张北工程柔直阀厅布置方案探讨

■ 福建永福电力设计股份有限公司 彭花娜

国家电网有限公司 周杨

国网北京经济技术研究院有限公司 于洋

引言

阀厅区域作为换流站的核心区域，其布置需结合工程特点、电气主接线方案、检修运维便利等方面进行综合考虑。张北柔性直流电网[1]工程首次采用“半桥MMC[2]+直流断路器”的技术方案，为节约造价，阀塔、直流断路器采用同阀厅布置。阀塔与直流断路器、直流断路器之间均存在不同时停电工况，阀厅进人检修时存在阀厅部分停电、部分带电区域。本文对阀厅电气布置方案[3]进行深入分析探讨，以期为同类工程提供借鉴和参考。

工程概况

张北工程为汇集和输送大规模风电、光伏、储能、抽蓄等多种形态能源的多端柔性直流电网，一期为四端，远景为七端。一期采用“手拉手”环形接线方式，系统电压±500kV，包括张北、康保两个送端换流站（接入风电、光伏等新能源），输送容量分别为3000MW、1500MW。北京一个受端换流站，输送容量为3000MW；丰宁一个调节换流站，输送容量为1500MW。张北工程示意图如图1所示。

图1 张北工程示意图

阀厅电气布置方案

阀厅区域作为换流站的核心区域，柔直阀厅布置[4]需要结合工程特点、电气主接线方案、检修运维便利等方面进行综合考虑。

工程特殊要求

同阀厅布置要求：张北工程为具有网络特性的柔性电网，具备故障穿越能力，故障穿越过程中要求直流功率传输不能中断，因此，设备采用“半桥MMC+直流断路器”的技术方案。当阀塔、直流断路器分为阀厅/直流断路器厅布置时，极线、中性线需设置直流穿墙套管连接，双极增加2支极线、2支中性线套管，设备造价约增加1000万元；设置不同厅，建筑纵向尺寸需相应增加6m，建筑面积增加约1020m2，建筑物门、风淋间通道需分开设置，按该工程阀厅土建综合单价7300元/m2，预估土建费用增加约750万元。

基于以上考虑，张北工程阀塔、直流断路器采用同阀厅布置，考虑在阀塔区域、直流断路器区域中间设置不封闭的山墙，使二者可共用建筑物进、出口以及阀厅通道等设施，同时避免增设两厅连接的极线、中性线套管。

阀厅进人要求：该工程运行工况多种多样，比较典型的运行方式有双极运行/单极运行/STATCOM运行方式，张北、康保站正常方式孤岛运行，具备故障时与交流电网并列运行的条件；北京站、丰宁站分别接入当地交流电网，具备孤岛运行的条件以及其他组合的运行方式。阀塔与直流断路器、直流断路器之间均存在不同时停电工况，检修时存在阀厅部分停电、部分带电区域，需要重点考虑阀厅进人需求。

换流变脱开阀厅布置要求：该工程换流变采用单相、自耦、三绕组、油浸、风冷电力变压器，交流启动回路（含启动电阻、隔离开关、启动电阻回路断路器、电流测量装置等设施）设置于换流变阀侧，同时设置有阀侧断路器，均采用敞开布置，因此换流变与阀厅为脱开布置。双极分别对应两组换流变，换流变采用一字形布置，通过桥臂电抗器与阀厅内基本单元连接。

一厅对一楼设置要求：该工程双极接线，共设置2座阀厅。通过比较，采用两厅对一楼方案时，控制楼端部受阀外冷设施布置影响，运维条件较差，噪声控制不理想，且中性线设备、金属回线设备较难布置。为此，该工程采用一厅对一楼布置方式，以创造较好的运维条件。

电气主接线

张北工程采用“半桥MMC+直流断路器”方案，由直流断路器在线隔离换流阀及直流线路故障，实现直流系统故障自清除。

电气主接线采用对称真双极接线，分两极，每1极由上下桥臂各1个MMC换流器组成，1极发生故障后，非故障相可进行功率转带。考虑到直流断路器关断能力，同时为减少设备投资，直流部分采用简化单母线接线，每站本期装设2台直流母线快速开关和4台直流断路器。张北工程主接线示意图如图2所示。以康保换工程极1阀厅（KB.P1）为例，阀厅部分电气主接线图如图3所示。

图2 张北工程主接线示意图

图3 阀厅部分电气主接线图

阀厅净距取值

阀厅电气安全净距[5]基于本工程过电压及绝缘配合研究成果，考虑到雷电冲击电压（BIL）和操作冲击电压(SIL)，通常由SIL决定。根据IEC标准对气象条件（海拔、温度、湿度）等进行修正。

张北工程张北、康保换海拔按1400m修正，北京、丰宁海拔均小于1000m，不修正。IEC60060-1标准中的g参数法适用于海拔2000m及以下的海拔修正,因此可适用于张北工程。

其中，U50为临界冲击闪络电压水平；

L为最小空气放电距离，δ为相对空气密度；

k为由绝对湿度与相对空气密度共同确定的一个修正系数。

阀厅内环境：张北工程阀厅条件根据下述气象条件组合进行空气净距的计算：

（1）40℃空气温度、25%的相对湿度；

（2）50℃空气温度、10%的相对湿度；

按GB/T 16927.1-2011中4.3.2-4.3.5的g参数法进行大气修正。

按DL/T 5426-2009中6.9.7.2计算最小空气间隙，普通工况取2σ，有人检修状态取5σ，雷电冲击σ=3%，操作冲击σ=6%，通过软件进行阀厅净距迭代计算，柔性直流阀厅内绝缘水平及空气净距取值如表1所示。

表1 阀厅内空气净距表

阀厅尺寸确定

为节约造价，该工程的阀塔、直流断路器采用同阀厅布置。阀塔与直流断路器、直流断路器之间均存在不同时停电工况。阀厅进人检修时，存在阀厅部分停电、部分带电区域。设计考虑在阀塔区域、直流断路器区域之间设置山墙，同时将直流断路器按单元设置，直流断路器之间设置隔墙。阀厅尺寸布置按照两区域的控制尺寸确定。

阀塔区域尺寸：结合该工程阀组接线和换流变压器选型，采用2个半桥式模块化多电平换流器（MMC）的基本单元串联而成，每个基本单元安装在一个阀厅内，全站共设置2座阀厅，采用紧邻布置，主控楼和辅控楼分列阀厅两侧。

每座阀厅内设置2个基本单元连接，每个基本单元有三相，每相上下两个桥臂，每个阀厅共6个桥臂并列布置，分成6排布置，张北工程除康保换采用ABB设备，每个桥臂由4个阀塔串联组成、单套换流阀共计24座阀塔外，其余站均采用国产设备，每个桥臂由2个阀塔串联组成，单套换流阀共计12座阀塔。

阀塔采用“CCBBAA”排列方式（由北至南），单个桥臂阀塔总尺寸按限定长×宽×高为25m×6m×13m，同桥臂阀塔之间的尺寸由设备厂家明确。上下桥臂分别由极线母线、中性母线连接。

根据前文计算，阀厅内桥臂间布置距离不小于5m，考虑到一定裕度同时综合换流区域启动回路设备布置，按阀厅桥臂间中心线布置尺寸为12m取值。同时考虑阀厅采用“钢排架柱+钢网架”结构体系，阀厅钢柱尺寸为1.2m×0.6m，靠近控制楼轴线需扣除暖通送回风管布置空间（按2m取值），边相布置尺寸按8m、7m取值，则仅考虑阀塔布置时，阀厅横向尺寸至少为12×5+8+7=75m。

500kV极母线采用落地布置，中性母线采用悬吊布置，延伸至阀厅下部后转为支撑式，便于安装中性线设备。中性母线及中性母线设备沿阀厅侧墙布置直至中性线穿墙套管。

阀塔边距阀厅轴线、山墙轴线分别取值9m、13m，阀塔区域纵向尺寸为9+25+13=47m。

直流断路器布置尺寸：直流断路器按单元设置，当不设置隔墙时，直流断路器之间的距离主要考虑不同时停电检修时的距离，按5倍标偏进行阀厅净距计算为7.81m，取值8m。检修车及人的活动区域范围按5m考虑，两台直流断路器之间的净距应不小于13m。单台直流断路器按限定长×宽×高为18m×9m×15.5m，则两台并列布置的直流断路器之间中性线中心距离应为22m。

当设置隔墙时，直流断路器之间的距离为单台直流断路器宽度+直流极线相对地净距取值5m×2+隔墙厚度0.5m=19.5m，取值20m，边相考虑暖通设施布置空间，取值按21m，比不设置隔墙可有效减少阀厅横向布置尺寸6m。经与运行单位充分沟通，增加隔墙使得带电运行的其他断路器完全被隔墙隔断，从而确保检修人员人身安全。

直流启动电阻区域设备（WP-Q13、IDR、T1）仅在直流启动方式下带电，正常时不带电；直流母线快速开关回路（WP-Q1、WP-Q11/Q12水平伸缩双接地）与中性母线为同停，因此二者之间不考虑设置隔离设施，该区域布置横向尺寸为24m。

按直流断路器区域，阀厅横向尺寸为24+20×2+21=85m。

极线汇流母线采用悬吊布置，下方布置L1(2、3)-Q14垂直伸缩不接地，离阀厅轴线8.0m，直流断路器边距极线汇流母线12.5m，此区域用于布置L1(2、3)-Q11水平伸缩单接地、L1(2、3)-Q12水平伸缩双接地。阀厅通道设置净尺寸不小于5m，直流断路器边距山墙10.5m。

按直流断路器区域，阀厅纵向尺寸为8+12.5+18+10.5=49m。

阀厅尺寸取值：阀塔、直流断路器高度限制高度分别为13m、15.5m，考虑直流断路器安装转接构件0.5m裕度，阀厅高度至少为15.5+0.5+5=21m，取值22m。

阀塔、直流断路器区域布置横向尺寸布置分别为75m、85m，阀厅横向尺寸布置取值85m。

阀塔、直流断路器区域布置纵向尺寸布置分别为47m、49m，阀厅纵向尺寸布置取值47+49=96m。

综合以上分析，张北工程单座阀厅长×宽×高取值为85m×96m×22m。

阀厅布置图

综上所述，张北工程两座阀厅电气布置简图见图3。张北工程单座阀厅电气布置详图见图4。

图3 张北工程两座阀厅布置简图

图4 张北工程单座阀厅布置详图

结论

本文通过对张北工程阀厅电气布置方案进行深入分析探讨，得出以下结论：

张北工程首次采用“半桥MMC+直流断路器”的技术方案，阀厅阀塔、直流断路器采用同阀厅布置，比分别设置阀厅、直流断路器厅方案，节省造价约1750万元。

张北工程阀塔与直流断路器、直流断路器之间均存在不同时停电工况，通过设置山墙、阀厅通道隔墙、直流断路器隔墙，使二者在不同时停电检修时，实现最小停电区域单元分隔，检修时可满足阀厅进人条件。

通过分析，张北工程单座阀厅长×宽×高取值为85m×96m×22m，兼顾布置合理、运维方便，同时具有较好的经济性。