劉盛，周志超，張農(nóng)，丁健

(浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州市，310012)

0 引言

直流輸電技術(shù)主要應(yīng)用于遠(yuǎn)距離、大功率輸電和非同步交流系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，換流站是直流輸電系統(tǒng)的核心，用于完成交流和直流之間的變換?！?00 kV換流站是目前國內(nèi)電壓等級最高的換流站，站用電一般為站內(nèi)引接2回站用電源，站外引接1回站用電源。站內(nèi)2回站用電源接至站內(nèi)交流氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)，電壓等級為500 kV，設(shè)置2臺站用變壓器，低壓側(cè)電壓等級為10 kV。

特高壓換流站中500 kV交流站用變壓器與GIS連接的方式可以采用架空連接和氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated metal enclosed transmission line，GIL)連接等多種方式。架空連接方式為GIS設(shè)備套管與站用變壓器采用軟導(dǎo)線或管母線連接，避雷器和電壓互感器采用空氣絕緣開關(guān)裝置(air insulated switchgear，AIS)，布置尺寸偏大，GIS設(shè)備與站用變壓器之間有明顯的斷開點(diǎn)，各類試驗(yàn)相對簡單，檢修方便；GIL連接方式為變壓器采用油/SF6氣體套管與GIS設(shè)備通過氣體絕緣母線連接，不出現(xiàn)裸露的導(dǎo)體和引線，布置靈活緊湊，有利于提高設(shè)備的可靠性，但避雷器和電壓互感器均需采用GIS設(shè)備，造價較高，無明顯的斷開點(diǎn)，各類試驗(yàn)相對復(fù)雜，檢修不便。

1 油/SF6氣體套管介紹

油/SF6氣體套管可以根據(jù)電容心子的材料不同分為2類：油紙和環(huán)氧樹脂浸紙。

油紙?zhí)坠艿闹鹘^緣為油浸紙電容心子，經(jīng)真空干燥后由變壓器油真空浸漬而成；油紙?zhí)坠芫哂袃?yōu)良的電氣性能，但由于該類套管在運(yùn)行中可能出現(xiàn)油色譜超標(biāo)、瓷件爆炸傷人、漏油污染環(huán)境等缺點(diǎn)，導(dǎo)致油紙?zhí)坠艿膽?yīng)用受到了一定的影響。因此，20世紀(jì)60年代國外開始研究環(huán)氧樹脂浸紙干式套管，以克服油紙?zhí)坠艿娜秉c(diǎn)。

環(huán)氧樹脂浸紙干式套管中起主絕緣作用的電容心子為圓柱形電容器，用絕緣紙和鋁箔纏在套管的導(dǎo)電桿上，經(jīng)真空干燥后浸漬環(huán)氧樹脂固化而成。環(huán)氧樹脂浸紙干式套管的制造和測試均達(dá)到或超過了IEC 60137和GB/T 4109—2008的要求。

油/SF6套管已大規(guī)模應(yīng)用于核電站、水電站、抽水蓄能電站等工程中，在交流500 kV戶內(nèi)變電站中也有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

2 換流站站用變壓器回路配置方案

GIS與站用變壓器采用GIL連接后，該回路避雷器和電壓互感器改為GIS設(shè)備，造價增加，以下介紹該回路金屬氧化物避雷器(metal oxide arrester，MOA)和電壓互感器(voltage transformer，VT)的配置要求，同時結(jié)合國內(nèi)某特高壓換流站交流場地的整體布局，對GIL連接方案和架空連接方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

2.1 電壓互感器與避雷器配置

本工程交流500 kV線路為一個半斷路器接線，2臺站用變壓器分別接入IM和ⅡM母線。

2.1.1 站用變壓器500 kV側(cè)電壓互感器配置

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，與三相電壓量相關(guān)的變壓器保護(hù)主要有過勵磁保護(hù)、復(fù)合電壓啟動的過電流保護(hù)或復(fù)合電流保護(hù)。

(1)過勵磁保護(hù)［1-5］。對于高壓側(cè)為交流330 kV及以上的變壓器，為防止由于頻率降低和/或電壓升高引起變壓器磁密過高而損壞變壓器，應(yīng)裝設(shè)過勵磁保護(hù)。過勵磁保護(hù)由電壓與頻率的比值構(gòu)成，每相都要進(jìn)行判別，需要引入三相電壓。

結(jié)合工程情況，特高壓換流站中站用電負(fù)荷為10 MVA，但由于500 kV交流變壓器額定容量最小不宜低于40 MVA，因此一般按40 MVA選擇。換流站中的站用變壓器運(yùn)行在低負(fù)荷，鐵心等金屬構(gòu)件及變壓器油的溫度較低，有利于提高變壓器的過勵磁能力。此類變壓器的正常工作磁通密度一般為1.5～1.6 T，飽和磁通密度為1.8～2 T。本工程作為受端換流站，經(jīng)計(jì)算其工頻穩(wěn)態(tài)過電壓不超過1.09 pu，而所連接的系統(tǒng)頻率基本不變，因此可以認(rèn)為工作磁通密度不超過1.09倍的正常磁通密度，即為1.635～1.744 T時不會導(dǎo)致鐵心飽和。根據(jù)變壓器過勵磁特性曲線，此類運(yùn)行方式下的變壓器在過電壓倍數(shù)不超過1.1 pu時可以連續(xù)運(yùn)行。因此本工程站用變壓器不會出現(xiàn)過勵磁情況，可以不裝設(shè)過勵磁保護(hù)，無需引入三相電壓。

對于某些交流500 kV變壓器低壓側(cè)安裝有低壓無功補(bǔ)償裝置的特高壓換流站，配置的交流變壓器額定容量一般為120～240 MVA。由于變壓器需要運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)，此類變壓器的過勵磁能力為不超過1.05 pu時能連續(xù)運(yùn)行，若要提高過勵磁能力，則需增大鐵心截面或增加繞組匝數(shù)，提高設(shè)備投資，因此仍需裝設(shè)過勵磁保護(hù)，不提高站用變壓器的過勵磁水平。

對于工頻穩(wěn)態(tài)過電壓水平超過1.1 pu的特高壓換流站，交流站用變壓器也應(yīng)裝設(shè)過勵磁保護(hù)。

(2)復(fù)合電壓啟動的過電流保護(hù)或復(fù)合電流保護(hù)。交流110～500 kV降壓變壓器、升壓變壓器和系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)變壓器，相間短路后備保護(hù)采用過電流保護(hù)不能滿足靈敏度要求時，宜采用復(fù)合電壓啟動的過電流保護(hù)或復(fù)合電流保護(hù)，復(fù)合電壓由引入三相電壓產(chǎn)生。

經(jīng)校驗(yàn)，本工程站用變壓器高壓側(cè)相間短路過電流保護(hù)靈敏度數(shù)為11.89，滿足靈敏性要求，無需配置復(fù)壓啟動。

由上分析可得，本工程站用變壓器保護(hù)不需要配置高壓側(cè)VT。同時，計(jì)量測量點(diǎn)可以設(shè)置在站用變壓器低壓側(cè)，因此站用變壓器計(jì)量測量也不需要配置高壓側(cè)VT。

綜上所述，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，站用變壓器保護(hù)和計(jì)量測量系統(tǒng)可以不配置高壓側(cè)電壓互感器。2.1.2 站用變壓器500 kV側(cè)避雷器配置

根據(jù)變電站設(shè)備實(shí)際的布置情況，采用電磁暫態(tài)計(jì)算程序分析了線路雷電進(jìn)波對設(shè)備的過電壓影響，計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1可知，站用變壓器的過電壓為1 326 kV，絕緣裕度為16.9％，低于最小絕緣配合系數(shù)25％；如果過站用變壓器采用油氣套管，站用變壓器的過電壓為1 263 kV，絕緣裕度為22.7％，仍低于最小絕緣配合系數(shù)25％。因此，需要采取措施降低其過電壓，而在母線上安裝1組MOA即可滿足要求，母線避雷器應(yīng)盡量靠近站用變壓器側(cè)，或者將站用變壓器的雷電沖擊絕緣水平提高到1 675 kV。

表1 線路雷電過電壓電磁暫態(tài)計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of electromagnetic transient of lightning overvoltage for transm ission lines

2.2 換流站500kV交流場地布置

對于GIL管道連接方案，站用變壓器500 kV側(cè)回路避雷器宜采用GIS設(shè)備，因此站用變壓器回路省去了空氣套管和架空線所要求的電氣距離要求，占地尺寸大幅降低，可以直接利用GIL管道區(qū)域的空余場地布置，不單獨(dú)增加站用變布置區(qū)，使得換流站交流場區(qū)域布置更加清晰合理。

油/SF6套管為減小安裝法蘭的受力，傾斜角不宜大于30°，故推薦豎向安裝油/SF6套管，斷面及剖面如圖1所示。

圖1 油氣套管斷面及剖面圖Fig.1 Sectional draw ing and hatch areas of oil/gas bushing

2.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

站用變回路選用GIL連接方案與架空連接方案在500 kV套管、避雷器及GIL等設(shè)備型式的選用及數(shù)量上存在不一致，見表2。

經(jīng)比較設(shè)備配置差異，全站2組站用變壓器采用GIL連接方案共節(jié)省投資23.64萬元，并且交流區(qū)域布置更加合理，節(jié)省了場地，提高了連接的可靠性，減少了維護(hù)的工作量。

表2 GIL連接方案和架空連接方案的相關(guān)設(shè)備配置Tab.2 Equipment configuration for connectionschemes of GIL and overhead

3 GIL連接方案互感器的選擇

由以上分析可知，該換流站站用變回路可以取消回路VT，如果個別特高壓換流站不能取消過勵磁保護(hù)，則站用變回路的VT也不能取消。由于常規(guī)GIS的VT比AIS的VT每相需增加投資31.8萬元，因此GIL管道連接方案總體投資反而需要增加。

應(yīng)用電子式互感器可以降低工程造價，同時羅氏線圈線性度好、抗飽和能力強(qiáng)，能有效解決站用變壓器高壓側(cè)小變比電流互感器(current transformer，CT)的飽和問題［6-7］，但是目前電子式互感器處在應(yīng)用初期，需要論述方案的可靠性。為了更全面地分析GIL管道連接方案，有必要對應(yīng)用GIS電子式互感器的方案進(jìn)行探討。

實(shí)習(xí)基地建設(shè)與利用 從2012年開始，先后與丹東東方測控、華日理學(xué)等五家企業(yè)簽訂實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地協(xié)議書；與錦州航星集團(tuán)有限公司、錦州陽光能源科技有限公司等三家企業(yè)簽訂實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地協(xié)議書，接納連續(xù)六屆學(xué)生畢業(yè)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)。

3.1 電子式互感器的工作原理

電子式互感器根據(jù)其高壓部分是否需要工作電源，可以分為有源式和無源式2類［8-10］。

對于GIS設(shè)備，現(xiàn)階段選擇應(yīng)用線圈型電子式電流互感器(electronic current transformer，ECT)和分壓型電子式電壓互感器 (electronic voltage transformer，EVT)技術(shù)可靠、投資節(jié)省。

3.2 應(yīng)用電子式互感器

3.2.1 應(yīng)用方案

站用變壓器采用GIL管道連接，站用變壓器500 kV側(cè)應(yīng)用GIS型式的ECT和EVT；為了考慮站用變各側(cè)互感器特性的一致性，站用變壓器10 kV及中性點(diǎn)側(cè)也應(yīng)用ECT和EVT。

對于電子式互感器方案，對應(yīng)2種VT設(shè)置方式進(jìn)行應(yīng)用探討。

(1)方式1：500 kV母線設(shè)置單相VT，站用變壓器500 kV側(cè)設(shè)置三相VT。

500 kV母線單相VT采用常規(guī)型式，站用變壓器500 kV側(cè)采用三相ECT、三相常規(guī)CT和三相EVT；站用變壓器保護(hù)、測量、計(jì)量裝置采用ECT和本回路EVT，500 kV母差保護(hù)采用常規(guī)CT。

(2)方式2：500 kV母線設(shè)置三相VT，站用變壓器500 kV側(cè)不設(shè)置VT。

500 kV母線三相 VT采用 EVT，站用變壓器500 kV側(cè)采用三相ECT和三相常規(guī)CT；站用變壓器保護(hù)、測量、計(jì)量裝置等采用 ECT和母線 EVT，500 kV母差保護(hù)采用常規(guī)CT。

3.2.2 方案比較

母線VT除了站用變壓器外的間隔僅需提供單相同期電壓，不影響主保護(hù)功能，因此應(yīng)用EVT對于控制保護(hù)系統(tǒng)影響不大，上述2種方式均較為穩(wěn)妥，但是方式1比方式2的影響范圍更小、可靠性更高，對于除了站用變壓器外的其他間隔，控制保護(hù)系統(tǒng)沒有影響，也不存在互感器特性不一致的問題，因此推薦采用方式1。方式1比方式2需增加2臺500 kV常規(guī)GIS電壓互感器，增加投資約80萬元。

站用變壓器保護(hù)、測控、計(jì)量等裝置均接入來自ECT和EVT的電流電壓數(shù)字量，500 kV母差保護(hù)及斷路器保護(hù)仍接入常規(guī)電流互感器的電流模擬量。GIL連接方案應(yīng)用電子式互感器，與架空連接方案應(yīng)用常規(guī)互感器的相關(guān)設(shè)備配置差異見表3。

表3 GIL連接方案和架空連接方案的設(shè)備配置Tab.3 Equipment configuration for connection schemes of GIL and overhead

由表3可知，站用變壓器GIL連接方案應(yīng)用電子式互感器后，比架空連接方案應(yīng)用全常規(guī)互感器節(jié)省投資約36.84萬元。本方案為了增強(qiáng)電子式互感器的可靠性，盡可能減小應(yīng)用電子式互感器所帶來的影響，僅使用站用變回路的保護(hù)測控、電能表和故障錄波裝置采集來自電子式互感器的電流電壓采樣值，其他控制保護(hù)設(shè)備均保持不變。

4 結(jié)語

在特高壓換流站中，500 kV交流站用變壓器采用GIL管道連接方案可以節(jié)省投資，優(yōu)化了交流場布置，提高了連接可靠性，減少了維護(hù)工作量，但是也會帶來試驗(yàn)和檢修的不便。隨著GIS設(shè)備的普及，GIL連接方案將更多地應(yīng)用到各種類型的換流站及變電站中，這就需要相關(guān)規(guī)程規(guī)范針對油/SF6套管的特點(diǎn)調(diào)整試驗(yàn)和檢修要求，以利于該設(shè)備的推廣應(yīng)用。

由于GIL連接方案要求避雷器和VT改用GIS設(shè)備，需要增加設(shè)備投資，但經(jīng)論證后發(fā)現(xiàn)，可以取消站用變過勵磁保護(hù)和復(fù)壓啟動回路，取消站用變壓器500 kV側(cè)回路VT，從而節(jié)省了投資。

本文還提出了應(yīng)用有源式電子式互感器來解決GIS常規(guī)互感器價格偏高的問題，力求在保證可靠性的前提下降低工程造價，有效解決了特高壓換流站站用變壓器高壓側(cè)小變比CT的飽和問題。

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