特高压换流站高低端阀厅“L型”布置研究

黄 阳，王建武，鲁 翔，陈向东

(1. 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663；2. 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司，广东 广州 510000)

0 引言

阀厅是换流站的核心，合理的阀厅布置方案可以保障直流系统在对应的外部环境和系统条件下安全可靠运行，并满足安装及维护方便、节省投资等要求。阀厅的布置方案需结合阀厅及换流变区域的总体布置综合考虑。目前已投运的特高压直流换流站，阀厅及换流变区域的布置方案主要有“一字型”和“面对面”布置两种型式，对应的阀厅内部电气工艺布置方案均适应于以上两种布置型式。两种布置型式各有其优缺点。随着换流站的征地难度越来越大，特别是当换流站落点在负荷密集地区时，土地资源极度稀缺，征地范围内的部分场区又处于山丘地带时，站区土石方开挖工程量巨大。为了节省土石方量，同时满足换流站的征地要求，本文对“一字型”布置和“面对面”布置进行了综合比较，同时对阀厅及换流变区域进行优化设计，提出一种新的、紧凑型的“L型”布置方案，目前已成功应用于滇西北至广东±800 kV特高压直流输电工程东方换流站中[1]。

在“L型”布置方案下，同极的高端阀厅和低端阀厅呈“L型”布置，高端阀厅的短边与低端阀厅的长边紧邻布置[2]；控制楼布置在高、低端阀厅的端部，与高、低端阀厅紧邻布置，阀厅与控制楼的接触面变小。该布置方案下，直流侧套管进线的空间和角度受限，如何有效利用低端阀厅有限的长度尺寸进行直流穿墙套管的布置，如何进行巡视走道的布置，以及在直流穿墙套管插入阀厅空间受限的前提下如何调整阀塔的布置方案以满足运行和检修的要求是本文需研究和解决的问题。

1 阀厅及换流变电气接线

换流阀组接线采用成熟的±800 kV阀组接线型式，即采用双极配置，每极2个12脉动换流阀组串联接线，2个12脉动阀组串联电压按(400＋400) kV分配的换流器接线方式。该接线方式在多个直流工程中已有成熟应用，此处不再详述[3-7]。换流变压器推荐采用单相双绕组换流变，换流变压器三相接线组别采用YNy0接线及YNd11接线。接线组别和阀厅内设备的布置方式相关。

2 阀厅“面对面”布置

阀厅“面对面”布置方案示意图如图1所示，每极的高、低端阀厅面对面布置，高端阀厅布置在外侧，两极的低端阀厅“背靠背”布置在内侧。全站8组(24台)换流变压器与阀厅紧靠一字排列布置于高、低端阀厅之间，换流变阀侧套管直接插入阀厅。高、低端阀厅间设置换流变运输和组装场地。

图1 阀厅“面对面”布置方案

靠近两个高端阀厅各设1 间辅控楼，主控楼设置在两个低端阀厅端部。阀外冷设备布置于阀厅周围的空地上。备用换流变根据实际布置于直流场和换流变广场的空地上，区域占地尺寸为298 m×133.5 m。

采用“面对面”布置的优点：高、低端阀厅对换流变噪声的传播有很好的阻挡和吸收作用，有利于换流站围墙位置的噪音控制；辅助设备按阀厅分区布置，单元体系清晰，功能分区明确。换流变组装场地可以考虑同一极的高、低端换流变可同时背靠背安装检修，运行检修比较灵活[8-10]。

但是采用“面对面”布置时，直流穿墙套管从阀厅同侧引出，每个阀厅的低压阀塔远离穿墙套管且阀塔出线与穿墙套管方向平行，阀塔出线需要在阀厅内转90°后再引接到穿墙套管上，阀厅内接线较为复杂。由于与阀厅的长度方向同向，汇流母线跨距加大，距离在110～140 m 之间，构架大小较换流站内其他构架宽度更宽、高度更高，钢材消耗量较大。

3 阀厅“一字型”布置

阀厅“一字型”布置方案示意图如图2所示，每极的高、低端阀厅并排布置。全站8组(24台)换流变压器一字排开布置与阀厅的同一侧。区域占地尺寸为385 m×103.5 m。

图2 阀厅“一字型”布置方案

采用“一字型”布置方案的优点：阀厅对换流变噪声有明显的阻挡作用，直流场噪音小，基本不受换流变的影响。“一字型”布置时，换流变进线构架正对阀厅，换流变引线容易实现。辅助设备按极分区布置，单元体系清晰。直流穿墙套管从阀厅长轴方向出线，与已有的±500 kV 直流工程类似，布置较为成熟，接线相对简单。极1、极2 组装场地相通，备用变更换时运输距离较短，并且高、低端备用换流变的布置方向均与工作变同向，在更换时可做到不旋转，快速便利[8-10]。

但是采用“一字型”布置时，增大了直流场和阀厅横向尺寸，且24 台换流变一字排开面向交流场，其噪声向交流场及其两侧传播，噪声覆盖范围广，影响较“面对面”布置大。另外，由于换流区域仅考虑一台换流变安装后后部过车的空间，换流变进线跨距小、角度大，不方便交流侧进线。

4 阀厅“L型”布置

阀厅采用“面对面”布置时，阀厅、换流变区域和直流场的横向尺寸较小，有利于直流场布置。极1、极2 组装场地完全独立，换流变组装场地可以考虑同一极的高、低端换流变可同时背靠背安装检修，运行检修比较灵活。

相比于阀厅“面对面”方案，阀厅“一字型”布置的特点在于换流变检修更换更为便利且引线更为顺畅，换流变区域占地面积相对更小。然而，由于“一字型”方案的4个阀厅为并排布置，横向尺寸会非常大，间接增加了直流场布置的难度和占地面积。

通过对目前换流场两种阀厅布置形式进行分析，可以看出“面对面”和“一字型”各有优缺点。本文结合上述两种布置方案的优点，同时对方案的缺点部分进行优化设计，提出了一种新型的阀厅布置方式，即“L型”布置。

阀厅“L型”布置方案如图3所示，每极的高端阀厅和低端阀厅呈“L型”布置，两个“L型”水平镜像布置。其中，两个高端阀厅“一字型”布置，两个低端阀厅“面对面”布置。每个阀厅对应的两组(6台)换流变与阀厅紧靠一字排列，换流变阀侧套管直接插入阀厅。分别在高、低端阀厅前设置换流变运输和组装场地；低端换流变利用“面对面”的运输和组装场地，通过架设高跨导线实现2组不同接线型式的换流变的汇流。

图3 阀厅“L型”布置方案

相较于阀厅“面对面”和“一字型”布置方案，高、低端阀厅“L型”布置具有以下特点：

1)“L型”布置的阀厅、换流变区域和直流场的横向(东西方向)尺寸较高、低端阀厅“面对面”布置时更小，节省占地面积达16%以上。

2)减少了一个辅助控制楼建筑物，阀厅相对集中，方便运行和巡视。

3)低端阀厅“面对面”布置、高端阀厅和交流500 kV户内气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated metal-enclosed switchgear, GIS)室面对面布置，能够有效阻挡换流变的噪声传播。

4)直流穿墙套管均从阀厅长边引出，每个阀厅的阀塔靠近对应的穿墙套管，阀塔出线不需要在阀厅内转90°后再引接到穿墙套管上，阀厅内接线相对简单。

5)2个低端阀厅“面对面”布置，能够实现低端换流变共轨，简化换流变广场轨道设计。

6)优化轨道设计方案，高端换流变广场采用单轨设计，轨道总长度约2 500 m。

7)高、低端换流变区域相对独立，可同时进行安装检修和备用相更换，互不干扰，运行方式更加灵活。

阀厅、换流变区域采用“L型”布置后，较阀厅采用常规的“面对面”布置方案缩短了直流场同极高低端旁路回路的连接长度，两极共节省了8支400 kV直流支柱绝缘子。

5 方案比较

阀厅“L型”方案兼顾了“面对面”和“一字型”布置的优点。两个高端阀厅可看作是“一字型”布置，而两个低端阀厅则可认为是“面对面”布置。“L型”布置不仅保证了高、低端换流变有各自的组装广场，更进一步优化了换流变区域和直流场的尺寸。三个方案的各配电装置的占地指标分别见表1所列，阀厅“L型”布置方案占地优势明显。

表1 三个方案占地面积比较m2

6 “L型”布置阀厅的电气设计

阀厅的布置方案需与换流变压器的布置综合考虑，阀厅尺寸主要取决于设备外形、空气净距要求、设备间连线以及运行检修空间等。特高压直流换流站每极分高端和低端2个阀厅，每极的高端阀厅和低端阀厅呈“L型”布置，两个“L型”水平镜像布置。其中，两个高端阀厅“一字型”布置，两个低端阀厅“面对面”布置；800 kV/600 kV阀塔布置于高端阀厅内，400 kV/200 kV阀塔布置于低端阀厅内。阀塔布置采用悬吊式、二重阀布置，每个阀厅内悬吊六个二重阀。换流变压器采用单相双绕组型式，在布置上与阀厅紧挨，阀侧套管插入阀厅，在阀厅内部完成“Y”星形连接(以下简称“星接”)、“△”三角形连接(以下简称“角接”)。

6.1 总体布置方案介绍

换流站包含高端H/Y换流变、高端H/D换流变，低端L/Y换流变和低端L/D换流变四种类型。“L型”布置时，阀厅直流穿墙套管均垂直阀厅长度方向进入，每个阀厅的阀塔靠近对应的穿墙套管，阀塔出线不需要像阀厅“面对面”布置那样在阀厅内转90°后再引接到穿墙套管上，阀厅内接线相对简单。在上脉动阀塔中点用管母线接至Y/Y(星接的换流变，高端阀厅H/Y，低端阀厅L/Y)换流变的上套管，三个下套管通过支柱绝缘子和管母线连接，从而实现星接。Y/D(角接的换流变，高端阀厅H/D，低端阀厅L/D)换流变的上套管通过管母线直接连接到下六脉动阀塔的中点。下套管通过支柱绝缘子/悬吊绝缘子和管母线连接，实现角接。

6.2 阀塔布置

换流阀布置在阀厅中部，阀塔的间距与换流变防火墙的间距相适应，低端阀厅的阀塔间距还需考虑低端换流变广场共轨布置的需求。除此以外，换流阀塔之间的距离还需考虑换流变的进线角度、阀塔之间的空气净距要求和直流套管接入的具体位置[11]等。高端HY(高端阀厅中的YY换流变)和HD(高端阀厅中的YD换流变)换流变阀侧套管直接插入阀厅，在阀厅内部完成对应的星接和角接。

6.3 直流穿墙套管布置

直流穿墙套管均布置在阀厅靠近直流场侧，穿墙套管从阀厅的长度方向插入，高压穿墙套管水平倾斜10°安装。800 kV极线及400 kV直流母线均采用地面支撑布置方案。中性线母线采用侧墙绝缘子安装方案。

6.4 换流变套管布置

换流变套管的布置包括星接和角接两种。星接的换流变阀侧套管星形侧采用悬吊绝缘子金具，通过硬管母连接至阀塔，换流变的中性点侧采用硬管母连接，通过支撑绝缘子金具短接。角接换流变阀侧套管相间通过管母从套管端部直接相连。换流变阀侧套管端部与阀塔的连接采用垂直安装的管型母线，通过悬吊绝缘子金具，从该绝缘子端部连接对应阀塔。

6.5 避雷器与接地开关布置

高端阀厅装设直流A2避雷器采用为悬吊安装方式， C2避雷器布置在800 kV极线母线和400 kV母线之间，采用绝缘子支撑式布置方案，C2避雷器接至800 kV母线的金具与阀塔采用集成设计。接地开关均采用侧墙布置方案。

低端阀厅直流M避雷器采用悬吊安装方式，通过管母连接金具与阀塔200 kV母线连接。C1避雷器布置于400 kV母线下方，采用落地支撑式布置方案。星接LY换流变的接地开关和中性线接地开关采用侧墙布置方案，角接LD换流变的接地开关和400 kV母线接地开关采用立地布置方案。

6.6 巡视走道布置

巡视走道从控制楼侧进入阀厅，采用C型环绕布置方案，巡视视野开阔，可巡视整个阀厅。

6.7 阀厅尺寸优化

换流阀长轴方向尺寸主要由换流变套管、阀塔的相间距、对墙的距离及极线进线设备布置决定，换流阀短轴尺寸主要是由阀塔尺寸、换流变的套管长度、直流穿墙套管长度及对墙的电气距离确定。根据以上布置原则进行优化，高端阀厅的尺寸为长×宽×挂点高：77.8 m×32.6 m×27 m；低端阀厅的尺寸为长×宽×挂点高：60.5 m×21.3 m×17 m。优化后的阀厅平面布置如图4和图5所示。本文通过阀厅内部的电气工艺布置优化，本文在不突破原有阀厅尺寸的前提下，实现了阀厅及换流变区域的“L型”紧凑布置以及换流变的共轨布置方案，与国内主流技术方案(“一字型”/“面对面”)相比，节省整个换流站的占地面积12%～22%，可为以后的工程施工提供参考和借鉴。

图4 高端阀厅平面布置方案

图5 低端阀厅平面布置方案

7 结论

本文通过对阀厅和换流变区域“一字型”布置、“面对面”布置方案进行分析，提出了创新型的高低端阀厅组合“L型”布置。 “L型”布置较“一字型”和“面对面”布置占地面积更小，土石方量更小，噪声控制效果更好。

除此以外，本文还提出了一种适应于“L型”布置型式的新型阀厅电气布置方案，该布置方案具有具有以下优点：

1)在不增加阀厅尺寸的前提下，对阀厅布置方案进行电气工艺的优化设计，工艺流程顺畅；

2)优化直流侧穿墙套管布置方式。阀厅直流穿墙套管均垂直阀厅长度方向进入，每个阀厅的阀塔靠近对应的穿墙套管，阀塔出线不需在阀厅内转90°(阀厅“面对面”布置需转向)后再引接到穿墙套管上，简化了阀厅内接线；

3)优化高端阀厅内的C2避雷器接线方式。为了方便C2避雷器接线，400 kV穿墙套管布置在800 kV和600 kV阀塔间，C2避雷器接至800 kV母线的金具与阀塔采用集成设计；

4)优化阀厅巡视通道的布置，低端阀厅的巡视通道从阀厅的宽度方向进入，高端阀厅的巡视通道从阀厅的长度方向进入，巡视通道呈C形环绕布置，巡视视野开阔，可巡视整个阀厅；

5)优化阀塔布置，拉大800 kV套管两侧阀塔的间距，方便后期阀塔的维护和检修。

本文论述的方案中，换流阀外冷却方式采用水冷，采用其他冷却方式时方案同样适用。