■ 福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司 彭花娜

國(guó)家電網(wǎng)有限公司 周楊

國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司 于洋

引言

閥廳區(qū)域作為換流站的核心區(qū)域，其布置需結(jié)合工程特點(diǎn)、電氣主接線方案、檢修運(yùn)維便利等方面進(jìn)行綜合考慮。張北柔性直流電網(wǎng)[1]工程首次采用“半橋MMC[2]+直流斷路器”的技術(shù)方案，為節(jié)約造價(jià)，閥塔、直流斷路器采用同閥廳布置。閥塔與直流斷路器、直流斷路器之間均存在不同時(shí)停電工況，閥廳進(jìn)人檢修時(shí)存在閥廳部分停電、部分帶電區(qū)域。本文對(duì)閥廳電氣布置方案[3]進(jìn)行深入分析探討，以期為同類(lèi)工程提供借鑒和參考。

工程概況

張北工程為匯集和輸送大規(guī)模風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能、抽蓄等多種形態(tài)能源的多端柔性直流電網(wǎng)，一期為四端，遠(yuǎn)景為七端。一期采用“手拉手”環(huán)形接線方式，系統(tǒng)電壓±500kV，包括張北、康保兩個(gè)送端換流站（接入風(fēng)電、光伏等新能源），輸送容量分別為3000MW、1500MW。北京一個(gè)受端換流站，輸送容量為3000MW；豐寧一個(gè)調(diào)節(jié)換流站，輸送容量為1500MW。張北工程示意圖如圖1所示。

圖1 張北工程示意圖

閥廳電氣布置方案

閥廳區(qū)域作為換流站的核心區(qū)域，柔直閥廳布置[4]需要結(jié)合工程特點(diǎn)、電氣主接線方案、檢修運(yùn)維便利等方面進(jìn)行綜合考慮。

工程特殊要求

同閥廳布置要求：張北工程為具有網(wǎng)絡(luò)特性的柔性電網(wǎng)，具備故障穿越能力，故障穿越過(guò)程中要求直流功率傳輸不能中斷，因此，設(shè)備采用“半橋MMC+直流斷路器”的技術(shù)方案。當(dāng)閥塔、直流斷路器分為閥廳/直流斷路器廳布置時(shí)，極線、中性線需設(shè)置直流穿墻套管連接，雙極增加2支極線、2支中性線套管，設(shè)備造價(jià)約增加1000萬(wàn)元；設(shè)置不同廳，建筑縱向尺寸需相應(yīng)增加6m，建筑面積增加約1020m2，建筑物門(mén)、風(fēng)淋間通道需分開(kāi)設(shè)置，按該工程閥廳土建綜合單價(jià)7300元/m2，預(yù)估土建費(fèi)用增加約750萬(wàn)元。

基于以上考慮，張北工程閥塔、直流斷路器采用同閥廳布置，考慮在閥塔區(qū)域、直流斷路器區(qū)域中間設(shè)置不封閉的山墻，使二者可共用建筑物進(jìn)、出口以及閥廳通道等設(shè)施，同時(shí)避免增設(shè)兩廳連接的極線、中性線套管。

閥廳進(jìn)人要求：該工程運(yùn)行工況多種多樣，比較典型的運(yùn)行方式有雙極運(yùn)行/單極運(yùn)行/STATCOM運(yùn)行方式，張北、康保站正常方式孤島運(yùn)行，具備故障時(shí)與交流電網(wǎng)并列運(yùn)行的條件；北京站、豐寧站分別接入當(dāng)?shù)亟涣麟娋W(wǎng)，具備孤島運(yùn)行的條件以及其他組合的運(yùn)行方式。閥塔與直流斷路器、直流斷路器之間均存在不同時(shí)停電工況，檢修時(shí)存在閥廳部分停電、部分帶電區(qū)域，需要重點(diǎn)考慮閥廳進(jìn)人需求。

換流變脫開(kāi)閥廳布置要求：該工程換流變采用單相、自耦、三繞組、油浸、風(fēng)冷電力變壓器，交流啟動(dòng)回路（含啟動(dòng)電阻、隔離開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)電阻回路斷路器、電流測(cè)量裝置等設(shè)施）設(shè)置于換流變閥側(cè)，同時(shí)設(shè)置有閥側(cè)斷路器，均采用敞開(kāi)布置，因此換流變與閥廳為脫開(kāi)布置。雙極分別對(duì)應(yīng)兩組換流變，換流變采用一字形布置，通過(guò)橋臂電抗器與閥廳內(nèi)基本單元連接。

一廳對(duì)一樓設(shè)置要求：該工程雙極接線，共設(shè)置2座閥廳。通過(guò)比較，采用兩廳對(duì)一樓方案時(shí)，控制樓端部受閥外冷設(shè)施布置影響，運(yùn)維條件較差，噪聲控制不理想，且中性線設(shè)備、金屬回線設(shè)備較難布置。為此，該工程采用一廳對(duì)一樓布置方式，以創(chuàng)造較好的運(yùn)維條件。

電氣主接線

張北工程采用“半橋MMC+直流斷路器”方案，由直流斷路器在線隔離換流閥及直流線路故障，實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)故障自清除。

電氣主接線采用對(duì)稱真雙極接線，分兩極，每1極由上下橋臂各1個(gè)MMC換流器組成，1極發(fā)生故障后，非故障相可進(jìn)行功率轉(zhuǎn)帶。考慮到直流斷路器關(guān)斷能力，同時(shí)為減少設(shè)備投資，直流部分采用簡(jiǎn)化單母線接線，每站本期裝設(shè)2臺(tái)直流母線快速開(kāi)關(guān)和4臺(tái)直流斷路器。張北工程主接線示意圖如圖2所示。以康保換工程極1閥廳（KB.P1）為例，閥廳部分電氣主接線圖如圖3所示。

圖2 張北工程主接線示意圖

圖3 閥廳部分電氣主接線圖

閥廳凈距取值

閥廳電氣安全凈距[5]基于本工程過(guò)電壓及絕緣配合研究成果，考慮到雷電沖擊電壓（BIL）和操作沖擊電壓(SIL)，通常由SIL決定。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣象條件（海拔、溫度、濕度）等進(jìn)行修正。

張北工程張北、康保換海拔按1400m修正，北京、豐寧海拔均小于1000m，不修正。IEC60060-1標(biāo)準(zhǔn)中的g參數(shù)法適用于海拔2000m及以下的海拔修正,因此可適用于張北工程。

其中，U50為臨界沖擊閃絡(luò)電壓水平；

L為最小空氣放電距離，δ為相對(duì)空氣密度；

k為由絕對(duì)濕度與相對(duì)空氣密度共同確定的一個(gè)修正系數(shù)。

閥廳內(nèi)環(huán)境：張北工程閥廳條件根據(jù)下述氣象條件組合進(jìn)行空氣凈距的計(jì)算：

（1）40℃空氣溫度、25%的相對(duì)濕度；

（2）50℃空氣溫度、10%的相對(duì)濕度；

按GB/T 16927.1-2011中4.3.2-4.3.5的g參數(shù)法進(jìn)行大氣修正。

按DL/T 5426-2009中6.9.7.2計(jì)算最小空氣間隙，普通工況取2σ，有人檢修狀態(tài)取5σ，雷電沖擊σ=3%，操作沖擊σ=6%，通過(guò)軟件進(jìn)行閥廳凈距迭代計(jì)算，柔性直流閥廳內(nèi)絕緣水平及空氣凈距取值如表1所示。

表1 閥廳內(nèi)空氣凈距表

閥廳尺寸確定

為節(jié)約造價(jià)，該工程的閥塔、直流斷路器采用同閥廳布置。閥塔與直流斷路器、直流斷路器之間均存在不同時(shí)停電工況。閥廳進(jìn)人檢修時(shí)，存在閥廳部分停電、部分帶電區(qū)域。設(shè)計(jì)考慮在閥塔區(qū)域、直流斷路器區(qū)域之間設(shè)置山墻，同時(shí)將直流斷路器按單元設(shè)置，直流斷路器之間設(shè)置隔墻。閥廳尺寸布置按照兩區(qū)域的控制尺寸確定。

閥塔區(qū)域尺寸：結(jié)合該工程閥組接線和換流變壓器選型，采用2個(gè)半橋式模塊化多電平換流器（MMC）的基本單元串聯(lián)而成，每個(gè)基本單元安裝在一個(gè)閥廳內(nèi)，全站共設(shè)置2座閥廳，采用緊鄰布置，主控樓和輔控樓分列閥廳兩側(cè)。

每座閥廳內(nèi)設(shè)置2個(gè)基本單元連接，每個(gè)基本單元有三相，每相上下兩個(gè)橋臂，每個(gè)閥廳共6個(gè)橋臂并列布置，分成6排布置，張北工程除康保換采用ABB設(shè)備，每個(gè)橋臂由4個(gè)閥塔串聯(lián)組成、單套換流閥共計(jì)24座閥塔外，其余站均采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備，每個(gè)橋臂由2個(gè)閥塔串聯(lián)組成，單套換流閥共計(jì)12座閥塔。

閥塔采用“CCBBAA”排列方式（由北至南），單個(gè)橋臂閥塔總尺寸按限定長(zhǎng)×寬×高為25m×6m×13m，同橋臂閥塔之間的尺寸由設(shè)備廠家明確。上下橋臂分別由極線母線、中性母線連接。

根據(jù)前文計(jì)算，閥廳內(nèi)橋臂間布置距離不小于5m，考慮到一定裕度同時(shí)綜合換流區(qū)域啟動(dòng)回路設(shè)備布置，按閥廳橋臂間中心線布置尺寸為12m取值。同時(shí)考慮閥廳采用“鋼排架柱+鋼網(wǎng)架”結(jié)構(gòu)體系，閥廳鋼柱尺寸為1.2m×0.6m，靠近控制樓軸線需扣除暖通送回風(fēng)管布置空間（按2m取值），邊相布置尺寸按8m、7m取值，則僅考慮閥塔布置時(shí)，閥廳橫向尺寸至少為12×5+8+7=75m。

500kV極母線采用落地布置，中性母線采用懸吊布置，延伸至閥廳下部后轉(zhuǎn)為支撐式，便于安裝中性線設(shè)備。中性母線及中性母線設(shè)備沿閥廳側(cè)墻布置直至中性線穿墻套管。

閥塔邊距閥廳軸線、山墻軸線分別取值9m、13m，閥塔區(qū)域縱向尺寸為9+25+13=47m。

直流斷路器布置尺寸：直流斷路器按單元設(shè)置，當(dāng)不設(shè)置隔墻時(shí)，直流斷路器之間的距離主要考慮不同時(shí)停電檢修時(shí)的距離，按5倍標(biāo)偏進(jìn)行閥廳凈距計(jì)算為7.81m，取值8m。檢修車(chē)及人的活動(dòng)區(qū)域范圍按5m考慮，兩臺(tái)直流斷路器之間的凈距應(yīng)不小于13m。單臺(tái)直流斷路器按限定長(zhǎng)×寬×高為18m×9m×15.5m，則兩臺(tái)并列布置的直流斷路器之間中性線中心距離應(yīng)為22m。

當(dāng)設(shè)置隔墻時(shí)，直流斷路器之間的距離為單臺(tái)直流斷路器寬度+直流極線相對(duì)地凈距取值5m×2+隔墻厚度0.5m=19.5m，取值20m，邊相考慮暖通設(shè)施布置空間，取值按21m，比不設(shè)置隔墻可有效減少閥廳橫向布置尺寸6m。經(jīng)與運(yùn)行單位充分溝通，增加隔墻使得帶電運(yùn)行的其他斷路器完全被隔墻隔斷，從而確保檢修人員人身安全。

直流啟動(dòng)電阻區(qū)域設(shè)備（WP-Q13、IDR、T1）僅在直流啟動(dòng)方式下帶電，正常時(shí)不帶電；直流母線快速開(kāi)關(guān)回路（WP-Q1、WP-Q11/Q12水平伸縮雙接地）與中性母線為同停，因此二者之間不考慮設(shè)置隔離設(shè)施，該區(qū)域布置橫向尺寸為24m。

按直流斷路器區(qū)域，閥廳橫向尺寸為24+20×2+21=85m。

極線匯流母線采用懸吊布置，下方布置L1(2、3)-Q14垂直伸縮不接地，離閥廳軸線8.0m，直流斷路器邊距極線匯流母線12.5m，此區(qū)域用于布置L1(2、3)-Q11水平伸縮單接地、L1(2、3)-Q12水平伸縮雙接地。閥廳通道設(shè)置凈尺寸不小于5m，直流斷路器邊距山墻10.5m。

按直流斷路器區(qū)域，閥廳縱向尺寸為8+12.5+18+10.5=49m。

閥廳尺寸取值：閥塔、直流斷路器高度限制高度分別為13m、15.5m，考慮直流斷路器安裝轉(zhuǎn)接構(gòu)件0.5m裕度，閥廳高度至少為15.5+0.5+5=21m，取值22m。

閥塔、直流斷路器區(qū)域布置橫向尺寸布置分別為75m、85m，閥廳橫向尺寸布置取值85m。

閥塔、直流斷路器區(qū)域布置縱向尺寸布置分別為47m、49m，閥廳縱向尺寸布置取值47+49=96m。

綜合以上分析，張北工程單座閥廳長(zhǎng)×寬×高取值為85m×96m×22m。

閥廳布置圖

綜上所述，張北工程兩座閥廳電氣布置簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。張北工程單座閥廳電氣布置詳圖見(jiàn)圖4。

圖3 張北工程兩座閥廳布置簡(jiǎn)圖

圖4 張北工程單座閥廳布置詳圖

結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)張北工程閥廳電氣布置方案進(jìn)行深入分析探討，得出以下結(jié)論：

張北工程首次采用“半橋MMC+直流斷路器”的技術(shù)方案，閥廳閥塔、直流斷路器采用同閥廳布置，比分別設(shè)置閥廳、直流斷路器廳方案，節(jié)省造價(jià)約1750萬(wàn)元。

張北工程閥塔與直流斷路器、直流斷路器之間均存在不同時(shí)停電工況，通過(guò)設(shè)置山墻、閥廳通道隔墻、直流斷路器隔墻，使二者在不同時(shí)停電檢修時(shí)，實(shí)現(xiàn)最小停電區(qū)域單元分隔，檢修時(shí)可滿足閥廳進(jìn)人條件。

通過(guò)分析，張北工程單座閥廳長(zhǎng)×寬×高取值為85m×96m×22m，兼顧布置合理、運(yùn)維方便，同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。