高压直流输电系统多端化改造关键技术探究

菅亮亮　张震

摘  要：高压直流输电系统由于其技术和经济上的特殊优越性，在中国远距离大容量输电系统和大区网络中的使用非常普遍，高压直流输电系统的故障和非正常操作会引起一系列的严重后果，最直接的影响就是对电气设备产生了不可逆的伤害，甚至有可能造成了直流系统单极或双极闭锁事件，因此，研究高压直流输电系统多端化改造关键技术具有重要意义。下面笔者就对此展开探讨。

关键词：高压;直流输电系统;改造;关键技术

1多端直流系统结构与功率传输模式

目前國内外进入工程应用的高压大容量多端直流输电系统均采用并联型拓扑接线。并联型多端直流输电系统的特点是各换流站均在一个基本相同的直流电压下运行，直流电压由其中一个换流站控制，换流站间有功功率的分配和调整主要通过改变换流站的直流电流来实现。已有换流站A和B构成的双端直流输电系统，新建换流站C以及相应直流线路，可以形成三端并联型直流系统，拓扑结构如图1所示。这样换流站A、C之间输送功率时，可以利用原有的A、B直流通道。

2基于直流高速开关的中间站改造

2.1接线与功能

我省A站作为三端直流汇流站，直流出线2回，分别至云南B站和广东C站。为了实现直流系统的第三站在线投退及直流线路故障隔离，提高整个直流系统的可靠性和可用率，A站的直流双极极母线 至肇庆禄劝出线侧均配备装设了500kV直流高速开关（HSS）。

根据实际工程需要，改造后的三端直流存在“云南和贵州向广东送电（ 二送一） ”、“云南向贵州和广东送电（ 一送二） ”运行模式。可见，A站既可以作为送端整流站，也可以作为受端逆变站，由于电流方向不变，要通过控制直流电压的极性来控制功率流向，因此在该站要设置直流极性转换开关。

综上，A站直流场需新增6台500kV直流高速开关和18台500kV直流隔离开关等高压直流电气设备改造后A站直流场电气接线如图2所示。

其中，直流高速开关主要有以下3个方面作用：1） 直流系统运行于三端模式，需要进行检修或站内发生故障等情况下，退出对应端换流站，直流系统转为两端模式;2）直流系统运行于两端模式，需要将已退出的换流站重新投入运行，直流系统转为三端模式;3）发生直流线路永久故障或检修，送端换流站快速移 相 直流线路电流降为零后，通过断开HSS1和HSS3实现直流线路故障隔离。

2.2设备研发

直流高速开关是在直流550kV电压等级直流母线快速开关的基础上进行研制的，填补了国内空白，每台开关为双断口结构，包括灭弧室、均压电容、躯壳均压环支柱、机构、二次控制柜，开关每极配用一台液压碟簧操动机构，每台开关配用一个控制柜。

3场地受限的直流场改造改造

改造前A站直流出线1回，直流场采用典型极对称接线，每极配置2组直流滤波器、直流场采用中型布置，直流滤波器布置在每极极母线与中性母线之间，改造需要新增大量高压直流电气设备，这些设备在前期工程设计中未预留位置，按常规扩建思路需要在围墙外新征用地，但是本站外部没有扩建条件。因此，需重点研究场地受限的直流场改造方案，一方面在满足安全的条件下对新增设备外形尺寸进行优化，另一方面对原有设备配置和布置进行合理调整

结合站址环境条件，为节省布置空间，新增的500kV直流隔离开关采用双柱伸缩式、地刀为伸缩式; 直流高速开关设备长度由8500mm降为8210mm;结合直流极线耦合电容器设备高度由9182mm降为8712mm，均压环外径由3500mm缩小为2600mm;另外，为了给围墙内改建提供有利条件，根据系统研究结果，每极拆除一组靠极线侧直流滤波器，其电容器单元串入保留的直流滤波器组C1电容器塔低压端;接地极监视系统改用基于高频脉冲反射方式的技术方案，不再采用需增加阻断滤波器、注入滤波器、注入变压器等设备的注入电流方式;将直流极性转换开关布置在双极极母线直流高速开关和金属回线之间，极性转换回路采用软导线跨线布置在中性线设备上方基于上述方法和措施，可以最大程度地提高空间利用率，完成围墙内直流场改造的创举。

4三维数字化设计技术应用

当建设项目呈现出复杂化、集成化、庞大化的特点，三维协同设计、仿真虚拟技术的应用将发挥重要作用、本项目的研究主要基于Revit 软件平台可高效地结合三维模型和二维平面，利用共享属性信息实现二维标注的关联，实现了模型平面立面、剖面的信息高效联动，其直观化、形象化、精确化特点，有助于提高设计水平和工作效率。

4.1电气安全净距校验

A换流站直流场设备布置紧凑，存在多处电气安全净距控制敏感点;比如直流极性转换回路切线和另外一极带电体之间需满足11m空气净距要求;由于布置空间受限，极线耦合电容器、融冰隔离开关至周边设施之间空气净距紧张等、采用三维可视化手段对带电设备及导体开展电气安全净距校验，并对相关布置进行调整和优化，提高了设计精度和安全性。

4.2综合碰撞检查

对于复杂的换流站改造项目，对直流场区域地下基础 电缆沟等设备模型进行三维硬碰撞检查，可以最大程度地降低工程建设中可能出现的碰撞隐患，直流场改建最大化利用前期电缆沟和道路设施，采用三维手段校验设备布置，尽量避免新设备及架塔基础开挖过程中对已有电缆沟及道路设施造成损坏 由于三维模型的唯一性、可视化、协同性，实现各专业设计成果的同步更新与完善，避免施工时出现设计变更及返工，缩短项目周期，降低项目建设成本。

结论：

综上，本文提出了一种基于新型直流高速开关设备的中间换流站改造方法。在前期工程无预留位置、站外无扩建条件的约束条件下，通过采取优化设备外形尺寸、配置方案、布置方式等措施，最大程度地提高空间利用率，完成围墙内直流场改造的创举。另外，研究和设计实践证实了在直流系统多端化改造工程中采用三维设计的技术优势。本研究基于国内首个利用原有直流输电通道进行三端改造的直流输电工程，其系统设计与工程实践具有典型意义。

参考文献：

[1]李芳明.高压直流输电系统多端化改造关键技术探究[J].电力设备工程，2019（03）：154-155.

[2]中国南方电网超高压输电公司，华南理工大学电力学院.高压直流输电系统继电保护原理与技术[M].北京：中国电力出版社，2013.

[3]张建成.高压直流输电系统多端化改造技术原理[M].北京：中国电力出版社，2015.