布置优化，换流变采用阀侧套管伸入阀厅内的结构，阀侧套管接线布置与常规直流相同，通过悬吊绝缘子和支撑绝缘子完成阀侧星形和三角形接线，但对换流变与阀厅脱开的布置方案不具有明显的参考价值。为此，亟须研究超高压柔性直流换流站的平面布置优化，对工程的建设和设计都具有重大意义。

本文针对±350 kV 柔性直流换流站的换流区平面布置，以换流站常规布置方案为对照组，提出了换流变阀侧汇流母线采用高位跨线、启动回路区开关测量设备采用HGIS（混合式气体绝缘组合电器）、桥臂电抗采用二合一油浸式穿墙伸入阀厅内的优化方案，减少了换流区的占地面积，优化比例达26%，可为今后柔性直流换流站的工程设计提供参考。

1 柔性直流换流站

柔性直流换流站按照功能可划分为交流场、换流区、阀厅和直流场。换流区一般位于换流站的中心位置，衔接着网侧交流和阀侧直流。

1.1 换流区主接线

柔性直流换流站的换流区包括换流变、启动回路和桥臂电抗，典型主接线如图1 所示。个别工程还有接地电抗[10-11]，如舟山±200 kV 柔性直流输电工程。

图1 柔性直流换流站换流区主接线

本文研究±350 kV 柔性直流换流站的换流区平面布置，换流变采用星形和三角形接线，网侧接入500 kV 交流大电网，启动电阻设在换流变阀侧，桥臂电抗设在阀塔网侧，单极输送容量为500 MW。

1.2 换流区典型总平面布置

换流区典型总平面如图2 所示，从网侧到阀侧依次是换流变、启动回路和桥臂电抗。换流区宽度与阀厅匹配，一般由一字形排列的换流阀控制，可优化空间不大。长度则由换流变、启动电阻和桥臂电抗的布置决定，可通过合理设计电气设备的摆放位置和搭接方式进行优化。

图2 ±350 kV 柔性直流换流站换流区典型总平面

1.3 换流区空气净距

空气净距是决定电气设备布置的基础，工程上柔性直流换流站空气净距的计算一般采用g 参数法。由于空气净距不是本文的研究重点，暂参考国内某同类工程确定，换流区相对地空气净距取3 m、相间空气净距取4 m。

2 换流区平面布置优化

±350 kV 柔性直流换流站采用换流变与阀厅脱开布置。换流变选用单相双绕组，网侧星形中性点直接接地，阀侧三角形接线。3 台单相变为一组，阀侧套管需要在换流变外通过汇流母线连接成三角形，合理设计电气设备搭接方式、减少换流变区占地面积成为关键。

2.1 换流变区

换流变按照结构可分为三相三绕组、三相双绕组、单相三绕组和单相双绕组。对于容量较小的柔性直流输电工程，可采用三相换流变，在换流变内部实现阀侧绕组星形或三角形联结，变压器制造工艺成熟，每台换流变在阀侧仅3 个出线套管，如南汇和舟山柔性直流输电工程。对于大容量柔性直流输电工程，一般采用单相双绕组换流变，每台换流变阀侧有2 个套管出线，需要在换流变外完成绕组星形或三角形接线。单相三绕组多用于单极12 脉动接线的直流输电工程，换流变阀侧1 组绕组需接成星形，另1 组接成三角形，目前还少有工程应用。

±350 kV 柔性直流工程输送容量较大，换流变采用单相双绕组结构，阀侧套管需通过汇流母线连成三角形。常规接线方案中，阀侧常采用三相支撑式汇流管母平行布置，换流变阀侧套管通过支撑绝缘子跨接至汇流管母，完成三角形接线（见图3）。此方案接线灵活，可适应不同接线组别。但换流变阀侧B/A 相出线需同时对散热片校核3 m、对C 相管母校核4 m，其只能从2 个安全距离校核线的夹缝中穿过，需设置一列额外的支撑式支柱绝缘子助其过渡，增加了换流区的长度。考虑三相平行布置的管母间至少间距5 m，初步布置下来，常规方案换流变区的长度为36.5 m。

图3 换流变区常规断面布置

考虑到常规方案中换流变阀侧出线汇流困难，可考虑将三相支撑式汇流管母改为高位跨线，虽然远处的A/B 相出线同样需要支撑绝缘子过渡，但无须设置额外的过渡支撑绝缘子。此外，三相汇流采用高位跨线后，可不受散热片的空间限制，进一步朝换流变网侧移动，充分利用换流变正上方空间（如图4 所示）。考虑风偏的影响，C 相跨线到构架梁控制在5 m，相邻跨线间距控制在7 m，整个换流变区的长度可优化为33 m。

图4 换流变区优化后断面布置

相较常规三相支撑式管母汇流，本文提出的高位跨线汇流方案在占地长度上减少了3.5 m，支撑绝缘子减少了18 只，同样能满足各种接线组别，且抗震性能更好。

此外，汇流母线还有采用两列式支撑布置，一列布置在地面、一列布置在防火墙上，这种布置方式占地面积小，但接线组别受搭接方式的限制，变压器在生产时需要配合接线组别来确定副边同名端及引出位置，且抗震性能不好。

2.2 启动回路区

启动回路主要包括启动电阻和与之并联的旁路断路器，用以限制换流阀子模块电容器充电过程中的过电流[12-13]。相较于常规直流，启动电阻是柔性直流换流站的独有回路。启动回路区常规布置方案如图5 所示，直线型接线简洁顺畅，但相间空隙较大，空间浪费严重。初步布置下来，常规方案启动电阻区的长度为40.8 m。

图5 启动回路区常规平面布置

为此，可以考虑将启动电阻及旁路开关外的其他设备，包括电压电流测量装置和开关设备等，全部封装进HGIS 里，然后配合启动电阻回路转角布置。HGIS 具有体积小的显著优势，可大大缩减这些敞开式开关测量设备造成的占地浪费。初步布置下来，启动电阻区采用HGIS 设备后的长度为22 m（如图6 所示），较常规方案减少了18.8 m。

图6 启动回路区优化后平面布置

2.3 桥臂电抗区

桥臂电抗也是柔性直流换流站的独有设备，起到抑制换流阀输出电流和电压中开关频率谐波量、抑制系统短路电流上升率和峰值的作用。六桥臂电抗呈一字形排列，考虑接线方便，多采用同相上下桥臂相邻（AABBCC）布置结构。

桥臂电抗区常规平面布置如图7 所示，采用干式空心电抗器和穿墙套管组合的方式。近几年投产的柔性直流输电工程中桥臂电抗也多采用干式空心电抗器，其安装维护简单、无须设置额外的二次保护。但为满足散热要求，其外径尺寸一般较大，且周围MC2（一般MC2 为1.5 倍线圈外径）范围内不得有金属闭合回路，故实际占地面积较大。初步布置下来，常规方案桥臂电抗区的长度为24 m。

图7 桥臂电抗区常规平面布置

相较干式空心电抗器，油浸铁芯式电抗器外形尺寸更小，且制造工艺成熟、运行可靠性更高。考虑采用套管伸入阀厅的布置结构，相较干式空心电抗器和穿墙套管的组合方案，占地面积会更小。此外，考虑到同相上下桥臂电抗网侧进线为同一端，可将相邻同相上下桥臂电抗封装成二合一油浸电抗器。相较于2 台独立油浸电抗器，至少可节省1 只高压套管、1 组高压跨线和1 面防火墙的投资。

图8 分别是向国内某厂家调研的75 mH 干式空心电抗器和二合一油浸铁芯式电抗器的外形图。干式空心电抗器线圈直径为3.4 m，周围1.5倍直径范围内不得有金属闭合回路，等效于本体直径修正为10.2 m。二合一油浸铁芯电抗器本体器身尺寸为6 m×5 m（长×宽），装上散热片和套管后的外廓尺寸为12 m×11 m（长×宽）。

图8 75 mH 干式空心和油浸铁芯电抗外形

桥臂电抗采用二合一油浸铁芯式，阀侧套管直接插入阀厅内布置，网侧进线采用高位跨线，平面布置如图9 所示。油浸铁芯式电抗本体器身宽5 m，考虑一定裕度，运输轨道兼消防环道可按6 m 宽控制。防火墙考虑凸出散热片外沿2 m，可按9.5 m 控制。初步布置下来，采用二合一油浸铁芯式电抗器方案，桥臂电抗区的长度为20 m，较常规干式空心电抗器方案减少了4 m。

图9 桥臂电抗区优化后平面布置

3 换流区优化方案比较分析

在常规布置的基础上，提出了换流变阀侧汇流母线采用高位跨线、启动回路区开关测量设备采用HGIS、桥臂电抗采用二合一油浸式穿墙伸入阀厅内的优化方案，优化后换流区的总平面布置如图10 所示。

图10 优化方案中换流区总平面布置

优化前后换流区的占地面积对比情况如表1所示，通过上述对换流变、启动回路和桥臂电抗的布置优化，相较于常规布置方案（图2），换流变区长度尺寸减少了3.5 m、启动回路区减少了18.8 m、桥臂电抗区减少了4 m。整个换流区的长度减少了26.3 m，每极的占地面积减少了1 315 m2，优化比例达26%。

表1 优化方案与常规方案占地面积对比

换流区的宽度尺寸并未优化，主要受限于阀厅内换流阀塔的布置，若抛开与阀厅的布置匹配单独优化换流区，对工程设计并无参考价值。优化方案中，换流变区的优化比例最小，因为换流变阀侧采用高位跨线汇流，虽然可利用换流变上方空间压缩平面，但高位跨线需考虑风偏影响，相间距比常规支撑管母要大一些，故实际可优化空间不大。相较之下，启动回路区和桥臂电抗区更多从设备本体尺寸入手，通过设备旋转布置和选型上优化占地面积，可优化空间更高。

工程设计中应更多地从设备选型和接线布置上优化，综合考虑经济造价和征地红线，根据工程实际特点，选择最适合的平面布置优化方案。

4 结语

本文研究了超高压柔性直流换流站换流区的平面布置优化方案。从典型±350 kV 柔性直流换流站换流区主接线切入，以换流区常规布置方案为对照组，提出了换流变阀侧汇流母线采用高位跨线、启动回路区开关测量设备采用HGIS、桥臂电抗采用二合一油浸式穿墙伸入阀厅内的优化方案。通过上述布置优化，整个换流区的长度减少了26.3 m，每极占地面积减少了1 315 m2，优化比例达26%，为柔性直流换流站的优化设计和工程建设提供借鉴。