王斌

(中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院有限公司,北京 100032)

1 特高壓閥廳設(shè)計原則

八百千伏直流輸電工程采用雙極線方式,每條極線上串聯(lián)著兩個十二脈動閥組,而每一個十二脈動閥組都需要設(shè)置一個閥廳,因此,在八百千伏特高壓直流輸電工程中,每一個換流站都要設(shè)置四個閥廳。

在普通的直流輸電工程的換流站中,閥廳很少會出現(xiàn)故障,即使出現(xiàn)故障也可以在短時間內(nèi)進行修復(fù)并重新投入到直流輸電工作當(dāng)中去。而在特高壓直流輸電工程的換流站中,閥廳一旦出現(xiàn)故障如果不能將其退出運行將無法修復(fù),由于電壓過高,盲目對其進行修復(fù)很可能對維修人員的生命造成極大地威脅。因此,在超高壓閥廳設(shè)計中,我們在每一個十二脈動閥組后面都增設(shè)一個旁路開關(guān)。同時控制系統(tǒng)、保護系統(tǒng)等輔助運行系統(tǒng)都與主系統(tǒng)完全獨立,在這種設(shè)計下當(dāng)某個十二脈動閥組出現(xiàn)故障時,我們可以將整個閥廳通過保護系統(tǒng)退出運行,而其他幾個閥廳并不受其影響,仍可以繼續(xù)正常工作。大大提高了特高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,同時保證了維修人員的生命安全。

對于閥廳布置的設(shè)計,根據(jù)主設(shè)備的不同我們可以根據(jù)自身情況選擇二重閥閥廳或者四重閥閥廳。二重閥閥廳的占地面積大,但其安全性和可靠性明顯優(yōu)于四重閥閥廳。優(yōu)于閥廳內(nèi)部空間充足,可以很容易滿足各設(shè)備之間安全距離的需求。在我國西部地區(qū),一直在進行著西電東輸項目,在陜西、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等地由于其煤礦資源豐富都建有大量火力發(fā)電廠,這些火力發(fā)電廠所生產(chǎn)的電能大多都是通過特高壓直流輸電工程傳輸?shù)綎|部發(fā)達(dá)地區(qū)。對于我國這些西部地區(qū),出了豐富的煤礦資源以外還有著大量充足的土地資源,對于這些地區(qū)的特高壓閥廳的設(shè)計,建議全部采用二重閥閥組,保證西電東輸項目的安全可靠。而四重閥閥廳的優(yōu)點在于其占地面積小,但是滿足閥廳內(nèi)各設(shè)備的安全電氣凈距離相對二重閥閥廳較為困難。但這并不意味著四重閥閥廳的安全性和可靠性不高,相反,四重閥閥廳為滿足其安全電氣凈距離將會采用更為先進的技術(shù),其安全性絕對滿足生產(chǎn)需求。只是其結(jié)構(gòu)設(shè)計相對復(fù)雜,在建設(shè)期間將要投入更多的人力成本和財力成本。但對于東部寸土寸金的發(fā)達(dá)地區(qū),采用四重閥閥廳的設(shè)計方案是必需的。各直流換流站根據(jù)自身的經(jīng)濟條件,以安全可靠為原則,選擇符合自己的特高壓閥廳設(shè)計方案。

2 閥廳電氣安全凈距計算研究

電氣安全凈距離需要考慮到基本沖擊絕緣水平距離和操作沖擊絕緣水平距離,其中基本沖擊絕緣水平距離是由雷電沖擊電壓決定的,而操作沖擊絕緣水平距離是由操作沖擊電壓決定的。在通常的情況下,由于閥廳內(nèi)的避雷設(shè)施都較為完善,所以閥廳電氣安全凈距離主要是由操作沖擊電壓帶來的操作沖擊絕緣水平距離決定的。

對于閥廳電氣安全最小凈距離的計算,我們統(tǒng)一采用I E C標(biāo)準(zhǔn)公式。氣壓、溫度、濕度是影響閥廳電氣安全凈距離的三大要素。而海拔是影響氣壓的主要因素,因此,我們在對閥廳電氣安全距離進行計算的時候,要將特高壓換流站所處地區(qū)的海拔精確帶入到公式中去,以得出精確的結(jié)果,從而保證根據(jù)計算結(jié)果進行設(shè)計的閥廳布置方案的安全性和可靠性。

通過對某海拔五百五十米八百千伏特高壓直流換流站閥廳最小電氣安全凈距離的計算,我們得到以下結(jié)果：直流高壓極母線、閥側(cè)對地最小電氣凈距取值為75 50m m;單閥兩側(cè)最小電氣凈距取值為12 00mm;高端Yy換流變閥側(cè)相對地最小電氣凈距取值為75 50mm;高端Yy換流變閥側(cè)相間最小電氣凈距取值為18 00mm;高端Yy換流變閥側(cè)相對中性點最小電氣凈距取值為650mm;高端Yy換流變閥側(cè)中性點對地最小電氣凈距取值為果直 00 m m;高端十二脈動閥橋的六脈動終點最小電氣凈距取值為閥兩最小 m m;高端Yx換流變閥側(cè)對地最小電氣凈距取值為5500mm;高端Yx換流變閥側(cè)相間最小電氣凈距取值為1800 m m;兩個十二脈動橋的中點至高壓極母線最小電氣凈距取值為3400 m m;兩個十二脈動橋的中點至低壓極母線最小電氣凈距取值為3400mm。

以上數(shù)據(jù)可作為海拔五百五十米特高壓直流換流站閥廳最小電氣安全凈距離的參考,但不同換流站還需根據(jù)自己的實際情況進行閥廳設(shè)計,在保證閥廳安全可靠的同時,還需要考慮到閥廳設(shè)備安裝的經(jīng)濟性。

3 閥廳布置研究

3.1 換流閥結(jié)構(gòu)外形

晶閘管是換流閥的主要原件,普通的直流換流站所采用的換流閥一般所用得晶閘管都是13公分,而對于超高壓直流換流站,我們的換流閥將要在更高的電壓環(huán)境下工作,輸送容量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通直流換流站所以得換流閥。因此,對于超高壓直流換流站我們需要性能更強的晶閘管作為支撐。據(jù)悉,目前西門子公司已經(jīng)成功研發(fā)出了15.5公分的晶閘管,由此晶閘管為主要原件的換流閥也將于今年年底進行生產(chǎn)。因此,我們在進行閥廳設(shè)計的時候可以考慮將這種新型的換流閥納入設(shè)計方案。

3.2 閥廳尺寸要求

八百千伏特高壓直流換流站中主要有閥塔、避雷設(shè)施、地刀、直流電流互感器、直流電壓分壓器、管母、支持絕緣子及懸垂絕緣子等設(shè)備。閥廳的尺寸主要取決于閥廳內(nèi)設(shè)備的布置,包括各設(shè)備連接方式、閥廳采用二重閥閥廳還是四重閥閥廳以及個各設(shè)備之間的電氣安全距離。

其中,閥廳的高度取決與設(shè)備外形尺寸及其連接方式,以及預(yù)留的維護通道。而閥廳的高度主要取決于閥塔的形式為二重閥還是四重閥。根據(jù)上文給出的五百五十米八百千伏特高壓直流換流站閥廳最小電氣安全凈距離的計算結(jié)果,給出的集中不同設(shè)計方案下的閥廳尺寸如下：

采用二重閥閥塔的高端閥廳的尺寸為77x30x23.5/m,占地面積為2160平方米;采用四重閥閥塔的高端閥廳的尺寸為46.3x31.8x23.6/m,占地面積為1473平方米;采用二重閥閥塔的低端閥廳的尺寸為59x22.5x15.5/m,占地面積為1220平方米;采用四重閥閥塔的低端閥廳的尺寸為35.4x26.6x16.6/m,占地面積為942平方米。

根據(jù)不同的連接方式,海拔五百五十米八百千伏特高壓直流換流站閥廳共有四種尺寸方案以供參考,各換流站可以根據(jù)自身的經(jīng)濟實力進行選擇。而采用四重閥的閥廳,需要對廳內(nèi)各設(shè)備的安全距離最更精準(zhǔn)的計算,由于空間限制,對閥廳內(nèi)各設(shè)備的維護可能會出現(xiàn)不便捷等困難,但是其經(jīng)濟性相對二重閥閥廳較高,不僅造價較低,在日常的運行維護中對閥廳供暖、監(jiān)測閥廳內(nèi)部溫濕度等指標(biāo)的成本均低于二重閥閥廳。此外,以上數(shù)據(jù)針對海拔五百五十米八百千伏的特高壓直流換流站計算,對其他海拔或非特高壓的直流換流站閥廳設(shè)計并無太大參考意義。設(shè)計人員在進行閥廳設(shè)計時需重新計算。

4 結(jié)語

綜上所述,采用二重閥還是四重閥對閥廳的布置設(shè)計具有最直觀的影響,上文有所提及,采用二重閥的閥廳,可以很容易的保證閥廳內(nèi)各設(shè)備間的電氣安全距離,換流站在運行的時候可以很好的保證換流站的安全性和可靠性。此外,還可以預(yù)留較為廣闊的運行維護空間,當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時進入閥廳維修維護十分便捷。

[1] 楊俊超,何山,楊國華,程靜,王維慶,余金.±800kV特高壓直流換流站閥廳金具的電氣設(shè)計特點[J].高壓電器,2016,52(11)：47-50.

[2] 楊媛,杜曉磊,付穎,樂波,陳東,祝全樂.特高壓直流工程受端分層接入交流電網(wǎng)方式下閥廳概念設(shè)計[J].高電壓技術(shù),2016,42(07)：2224-2234.

[3] 杜志葉,朱琳,阮江軍,金碩,胡龍飛,常林晶.基于瞬時電位加載法的±800kV特高壓閥廳金具表面電場求解[J].高電壓技術(shù),2014,40(06)：1809-1815.

[4] 丁永福,王祖力,張燕秉,徐光輝,韓國輝,孔玉輝,劉建權(quán).±800kV特高壓直流換流站閥廳金具的結(jié)構(gòu)特點[J].高壓電器,2013,49(09)：13-18.