±1 100 kV換流站戶內(nèi)直流場巡檢方案研究

包維瀚，郭賢珊，丁曉飛，駱 玲，付 穎

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021；2.國家電網(wǎng)公司，北京 100031)

±1 100 kV換流站戶內(nèi)直流場巡檢方案研究

包維瀚1，郭賢珊2，丁曉飛1，駱 玲1，付 穎2

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021；2.國家電網(wǎng)公司，北京 100031)

±1 100 kV是特高壓直流輸電工程中的全新電壓等級，伴隨電壓等級的提升，系統(tǒng)過電壓水平也相應(yīng)有了顯著的提高，空氣凈距大幅增加。出于對運(yùn)檢人員人身安全的考慮，1 100 kV帶電設(shè)備對人的安全凈距應(yīng)按照理論放電概率為0的距離校核，即33 m。如果考慮戶內(nèi)直流場允許運(yùn)檢人員進(jìn)入，則會(huì)極大地增加建筑物的尺寸，造價(jià)高昂，同時(shí)由于巨大的空氣凈距要求使得運(yùn)檢人員無法靠近帶電設(shè)備。為了解決這一矛盾，提出了一種雙層屏蔽的護(hù)籠并闡述了其設(shè)計(jì)方案，基于這種護(hù)籠繼而提出了地面巡視走道、地面巡視小車等兩種巡檢方案，通過這些方案，使得運(yùn)行人員的安全要求得以滿足，同時(shí)大幅節(jié)省了±1 100 kV戶內(nèi)直流場的建造費(fèi)用。

±1 100 kV；戶內(nèi)直流場；安全凈距；雙層屏蔽籠；巡檢方案

0 引 言

±800 kV是迄今為止世界上已經(jīng)投運(yùn)的直流輸電工程的最高電壓等級。由于西電東送的實(shí)際需求，從西北的能源基地送電到東部負(fù)荷中心的距離已經(jīng)超過3 000 km,需要建設(shè)更高電壓等級的直流輸電工程,±1 100 kV直流工程應(yīng)運(yùn)而生。

±1 100 kV 是直流輸電工程中的全新電壓等級，電壓等級的提高隨之而來的便是過電壓的大幅提高，針對過電壓的抑制與絕緣配合的優(yōu)化國內(nèi)已經(jīng)做過很多研究[1-5]，設(shè)備的絕緣水平基本確定。絕緣水平的提高帶來的是空氣凈距的增大，而空氣凈距的增大使得電極與大地之間的間隙更加趨近于棒-板間隙，而棒-板型的長間隙在操作波作用下顯現(xiàn)出非常顯著的飽和特性[7-10]，使得通過增大間隙長度獲得絕緣強(qiáng)度的效果減小。上述問題導(dǎo)致±1 100 kV換流站的直流空氣凈距很大。

考慮到所述的這些不利影響，將±1 100 kV換流站的直流場建設(shè)在戶內(nèi)，排除淋雨等不利環(huán)境的影響，通過優(yōu)化電極形狀，提高間隙系數(shù)，可以較大幅度地減小設(shè)備空氣凈距，從而減輕設(shè)備設(shè)計(jì)制造難度，提高設(shè)備可靠性。但是建設(shè)戶內(nèi)直流場會(huì)帶來土建費(fèi)用的大幅增加，并增加額外的穿墻套管等設(shè)備投入，因此必須優(yōu)化戶內(nèi)直流場的設(shè)計(jì)。

下面依托準(zhǔn)東—華東±1 100 kV特高壓直流輸電工程進(jìn)行研究。該工程采用戶內(nèi)直流場，戶內(nèi)直流場設(shè)計(jì)從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)必須壓縮建筑物的尺寸。根據(jù)工程成套設(shè)計(jì)研究結(jié)論，戶內(nèi)直流場設(shè)備帶電部分對直流場鋼結(jié)構(gòu)凈距按15 m考慮；但若考慮戶內(nèi)直流場允許運(yùn)行人員在帶電時(shí)進(jìn)入巡檢，則帶電部分對人應(yīng)滿足33 m的凈距要求，這將極大地增加戶內(nèi)直流場建筑物的尺寸，投資將大幅增加。針對這一矛盾，提出了空中巡視走道、地面巡視走道、巡視小車等3種基于雙層屏蔽籠的巡檢方案。通過這些方案的實(shí)施，滿足了運(yùn)行人員的運(yùn)檢需求，同時(shí)兼顧了工程建設(shè)的可行性，大幅節(jié)省了工程投資。

1 ±1 100 kV戶內(nèi)直流場對人員的安全凈距選取以及帶來的問題

空氣間隙的放電特性是隨機(jī)的，對于某一給定間隙，當(dāng)電壓波形給定時(shí)，間隙的放電概率P是電壓峰值U的函數(shù)[11-12]。通常認(rèn)為概率P(U)是服從高斯累積分布的，而實(shí)際上這種假設(shè)是沒有物理依據(jù)的，僅僅是因?yàn)槠渑c實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。眾所周知，當(dāng)電壓峰值低于某一臨界值時(shí)，放電是一定不會(huì)發(fā)生的，而高斯累積分布恰恰不能描述這個(gè)特性，如果按照高斯累積分布，不管電壓多低，放電的發(fā)生與否仍然是個(gè)概率事件。因此根據(jù)IEC 60071-2中的建議，對過電壓和自恢復(fù)絕緣的破壞性放電都是用韋布爾概率分布，其特點(diǎn)是能體現(xiàn)放電概率的截?cái)唷?/p>

±1 100 kV準(zhǔn)東—華東特高壓直流輸電工程是世界首次建設(shè)并將投入運(yùn)營的直流輸電工程，工程可靠性極為重要。對于人身安全，按照萬無一失的原則考慮。一般來說韋布爾概率分布的截?cái)嘀翟?～5,即認(rèn)為

P(U50(1-5σ)=0

(1)

那么此時(shí)設(shè)定設(shè)備的操作沖擊耐受電壓(SIWV)為Uw，空氣間隙對應(yīng)的棒-板間隙的放電電壓為U50RP，則在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下，有式(2)：

(2)

眾所周知，對于長間隙(間隙長度大于5 m)，其擊穿電壓與波前時(shí)間有關(guān)而與波尾時(shí)間無關(guān)。對于某一給定間隙，其擊穿電壓與波前時(shí)間呈現(xiàn)“U”型曲線關(guān)系，在某一波前時(shí)間Tc(稱為臨界波前時(shí)間)下?lián)舸╇妷河凶钚≈?。在以往工程中，由于電壓等級還不夠高，操作沖擊的臨界波前時(shí)間恰好與標(biāo)準(zhǔn)波吻合。然而，±1 100 kV直流工程的操作過電壓波形呈現(xiàn)長波頭的特性，其臨界波前時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)波的波前時(shí)間相去甚遠(yuǎn)，因此根據(jù)IEC 60071-2，采用臨界波空氣間隙計(jì)算，可采用以下公式：

U50RP=1 080ln(0.46d+1)

(3)

式中：U50RP為正極性電壓峰值，kV；d為間隙長度。

±1 100 kV換流站直流場極線設(shè)備Uw=2 100 kV，根據(jù)式(2)～式(3)，計(jì)算出的帶電設(shè)備對人員的空氣凈距值為33 m?？紤]到33 m是一個(gè)極大的值，電極與人之間的間隙按棒-板間隙考慮是合理的。

若±1 100 kV戶內(nèi)直流場的運(yùn)檢安全距離按照前面所述的安全凈距控制，將帶來以下問題：

1)將巡檢人員限制在離被巡視的電氣設(shè)備外，使得他們難以近距離觀察電氣設(shè)備；

2)按33 m的安全凈距，將運(yùn)檢人員的巡視通道考慮到戶內(nèi)，將極大地增加戶內(nèi)直流場的體積，帶來巨大的額外投資。

2 ±1 100 kV戶內(nèi)直流場雙層屏蔽籠設(shè)計(jì)

針對上述問題，提出一種屏蔽籠設(shè)計(jì)。該屏蔽籠由雙層金屬網(wǎng)架構(gòu)成，兩層之間采用絕緣子支撐并分別良好接地。其示意圖如圖1所示。

圖1 雙層屏蔽籠設(shè)計(jì)示意圖

這種屏蔽籠的設(shè)計(jì)意圖在于，外層屏蔽籠良好接地時(shí)相當(dāng)于大地；而前面已經(jīng)敘述，1 100 kV電氣設(shè)備對地的空氣間隙取值只需13 m。因此，如果外層屏蔽籠的高度低于設(shè)備鋼支架的高度，則屏蔽籠就可以緊貼設(shè)備布置，如圖2所示。

這樣的布置方式可以讓巡視人員得以接近設(shè)備底部，使得近距離觀察設(shè)備與儀表成為可能。

另外，內(nèi)層屏蔽籠的設(shè)置是為了防止人員被外層屏蔽籠的電弧所灼傷。

目前，根據(jù)中國電科院的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論，內(nèi)外層屏蔽籠的間距取20 cm，內(nèi)外屏蔽籠在不同接地方式下，至少外屏蔽籠有效接地時(shí)，內(nèi)屏蔽籠內(nèi)屏蔽效果良好。

圖2 雙層屏蔽籠緊貼設(shè)備布置示意圖

3 采用雙層屏蔽籠的巡視走道方案

現(xiàn)應(yīng)用雙層屏蔽籠，提出一種戶內(nèi)直流場的巡視走道方案。

戶內(nèi)巡視走道的設(shè)置原則是由兩點(diǎn)因素決定的，即運(yùn)行維護(hù)的工作項(xiàng)目需求以及設(shè)備帶電部分到巡視走道籠子的最小空氣凈距。設(shè)備帶電部分到巡視走道的最小空氣凈距決定了法拉第籠和整個(gè)戶內(nèi)直流場的設(shè)備高度。根據(jù)瑞典ABB公司研究推薦：戶內(nèi)直流場最小空氣凈距可取13 m。由于目前1 100 kV的設(shè)備干弧距離都滿足了13 m 的要求，因此原則上只需將巡視走道的法拉第籠高度低于鋼支架的高度(2.5 m)即可滿足要求。這樣，戶內(nèi)直流場在增加巡視走道的情況下，不會(huì)抬高直流場電氣設(shè)備高度。

由于運(yùn)檢單位有打開端子箱查看等需求，且當(dāng)運(yùn)檢人員打開端子箱時(shí)，其雙手仍然不允許暴露在屏蔽籠外。因此在設(shè)計(jì)巡視走道時(shí)，地面巡視走道經(jīng)過具有端子箱(操作箱)的設(shè)備支架底部時(shí)，應(yīng)該制作一個(gè)小型的T型支路(如圖3所示)，將設(shè)備端子箱罩起來，使得運(yùn)維人員得到保護(hù)。

圖3 巡視走道T型支路示意圖

按照上述原則，戶內(nèi)直流場內(nèi)巡視走道的布置如圖4所示。

圖4 戶內(nèi)直流場巡視走道布置圖

4 采用雙層屏蔽籠的巡視小車道方案

由于巡視走道位于地面，對電氣設(shè)備安裝及檢修時(shí)車輛的進(jìn)出有所阻礙，即使按可拆卸的屏蔽籠方案考慮，仍然很不方便。現(xiàn)提出一種巡視小車的方案。巡視小車原則上講是一個(gè)法拉第籠，運(yùn)檢人員被屏蔽在金屬籠內(nèi)，金屬籠做成可移動(dòng)的小車。該方案實(shí)際操作時(shí)有兩個(gè)較為關(guān)鍵的點(diǎn)：

1)必須保證移動(dòng)過程中巡視小車的良好接地；

2)解決小車轉(zhuǎn)向的相關(guān)問題。

考慮人坐在小車中操作，不必站立，則巡視小車法拉第籠的高度可以壓縮到1.6 m，加上小車底座的動(dòng)力部分，仍可以保證整體高度不超過2.3 m。

為了保證小車良好的屏蔽作用，保護(hù)人身安全，必須要求小車接地[13-15]時(shí)時(shí)刻刻都是可靠的。因此首先巡視小車的接地必須是一種專門的裝置，比如在地面設(shè)置專門的接地軌道；其次應(yīng)保證接地裝置與巡視小車良好接觸。因此推薦巡視小車采用固定軌道方案，保證巡視小車按照預(yù)定路線行進(jìn)，因?yàn)闈L動(dòng)接觸是不可靠的，要設(shè)置專門的接地裝置，確保與小車可靠接觸。

巡視小車若按前面所述采用軌道車，接地方式可以按照城市軌道交通接觸軌加“集電靴”的方式進(jìn)行[16-17]。軌道交通在速度不高的情況下可以采用接觸軌(第三軌道)供電，圖5是城市地鐵的接觸軌示意圖。

接觸軌即為軌道列車的供電軌道，接觸軌與機(jī)車之間通過集電靴進(jìn)行連接。集電靴又名受流器、三軌受流器(collector shoe)，是指安裝在地鐵輕軌等列車的轉(zhuǎn)向架上，為列車從剛性供電軌(第三軌)進(jìn)行動(dòng)態(tài)取流(采集電流)，滿足列車所有電力需求的一套動(dòng)態(tài)受流設(shè)備。集電靴的示意圖如圖6所示。

圖5 城市地鐵接觸軌示意圖

圖6 接觸軌及集電靴示意圖

圖6中所示的是集電靴的下接觸方式，即集電靴與接觸軌的接觸面在接觸軌的下表面，在實(shí)際工程應(yīng)用中，也有很多采用上接觸的案例。

由于接觸軌加集電靴的方式在中國地鐵中已有廣泛應(yīng)用，已經(jīng)被實(shí)際工程多次檢驗(yàn)，可見這是有效的供電方式，當(dāng)然也說明集電靴完全可以保證在速度不太高時(shí)(時(shí)速130 km以下)與接觸軌良好電氣接觸。因此在戶內(nèi)巡視小車的設(shè)計(jì)中，可以采用將巡視小車的法拉第籠通過集電靴與一條類似接觸軌的“接地鋼軌”完成接地。實(shí)際操作中并不需要增加鋼軌數(shù)量，只需利用其中一條鋼軌作為接地軌即可。

巡視小車的運(yùn)行鋼軌與接地軌均可以采用下沉式安裝，即鋼軌的上表面基本與地面平齊，巡視小車的法拉第籠通過集電靴經(jīng)接地軌接地，集電靴與接地軌采用上接觸方式。

下面討論巡視小車的運(yùn)行路徑問題。由于采用了接地軌，因此巡視小車運(yùn)行系統(tǒng)的寬度有所增加，受特制的運(yùn)行鋼軌與集電靴的尺寸參數(shù)限制，現(xiàn)在規(guī)劃一條4 m寬的通道供巡視小車鋪設(shè)軌道。同時(shí)，根據(jù)運(yùn)檢需求，巡視小車不可避免地需要多次直角轉(zhuǎn)向，而對于軌道本身來說直角轉(zhuǎn)彎是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，必須引入轉(zhuǎn)向平臺實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向。帶轉(zhuǎn)盤式電動(dòng)軌道小車系統(tǒng)是一種能夠滿足任何弧線軌道運(yùn)行的特殊軌道車輛系統(tǒng)，這種系統(tǒng)需要在軌道轉(zhuǎn)角處加裝電動(dòng)轉(zhuǎn)盤，用以滿足巡視小車在戶內(nèi)直流場內(nèi)的直角轉(zhuǎn)向需求。安裝在軌道轉(zhuǎn)彎處的電動(dòng)轉(zhuǎn)盤依靠下方的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且在電動(dòng)轉(zhuǎn)盤上方裝設(shè)有紅外限位器，用以保證電動(dòng)小車運(yùn)行至轉(zhuǎn)盤上方時(shí)候能夠準(zhǔn)確停留在轉(zhuǎn)盤上側(cè)。圖7展示了轉(zhuǎn)向平臺。

圖7 轉(zhuǎn)向平臺示意圖

將巡視小車長度暫定為4 m，考慮轉(zhuǎn)向平臺直徑為6 m，軌道的布置路徑可以按照圖8布置。

圖8 巡視小車軌道路徑示意

如果在小車內(nèi)的人要對機(jī)構(gòu)箱進(jìn)行操作，那么在機(jī)構(gòu)箱的位置仍然需要設(shè)計(jì)屏蔽籠，供人下車進(jìn)籠操作。

5 巡視走道與巡視小車道方案的比較

將所提出的基于雙層屏蔽籠的地面巡視走道方案以及巡視小車方案對比如下：

地面巡視走道方案可以接近每一個(gè)設(shè)備，可以滿足運(yùn)維檢修各項(xiàng)目的要求。在設(shè)計(jì)制造方面，由于閥廳空中巡視走道的成功經(jīng)驗(yàn)，使得地面屏蔽籠的制造不存在問題。但是其缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在屏蔽籠對室內(nèi)空間構(gòu)成了阻礙，具體說來：首先，在檢修時(shí)，吊裝設(shè)備進(jìn)入直流場，需要拆卸部分走道；另外，戶內(nèi)直流場需要設(shè)置多處消防設(shè)備，地面巡視走道影響了消防設(shè)備的布置，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)也會(huì)影響救援的靈活性。

巡視小車方案相對靈活，可以滿足運(yùn)檢的要求，將軌道與地平面平齊也可以方便檢修車輛進(jìn)入不需要拆卸。但是巡視小車方案將面臨來自小車本身設(shè)計(jì)制造上的一些挑戰(zhàn)。這主要體現(xiàn)在：1)由于小車必須通過一些T形甚至十字形的路口，如果不用轉(zhuǎn)向盤是難以實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)向的，這就需要設(shè)置大量的轉(zhuǎn)向盤，代價(jià)高，且轉(zhuǎn)向盤的可靠性是一個(gè)令人擔(dān)憂的問題；2)即使不采用軌道車，而是采用普通車通過接地鋼軌接地，轉(zhuǎn)向時(shí)如何一直保證可靠接地仍然是個(gè)問題，尤其是碰到T型路口時(shí)；3)國內(nèi)廠家從來沒有設(shè)計(jì)制造該類小車的經(jīng)驗(yàn)，由設(shè)計(jì)院所做概念設(shè)計(jì)并不足以支撐小車的實(shí)際制造，因此廠家是否具備制造能力以及制造出的小車是否可靠都存在問題。因此需進(jìn)一步研究。

綜上，巡視走道現(xiàn)階段是一種更為可行的方案，可以在工程實(shí)踐中推廣。

6 結(jié) 論

為了減少±1 100 kV換流站戶內(nèi)直流場巡檢時(shí)電氣設(shè)備對人身安全凈距要求過大的問題，提出并闡述了一種雙層屏蔽籠的設(shè)計(jì)方案，并基于此屏蔽籠，提出了應(yīng)用于戶內(nèi)直流場的地面巡視走道以及巡視小車方案。應(yīng)用這些方案，可以滿足運(yùn)行人員的巡檢要求，同時(shí)可以極大地壓縮戶內(nèi)直流場的尺寸。

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包維瀚(1989)，工學(xué)碩士、工程師，從事?lián)Q流站絕緣配合與接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作；

郭賢珊(1972)，工學(xué)碩士、高級工程師,長期從事直流換流站技術(shù)管理、高電壓研究相關(guān)方面的工作；

丁曉飛(1975)，工學(xué)學(xué)士、高級工程師，從事變電站電氣設(shè)計(jì)工作；

駱 玲(1986)，工學(xué)碩士，從事變電站電氣設(shè)計(jì)工作；

付 穎(1983)，工學(xué)碩士、高級工程師,長期從事直流換流站技術(shù)管理、成套設(shè)計(jì)相關(guān)方面的工作。

±1 100 kV is a new voltage level for HVDC transmission projects. Along with the rising of voltage level, overvoltage level is increased significantly, which brings a sharp rise of air clearance. For the sake of the operators′safety, the air clearance between the electrode and human body should be guaranteed to be 0 according to the theoretical discharge probability, that is, 33m. Therefore, if operators are admitted to enter the indoor DC field, a tremendous dimension is required for the building, which brings huge cost, and meanwhile, it is not convenient to observe the equipment from far away. In order to solve this problem, a double layer shielding cage is proposed, and its design structure is illustrated. Based on this cage, two inspection schemes are proposed, namely the aisle scheme and rail car scheme. The application of these schemes satisfies the work requirements of the operators and spares the cost of the construction.

±1 100 kV; indoor DC field; air clearance; double layer shielding cage; inspection scheme

科技項(xiàng)目：國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(GWJYYKJXM[2014]002)

TM85

A

1003-6954(2017)03-0026-05

2017-01-15)