黃 陽(yáng)，王建武，魯 翔，陳向東

(1. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663；2. 中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

閥廳是換流站的核心，合理的閥廳布置方案可以保障直流系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)的外部環(huán)境和系統(tǒng)條件下安全可靠運(yùn)行，并滿足安裝及維護(hù)方便、節(jié)省投資等要求。閥廳的布置方案需結(jié)合閥廳及換流變區(qū)域的總體布置綜合考慮。目前已投運(yùn)的特高壓直流換流站，閥廳及換流變區(qū)域的布置方案主要有“一字型”和“面對(duì)面”布置兩種型式，對(duì)應(yīng)的閥廳內(nèi)部電氣工藝布置方案均適應(yīng)于以上兩種布置型式。兩種布置型式各有其優(yōu)缺點(diǎn)。隨著換流站的征地難度越來(lái)越大，特別是當(dāng)換流站落點(diǎn)在負(fù)荷密集地區(qū)時(shí)，土地資源極度稀缺，征地范圍內(nèi)的部分場(chǎng)區(qū)又處于山丘地帶時(shí)，站區(qū)土石方開挖工程量巨大。為了節(jié)省土石方量，同時(shí)滿足換流站的征地要求，本文對(duì)“一字型”布置和“面對(duì)面”布置進(jìn)行了綜合比較，同時(shí)對(duì)閥廳及換流變區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出一種新的、緊湊型的“L型”布置方案，目前已成功應(yīng)用于滇西北至廣東±800 kV特高壓直流輸電工程?hào)|方換流站中[1]。

在“L型”布置方案下，同極的高端閥廳和低端閥廳呈“L型”布置，高端閥廳的短邊與低端閥廳的長(zhǎng)邊緊鄰布置[2]；控制樓布置在高、低端閥廳的端部，與高、低端閥廳緊鄰布置，閥廳與控制樓的接觸面變小。該布置方案下，直流側(cè)套管進(jìn)線的空間和角度受限，如何有效利用低端閥廳有限的長(zhǎng)度尺寸進(jìn)行直流穿墻套管的布置，如何進(jìn)行巡視走道的布置，以及在直流穿墻套管插入閥廳空間受限的前提下如何調(diào)整閥塔的布置方案以滿足運(yùn)行和檢修的要求是本文需研究和解決的問(wèn)題。

1 閥廳及換流變電氣接線

換流閥組接線采用成熟的±800 kV閥組接線型式，即采用雙極配置，每極2個(gè)12脈動(dòng)換流閥組串聯(lián)接線，2個(gè)12脈動(dòng)閥組串聯(lián)電壓按(400＋400) kV分配的換流器接線方式。該接線方式在多個(gè)直流工程中已有成熟應(yīng)用，此處不再詳述[3-7]。換流變壓器推薦采用單相雙繞組換流變，換流變壓器三相接線組別采用YNy0接線及YNd11接線。接線組別和閥廳內(nèi)設(shè)備的布置方式相關(guān)。

2 閥廳“面對(duì)面”布置

閥廳“面對(duì)面”布置方案示意圖如圖1所示，每極的高、低端閥廳面對(duì)面布置，高端閥廳布置在外側(cè)，兩極的低端閥廳“背靠背”布置在內(nèi)側(cè)。全站8組(24臺(tái))換流變壓器與閥廳緊靠一字排列布置于高、低端閥廳之間，換流變閥側(cè)套管直接插入閥廳。高、低端閥廳間設(shè)置換流變運(yùn)輸和組裝場(chǎng)地。

圖1 閥廳“面對(duì)面”布置方案

靠近兩個(gè)高端閥廳各設(shè)1 間輔控樓，主控樓設(shè)置在兩個(gè)低端閥廳端部。閥外冷設(shè)備布置于閥廳周圍的空地上。備用換流變根據(jù)實(shí)際布置于直流場(chǎng)和換流變廣場(chǎng)的空地上，區(qū)域占地尺寸為298 m×133.5 m。

采用“面對(duì)面”布置的優(yōu)點(diǎn)：高、低端閥廳對(duì)換流變?cè)肼暤膫鞑ビ泻芎玫淖钃鹾臀兆饔?，有利于換流站圍墻位置的噪音控制；輔助設(shè)備按閥廳分區(qū)布置，單元體系清晰，功能分區(qū)明確。換流變組裝場(chǎng)地可以考慮同一極的高、低端換流變可同時(shí)背靠背安裝檢修，運(yùn)行檢修比較靈活[8-10]。

但是采用“面對(duì)面”布置時(shí)，直流穿墻套管從閥廳同側(cè)引出，每個(gè)閥廳的低壓閥塔遠(yuǎn)離穿墻套管且閥塔出線與穿墻套管方向平行，閥塔出線需要在閥廳內(nèi)轉(zhuǎn)90°后再引接到穿墻套管上，閥廳內(nèi)接線較為復(fù)雜。由于與閥廳的長(zhǎng)度方向同向，匯流母線跨距加大，距離在110～140 m 之間，構(gòu)架大小較換流站內(nèi)其他構(gòu)架寬度更寬、高度更高，鋼材消耗量較大。

3 閥廳“一字型”布置

閥廳“一字型”布置方案示意圖如圖2所示，每極的高、低端閥廳并排布置。全站8組(24臺(tái))換流變壓器一字排開布置與閥廳的同一側(cè)。區(qū)域占地尺寸為385 m×103.5 m。

圖2 閥廳“一字型”布置方案

采用“一字型”布置方案的優(yōu)點(diǎn)：閥廳對(duì)換流變?cè)肼曈忻黠@的阻擋作用，直流場(chǎng)噪音小，基本不受換流變的影響?！耙蛔中汀辈贾脮r(shí)，換流變進(jìn)線構(gòu)架正對(duì)閥廳，換流變引線容易實(shí)現(xiàn)。輔助設(shè)備按極分區(qū)布置，單元體系清晰。直流穿墻套管從閥廳長(zhǎng)軸方向出線，與已有的±500 kV 直流工程類似，布置較為成熟，接線相對(duì)簡(jiǎn)單。極1、極2 組裝場(chǎng)地相通，備用變更換時(shí)運(yùn)輸距離較短，并且高、低端備用換流變的布置方向均與工作變同向，在更換時(shí)可做到不旋轉(zhuǎn)，快速便利[8-10]。

但是采用“一字型”布置時(shí)，增大了直流場(chǎng)和閥廳橫向尺寸，且24 臺(tái)換流變一字排開面向交流場(chǎng)，其噪聲向交流場(chǎng)及其兩側(cè)傳播，噪聲覆蓋范圍廣，影響較“面對(duì)面”布置大。另外，由于換流區(qū)域僅考慮一臺(tái)換流變安裝后后部過(guò)車的空間，換流變進(jìn)線跨距小、角度大，不方便交流側(cè)進(jìn)線。

4 閥廳“L型”布置

閥廳采用“面對(duì)面”布置時(shí)，閥廳、換流變區(qū)域和直流場(chǎng)的橫向尺寸較小，有利于直流場(chǎng)布置。極1、極2 組裝場(chǎng)地完全獨(dú)立，換流變組裝場(chǎng)地可以考慮同一極的高、低端換流變可同時(shí)背靠背安裝檢修，運(yùn)行檢修比較靈活。

相比于閥廳“面對(duì)面”方案，閥廳“一字型”布置的特點(diǎn)在于換流變檢修更換更為便利且引線更為順暢，換流變區(qū)域占地面積相對(duì)更小。然而，由于“一字型”方案的4個(gè)閥廳為并排布置，橫向尺寸會(huì)非常大，間接增加了直流場(chǎng)布置的難度和占地面積。

通過(guò)對(duì)目前換流場(chǎng)兩種閥廳布置形式進(jìn)行分析，可以看出“面對(duì)面”和“一字型”各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文結(jié)合上述兩種布置方案的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)方案的缺點(diǎn)部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種新型的閥廳布置方式，即“L型”布置。

閥廳“L型”布置方案如圖3所示，每極的高端閥廳和低端閥廳呈“L型”布置，兩個(gè)“L型”水平鏡像布置。其中，兩個(gè)高端閥廳“一字型”布置，兩個(gè)低端閥廳“面對(duì)面”布置。每個(gè)閥廳對(duì)應(yīng)的兩組(6臺(tái))換流變與閥廳緊靠一字排列，換流變閥側(cè)套管直接插入閥廳。分別在高、低端閥廳前設(shè)置換流變運(yùn)輸和組裝場(chǎng)地；低端換流變利用“面對(duì)面”的運(yùn)輸和組裝場(chǎng)地，通過(guò)架設(shè)高跨導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)2組不同接線型式的換流變的匯流。

圖3 閥廳“L型”布置方案

相較于閥廳“面對(duì)面”和“一字型”布置方案，高、低端閥廳“L型”布置具有以下特點(diǎn)：

1)“L型”布置的閥廳、換流變區(qū)域和直流場(chǎng)的橫向(東西方向)尺寸較高、低端閥廳“面對(duì)面”布置時(shí)更小，節(jié)省占地面積達(dá)16%以上。

2)減少了一個(gè)輔助控制樓建筑物，閥廳相對(duì)集中，方便運(yùn)行和巡視。

3)低端閥廳“面對(duì)面”布置、高端閥廳和交流500 kV戶內(nèi)氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas-insulated metal-enclosed switchgear, GIS)室面對(duì)面布置，能夠有效阻擋換流變的噪聲傳播。

4)直流穿墻套管均從閥廳長(zhǎng)邊引出，每個(gè)閥廳的閥塔靠近對(duì)應(yīng)的穿墻套管，閥塔出線不需要在閥廳內(nèi)轉(zhuǎn)90°后再引接到穿墻套管上，閥廳內(nèi)接線相對(duì)簡(jiǎn)單。

5)2個(gè)低端閥廳“面對(duì)面”布置，能夠?qū)崿F(xiàn)低端換流變共軌，簡(jiǎn)化換流變廣場(chǎng)軌道設(shè)計(jì)。

6)優(yōu)化軌道設(shè)計(jì)方案，高端換流變廣場(chǎng)采用單軌設(shè)計(jì)，軌道總長(zhǎng)度約2 500 m。

7)高、低端換流變區(qū)域相對(duì)獨(dú)立，可同時(shí)進(jìn)行安裝檢修和備用相更換，互不干擾，運(yùn)行方式更加靈活。

閥廳、換流變區(qū)域采用“L型”布置后，較閥廳采用常規(guī)的“面對(duì)面”布置方案縮短了直流場(chǎng)同極高低端旁路回路的連接長(zhǎng)度，兩極共節(jié)省了8支400 kV直流支柱絕緣子。

5 方案比較

閥廳“L型”方案兼顧了“面對(duì)面”和“一字型”布置的優(yōu)點(diǎn)。兩個(gè)高端閥廳可看作是“一字型”布置，而兩個(gè)低端閥廳則可認(rèn)為是“面對(duì)面”布置?！癓型”布置不僅保證了高、低端換流變有各自的組裝廣場(chǎng)，更進(jìn)一步優(yōu)化了換流變區(qū)域和直流場(chǎng)的尺寸。三個(gè)方案的各配電裝置的占地指標(biāo)分別見(jiàn)表1所列，閥廳“L型”布置方案占地優(yōu)勢(shì)明顯。

表1 三個(gè)方案占地面積比較m2

6 “L型”布置閥廳的電氣設(shè)計(jì)

閥廳的布置方案需與換流變壓器的布置綜合考慮，閥廳尺寸主要取決于設(shè)備外形、空氣凈距要求、設(shè)備間連線以及運(yùn)行檢修空間等。特高壓直流換流站每極分高端和低端2個(gè)閥廳，每極的高端閥廳和低端閥廳呈“L型”布置，兩個(gè)“L型”水平鏡像布置。其中，兩個(gè)高端閥廳“一字型”布置，兩個(gè)低端閥廳“面對(duì)面”布置；800 kV/600 kV閥塔布置于高端閥廳內(nèi)，400 kV/200 kV閥塔布置于低端閥廳內(nèi)。閥塔布置采用懸吊式、二重閥布置，每個(gè)閥廳內(nèi)懸吊六個(gè)二重閥。換流變壓器采用單相雙繞組型式，在布置上與閥廳緊挨，閥側(cè)套管插入閥廳，在閥廳內(nèi)部完成“Y”星形連接(以下簡(jiǎn)稱“星接”)、“△”三角形連接(以下簡(jiǎn)稱“角接”)。

6.1 總體布置方案介紹

換流站包含高端H/Y換流變、高端H/D換流變，低端L/Y換流變和低端L/D換流變四種類型?！癓型”布置時(shí)，閥廳直流穿墻套管均垂直閥廳長(zhǎng)度方向進(jìn)入，每個(gè)閥廳的閥塔靠近對(duì)應(yīng)的穿墻套管，閥塔出線不需要像閥廳“面對(duì)面”布置那樣在閥廳內(nèi)轉(zhuǎn)90°后再引接到穿墻套管上，閥廳內(nèi)接線相對(duì)簡(jiǎn)單。在上脈動(dòng)閥塔中點(diǎn)用管母線接至Y/Y(星接的換流變，高端閥廳H/Y，低端閥廳L/Y)換流變的上套管，三個(gè)下套管通過(guò)支柱絕緣子和管母線連接，從而實(shí)現(xiàn)星接。Y/D(角接的換流變，高端閥廳H/D，低端閥廳L/D)換流變的上套管通過(guò)管母線直接連接到下六脈動(dòng)閥塔的中點(diǎn)。下套管通過(guò)支柱絕緣子/懸吊絕緣子和管母線連接，實(shí)現(xiàn)角接。

6.2 閥塔布置

換流閥布置在閥廳中部，閥塔的間距與換流變防火墻的間距相適應(yīng)，低端閥廳的閥塔間距還需考慮低端換流變廣場(chǎng)共軌布置的需求。除此以外，換流閥塔之間的距離還需考慮換流變的進(jìn)線角度、閥塔之間的空氣凈距要求和直流套管接入的具體位置[11]等。高端HY(高端閥廳中的YY換流變)和HD(高端閥廳中的YD換流變)換流變閥側(cè)套管直接插入閥廳，在閥廳內(nèi)部完成對(duì)應(yīng)的星接和角接。

6.3 直流穿墻套管布置

直流穿墻套管均布置在閥廳靠近直流場(chǎng)側(cè)，穿墻套管從閥廳的長(zhǎng)度方向插入，高壓穿墻套管水平傾斜10°安裝。800 kV極線及400 kV直流母線均采用地面支撐布置方案。中性線母線采用側(cè)墻絕緣子安裝方案。

6.4 換流變套管布置

換流變套管的布置包括星接和角接兩種。星接的換流變閥側(cè)套管星形側(cè)采用懸吊絕緣子金具，通過(guò)硬管母連接至閥塔，換流變的中性點(diǎn)側(cè)采用硬管母連接，通過(guò)支撐絕緣子金具短接。角接換流變閥側(cè)套管相間通過(guò)管母從套管端部直接相連。換流變閥側(cè)套管端部與閥塔的連接采用垂直安裝的管型母線，通過(guò)懸吊絕緣子金具，從該絕緣子端部連接對(duì)應(yīng)閥塔。

6.5 避雷器與接地開關(guān)布置

高端閥廳裝設(shè)直流A2避雷器采用為懸吊安裝方式， C2避雷器布置在800 kV極線母線和400 kV母線之間，采用絕緣子支撐式布置方案，C2避雷器接至800 kV母線的金具與閥塔采用集成設(shè)計(jì)。接地開關(guān)均采用側(cè)墻布置方案。

低端閥廳直流M避雷器采用懸吊安裝方式，通過(guò)管母連接金具與閥塔200 kV母線連接。C1避雷器布置于400 kV母線下方，采用落地支撐式布置方案。星接LY換流變的接地開關(guān)和中性線接地開關(guān)采用側(cè)墻布置方案，角接LD換流變的接地開關(guān)和400 kV母線接地開關(guān)采用立地布置方案。

6.6 巡視走道布置

巡視走道從控制樓側(cè)進(jìn)入閥廳，采用C型環(huán)繞布置方案，巡視視野開闊，可巡視整個(gè)閥廳。

6.7 閥廳尺寸優(yōu)化

換流閥長(zhǎng)軸方向尺寸主要由換流變套管、閥塔的相間距、對(duì)墻的距離及極線進(jìn)線設(shè)備布置決定，換流閥短軸尺寸主要是由閥塔尺寸、換流變的套管長(zhǎng)度、直流穿墻套管長(zhǎng)度及對(duì)墻的電氣距離確定。根據(jù)以上布置原則進(jìn)行優(yōu)化，高端閥廳的尺寸為長(zhǎng)×寬×掛點(diǎn)高：77.8 m×32.6 m×27 m；低端閥廳的尺寸為長(zhǎng)×寬×掛點(diǎn)高：60.5 m×21.3 m×17 m。優(yōu)化后的閥廳平面布置如圖4和圖5所示。本文通過(guò)閥廳內(nèi)部的電氣工藝布置優(yōu)化，本文在不突破原有閥廳尺寸的前提下，實(shí)現(xiàn)了閥廳及換流變區(qū)域的“L型”緊湊布置以及換流變的共軌布置方案，與國(guó)內(nèi)主流技術(shù)方案(“一字型”/“面對(duì)面”)相比，節(jié)省整個(gè)換流站的占地面積12%～22%，可為以后的工程施工提供參考和借鑒。

圖4 高端閥廳平面布置方案

圖5 低端閥廳平面布置方案

7 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)閥廳和換流變區(qū)域“一字型”布置、“面對(duì)面”布置方案進(jìn)行分析，提出了創(chuàng)新型的高低端閥廳組合“L型”布置。 “L型”布置較“一字型”和“面對(duì)面”布置占地面積更小，土石方量更小，噪聲控制效果更好。

除此以外，本文還提出了一種適應(yīng)于“L型”布置型式的新型閥廳電氣布置方案，該布置方案具有具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)在不增加閥廳尺寸的前提下，對(duì)閥廳布置方案進(jìn)行電氣工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，工藝流程順暢；

2)優(yōu)化直流側(cè)穿墻套管布置方式。閥廳直流穿墻套管均垂直閥廳長(zhǎng)度方向進(jìn)入，每個(gè)閥廳的閥塔靠近對(duì)應(yīng)的穿墻套管，閥塔出線不需在閥廳內(nèi)轉(zhuǎn)90°(閥廳“面對(duì)面”布置需轉(zhuǎn)向)后再引接到穿墻套管上，簡(jiǎn)化了閥廳內(nèi)接線；

3)優(yōu)化高端閥廳內(nèi)的C2避雷器接線方式。為了方便C2避雷器接線，400 kV穿墻套管布置在800 kV和600 kV閥塔間，C2避雷器接至800 kV母線的金具與閥塔采用集成設(shè)計(jì)；

4)優(yōu)化閥廳巡視通道的布置，低端閥廳的巡視通道從閥廳的寬度方向進(jìn)入，高端閥廳的巡視通道從閥廳的長(zhǎng)度方向進(jìn)入，巡視通道呈C形環(huán)繞布置，巡視視野開闊，可巡視整個(gè)閥廳；

5)優(yōu)化閥塔布置，拉大800 kV套管兩側(cè)閥塔的間距，方便后期閥塔的維護(hù)和檢修。

本文論述的方案中，換流閥外冷卻方式采用水冷，采用其他冷卻方式時(shí)方案同樣適用。