張北工程柔直閥廳布置方案探討

■ 福建永福電力設計股份有限公司 彭花娜

國家電網有限公司 周楊

國網北京經濟技術研究院有限公司 于洋

引言

閥廳區(qū)域作為換流站的核心區(qū)域，其布置需結合工程特點、電氣主接線方案、檢修運維便利等方面進行綜合考慮。張北柔性直流電網[1]工程首次采用“半橋MMC[2]+直流斷路器”的技術方案，為節(jié)約造價，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停電工況，閥廳進人檢修時存在閥廳部分停電、部分帶電區(qū)域。本文對閥廳電氣布置方案[3]進行深入分析探討，以期為同類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)模風電、光伏、儲能、抽蓄等多種形態(tài)能源的多端柔性直流電網，一期為四端，遠景為七端。一期采用“手拉手”環(huán)形接線方式，系統(tǒng)電壓±500kV，包括張北、康保兩個送端換流站（接入風電、光伏等新能源），輸送容量分別為3000MW、1500MW。北京一個受端換流站，輸送容量為3000MW；豐寧一個調節(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]需要結合工程特點、電氣主接線方案、檢修運維便利等方面進行綜合考慮。

工程特殊要求

同閥廳布置要求：張北工程為具有網絡特性的柔性電網，具備故障穿越能力，故障穿越過程中要求直流功率傳輸不能中斷，因此，設備采用“半橋MMC+直流斷路器”的技術方案。當閥塔、直流斷路器分為閥廳/直流斷路器廳布置時，極線、中性線需設置直流穿墻套管連接，雙極增加2支極線、2支中性線套管，設備造價約增加1000萬元；設置不同廳，建筑縱向尺寸需相應增加6m，建筑面積增加約1020m2，建筑物門、風淋間通道需分開設置，按該工程閥廳土建綜合單價7300元/m2，預估土建費用增加約750萬元。

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)域中間設置不封閉的山墻，使二者可共用建筑物進、出口以及閥廳通道等設施，同時避免增設兩廳連接的極線、中性線套管。

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

換流變脫開閥廳布置要求：該工程換流變采用單相、自耦、三繞組、油浸、風冷電力變壓器，交流啟動回路（含啟動電阻、隔離開關、啟動電阻回路斷路器、電流測量裝置等設施）設置于換流變閥側，同時設置有閥側斷路器，均采用敞開布置，因此換流變與閥廳為脫開布置。雙極分別對應兩組換流變，換流變采用一字形布置，通過橋臂電抗器與閥廳內基本單元連接。

一廳對一樓設置要求：該工程雙極接線，共設置2座閥廳。通過比較，采用兩廳對一樓方案時，控制樓端部受閥外冷設施布置影響，運維條件較差，噪聲控制不理想，且中性線設備、金屬回線設備較難布置。為此，該工程采用一廳對一樓布置方式，以創(chuàng)造較好的運維條件。

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，實現(xiàn)直流系統(tǒng)故障自清除。

電氣主接線采用對稱真雙極接線，分兩極，每1極由上下橋臂各1個MMC換流器組成，1極發(fā)生故障后，非故障相可進行功率轉帶?？紤]到直流斷路器關斷能力，同時為減少設備投資，直流部分采用簡化單母線接線，每站本期裝設2臺直流母線快速開關和4臺直流斷路器。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IEC標準對氣象條件（海拔、溫度、濕度）等進行修正。

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標準中的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為臨界沖擊閃絡電壓水平；

L為最小空氣放電距離，δ為相對空氣密度；

k為由絕對濕度與相對空氣密度共同確定的一個修正系數(shù)。

閥廳內環(huán)境：張北工程閥廳條件根據下述氣象條件組合進行空氣凈距的計算：

（1）40℃空氣溫度、25%的相對濕度；

（2）50℃空氣溫度、10%的相對濕度；

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

按DL/T 5426-2009中6.9.7.2計算最小空氣間隙，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%，通過軟件進行閥廳凈距迭代計算，柔性直流閥廳內絕緣水平及空氣凈距取值如表1所示。

表1 閥廳內空氣凈距表

閥廳尺寸確定

為節(jié)約造價，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停電工況。閥廳進人檢修時，存在閥廳部分停電、部分帶電區(qū)域。設計考慮在閥塔區(qū)域、直流斷路器區(qū)域之間設置山墻，同時將直流斷路器按單元設置，直流斷路器之間設置隔墻。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：結合該工程閥組接線和換流變壓器選型，采用2個半橋式模塊化多電平換流器（MMC）的基本單元串聯(lián)而成，每個基本單元安裝在一個閥廳內，全站共設置2座閥廳，采用緊鄰布置，主控樓和輔控樓分列閥廳兩側。

每座閥廳內設置2個基本單元連接，每個基本單元有三相，每相上下兩個橋臂，每個閥廳共6個橋臂并列布置，分成6排布置，張北工程除康保換采用ABB設備，每個橋臂由4個閥塔串聯(lián)組成、單套換流閥共計24座閥塔外，其余站均采用國產設備，每個橋臂由2個閥塔串聯(lián)組成，單套換流閥共計12座閥塔。

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

根據前文計算，閥廳內橋臂間布置距離不小于5m，考慮到一定裕度同時綜合換流區(qū)域啟動回路設備布置，按閥廳橋臂間中心線布置尺寸為12m取值。同時考慮閥廳采用“鋼排架柱+鋼網架”結構體系，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，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為支撐式，便于安裝中性線設備。中性母線及中性母線設備沿閥廳側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置，當不設置隔墻時，直流斷路器之間的距離主要考慮不同時停電檢修時的距離，按5倍標偏進行閥廳凈距計算為7.81m，取值8m。檢修車及人的活動區(qū)域范圍按5m考慮，兩臺直流斷路器之間的凈距應不小于13m。單臺直流斷路器按限定長×寬×高為18m×9m×15.5m，則兩臺并列布置的直流斷路器之間中性線中心距離應為22m。

當設置隔墻時，直流斷路器之間的距離為單臺直流斷路器寬度+直流極線相對地凈距取值5m×2+隔墻厚度0.5m=19.5m，取值20m，邊相考慮暖通設施布置空間，取值按21m，比不設置隔墻可有效減少閥廳橫向布置尺寸6m。經與運行單位充分溝通，增加隔墻使得帶電運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。

直流啟動電阻區(qū)域設備（WP-Q13、IDR、T1）僅在直流啟動方式下帶電，正常時不帶電；直流母線快速開關回路（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置隔離設施，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接構件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×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圖見圖3。張北工程單座閥廳電氣布置詳圖見圖4。

圖3 張北工程兩座閥廳布置簡圖

圖4 張北工程單座閥廳布置詳圖

結論

本文通過對張北工程閥廳電氣布置方案進行深入分析探討，得出以下結論：

張北工程首次采用“半橋MMC+直流斷路器”的技術方案，閥廳閥塔、直流斷路器采用同閥廳布置，比分別設置閥廳、直流斷路器廳方案，節(jié)省造價約1750萬元。

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停電工況，通過設置山墻、閥廳通道隔墻、直流斷路器隔墻，使二者在不同時停電檢修時，實現(xiàn)最小停電區(qū)域單元分隔，檢修時可滿足閥廳進人條件。

通過分析，張北工程單座閥廳長×寬×高取值為85m×96m×22m，兼顧布置合理、運維方便，同時具有較好的經濟性。