高壓柔性直流換流站控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

鄧柱鋒

摘要：柔性直流輸電因其在新能源并網(wǎng)方面具有特殊優(yōu)勢(shì)，近年來在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅速。柔性直流換流站作為該技術(shù)的核心，研究其平面布置優(yōu)化，對(duì)減少占地面積和投資成本具有重大意義。針對(duì)超高壓柔性直流換流站換流區(qū)的平面布置，提出換流變閥側(cè)匯流母線采用高位跨線布置于主變防火墻聯(lián)合構(gòu)架上、啟動(dòng)回路區(qū)開關(guān)設(shè)備采用HGIS（混合式氣體絕緣組合電器）、橋臂電抗采用二合一油浸式穿墻伸入閥廳內(nèi)的優(yōu)化方案，減少了換流站的占地面積，提高了圍墻內(nèi)的用地系數(shù)，對(duì)柔性直流換流站的設(shè)計(jì)和工程建設(shè)具有參考意義。

關(guān)鍵詞：高壓柔性直流換流站;控制保護(hù)系統(tǒng);設(shè)計(jì)與研究

引言

柔性直流輸電的送端、受端均可與弱電網(wǎng)或無源電網(wǎng)連接，運(yùn)行方式靈活，非常適合風(fēng)電和光伏等新能源的大規(guī)模匯集和送出。柔直換流站內(nèi)復(fù)雜的控保系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、換流閥及換流變的冷卻系統(tǒng)等均離不開站用電系統(tǒng)的交直流供電。與常規(guī)變電站相比，柔直換流站的站用電系統(tǒng)具有規(guī)模大、容量大、供電分散、可靠性要求高等特點(diǎn)。柔直換流站站用電系統(tǒng)均配置有備自投功能，以提高站用電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，與常規(guī)變電站配置獨(dú)立備自投裝置不同，換流站備自投功能集成在站用電控制系統(tǒng)中，因此備自投功能受站用電控制主機(jī)程序影響，考慮不全面就可能造成備自投裝置誤動(dòng)，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

1換流變區(qū)

換流變按照結(jié)構(gòu)可分為三相三繞組、三相雙繞組、單相三繞組和單相雙繞組。對(duì)于容量較小的柔性直流輸電工程，可采用三相換流變，在換流變內(nèi)部實(shí)現(xiàn)閥側(cè)繞組星形或三角形聯(lián)結(jié)，變壓器制造工藝成熟，每臺(tái)換流變?cè)陂y側(cè)僅3個(gè)出線套管，如南匯和舟山柔性直流輸電工程。對(duì)于大容量柔性直流輸電工程，一般采用單相雙繞組換流變，每臺(tái)換流變閥側(cè)有2個(gè)套管出線，需要在換流變外完成繞組星形或三角形接線。單相三繞組多用于單極12脈動(dòng)接線的直流輸電工程，換流變閥側(cè)1組繞組需接成星形，另1組接成三角形，目前還少有工程應(yīng)用?！?50kV柔性直流工程輸送容量較大，換流變采用單相雙繞組結(jié)構(gòu)，閥側(cè)套管需通過匯流母線連成三角形。常規(guī)接線方案中，閥側(cè)常采用三相支撐式匯流管母平行布置，換流變閥側(cè)套管通過支撐絕緣子跨接至匯流管母，完成三角形接線。此方案接線靈活，可適應(yīng)不同接線組別。但換流變閥側(cè)B/A相出線需同時(shí)對(duì)散熱片校核3m、對(duì)C相管母校核4m，其只能從2個(gè)安全距離校核線的夾縫中穿過，需設(shè)置一列額外的支撐式支柱絕緣子助其過渡，增加了換流區(qū)的長(zhǎng)度?？紤]三相平行布置的管母間至少間距5m，初步布置下來，常規(guī)方案換流變區(qū)的長(zhǎng)度為36.5m。考慮到常規(guī)方案中換流變閥側(cè)出線匯流困難，可考慮將三相支撐式匯流管母改為高位跨線，雖然遠(yuǎn)處的A/B相出線同樣需要支撐絕緣子過渡，但無須設(shè)置額外的過渡支撐絕緣子。此外，三相匯流采用高位跨線后，可不受散熱片的空間限制，進(jìn)一步朝換流變網(wǎng)側(cè)移動(dòng)，充分利用換流變正上方空間?？紤]風(fēng)偏的影響，C相跨線到構(gòu)架梁控制在5m，相鄰跨線間距控制在7m，整個(gè)換流變區(qū)的長(zhǎng)度可優(yōu)化為33m。

2換流站技術(shù)監(jiān)督信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

特高壓直流輸電系統(tǒng)的核心為換流站，特高壓換流站實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換的核心元件是換流閥，正常工況下通態(tài)平均電流高達(dá)3750A，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生大量熱量。閥冷系統(tǒng)是換流站最重要的輔助系統(tǒng)，若閥冷系統(tǒng)運(yùn)行異常，不僅易引起閥片損壞，而且可導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)發(fā)生閉鎖事故，嚴(yán)重影響影響設(shè)備安全和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。換流站閥冷系統(tǒng)正常運(yùn)行后的日常運(yùn)維及技術(shù)監(jiān)督顯得尤為重要。換流閥為換流站的核心設(shè)備，其在運(yùn)行中通過的大電流會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，會(huì)導(dǎo)致晶閘管和電抗器等閥組件元件的溫度上升，這就需要有閥水冷卻系統(tǒng)對(duì)換流閥進(jìn)行冷卻，因此閥水冷系統(tǒng)是一個(gè)換流站內(nèi)最核心、技術(shù)含量最高、造價(jià)也最昂貴的部分。換流閥運(yùn)維狀況的好壞關(guān)系著換流站運(yùn)行的質(zhì)量與安全。國(guó)內(nèi)所有換流站的閥水冷系統(tǒng)均由閥內(nèi)冷系統(tǒng)和閥外冷系統(tǒng)兩部分組成。閥內(nèi)冷系統(tǒng)是一個(gè)密閉的循環(huán)系統(tǒng)，它通過冷卻介質(zhì)的流動(dòng)帶走換流閥產(chǎn)生的熱量。從大方面分，閥內(nèi)冷水系統(tǒng)可以分為主水回路和水處理回路兩部分。實(shí)際工程中區(qū)分的更細(xì)致，一般將閥內(nèi)冷水系統(tǒng)拆分為以下幾個(gè)部分：主循環(huán)冷卻回路、水處理回路、氮?dú)夥€(wěn)壓回路和換流閥冷卻回路。結(jié)合換流站運(yùn)行情況、閥冷卻系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和影響閥冷卻系統(tǒng)正常工作的主要因素，開發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)重點(diǎn)對(duì)閥冷卻系統(tǒng)的水質(zhì)和垢樣數(shù)據(jù)進(jìn)行信息管理，水質(zhì)包括內(nèi)冷水、外冷水、SVC系統(tǒng)等各類水樣的檢測(cè)指標(biāo)、檢測(cè)類別、檢測(cè)時(shí)間等，垢樣主要是閥冷系統(tǒng)電極結(jié)垢情況進(jìn)行監(jiān)督信息管理，包括形貌、元素分析等，保存歷年歷次的分析數(shù)據(jù)，便于閥冷系統(tǒng)的監(jiān)督、運(yùn)維工作。同時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)換流站內(nèi)涉及的工業(yè)水、調(diào)相機(jī)化學(xué)水、外排廢水的數(shù)據(jù)均進(jìn)行管理，對(duì)站內(nèi)主設(shè)備的振動(dòng)、噪聲、直流合成場(chǎng)強(qiáng)、工頻電磁場(chǎng)、絕緣油、六氟化硫氣體、污穢等重要且關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行管理。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)換流站閥冷系統(tǒng)重要水質(zhì)資料及站區(qū)主要設(shè)備的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、歷年數(shù)據(jù)的對(duì)比、各類數(shù)據(jù)和報(bào)告的保存，為換流站安全穩(wěn)定運(yùn)行提供數(shù)據(jù)保障。

3運(yùn)行維護(hù)策略

為做好蓄電池日常運(yùn)行維護(hù)，避免因維護(hù)不到位造成蓄電池的非正常容量衰減，主要采取如下運(yùn)維措施。（1）做好蓄電池組的初充電及交接驗(yàn)收試驗(yàn);每組蓄電池投運(yùn)前均要抽樣進(jìn)行蓄電池解剖，合格后方可投運(yùn)。（2）針對(duì)不同廠家蓄電池性能要求，優(yōu)化蓄電池的浮充、均充電壓，保證電池的最佳運(yùn)行電壓和運(yùn)行狀態(tài)，防止長(zhǎng)期欠充或過充電。（3）做好蓄電池室環(huán)境溫度和濕度的維護(hù)控制，確保溫度控制在25℃，濕度控制在合理范圍內(nèi)，避免因溫度過高，使得蓄電池組壽命下降。（4）蓄電池核對(duì)性充放電試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)避免蓄電池長(zhǎng)時(shí)間脫離直流母線或充電機(jī)空置，及時(shí)對(duì)已進(jìn)行放電試驗(yàn)的蓄電池充電，防止極板活性物質(zhì)結(jié)晶，逆反應(yīng)失敗。（5）嚴(yán)格按照定檢周期對(duì)蓄電池組開展核對(duì)性放電試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做好數(shù)據(jù)歸檔和趨勢(shì)分析，根據(jù)蓄電池放電數(shù)據(jù)有針對(duì)性的加強(qiáng)日常巡視，并適當(dāng)調(diào)整放電試驗(yàn)周期，確保準(zhǔn)確及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池容量不足或滲液、漏液?jiǎn)栴}，并及時(shí)更換。（6）對(duì)蓄電池巡檢參數(shù)按照直流系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行整定，確保定值合理，可準(zhǔn)確可靠反映蓄電池組的運(yùn)行情況。（7）蓄電池極柱接線處線耳與巡檢儀壓接后，再用熱縮管包裹，加大拉伸韌度，降低機(jī)械應(yīng)力或人為拉扯造成斷線的風(fēng)險(xiǎn)。（8）蓄電池單體電壓采集線采用低阻抗的一體式保險(xiǎn)盒，保證蓄電池電壓采集正確?？紤]從低壓直流母線處接取蓄電池電壓巡檢儀的電源，減少蓄電池出口處負(fù)載。（9）根據(jù)日常消缺情況及時(shí)采購(gòu)備品，調(diào)整并修編蓄電池、蓄電池巡檢裝置、蓄電池巡檢模塊、蓄電池采樣線的備品定額，確保儲(chǔ)備足夠數(shù)量的備品。（10）修編蓄電池組特巡指導(dǎo)書，重點(diǎn)開展電池殼體、電池極柱、電池導(dǎo)軌/電池架、蓄電池間連接導(dǎo)體緊固程度檢查，蓄電池內(nèi)阻、電壓的檢查、測(cè)試工作，并按照年度運(yùn)維策略進(jìn)行專業(yè)巡維。（11）將故障頻繁的蓄電池設(shè)備的巡檢周期調(diào)整至更高頻次。在基建階段把好設(shè)備質(zhì)量關(guān)，在技術(shù)規(guī)范上對(duì)產(chǎn)品性能、使用壽命等技術(shù)參數(shù)提出更高要求。通過電力企業(yè)在直流電源系統(tǒng)蓄電池相關(guān)技術(shù)規(guī)范或招標(biāo)技術(shù)規(guī)范書中嚴(yán)格制定對(duì)蓄電池使用壽命的要求，從源頭和政策上，提高廠家生產(chǎn)的蓄電池質(zhì)量，改善目前蓄電池使用壽命偏短的狀況。

結(jié)語(yǔ)

整改和優(yōu)化的站用電控制系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試無誤后投入使用，避免了類似事故的發(fā)生，提高了站用電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平，為柔性直流換流站的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓亮，白小會(huì)，陳波，等.張北±500kV柔性直流電網(wǎng)換流站控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力建設(shè)，2017，38（3）：42-47.