交流耗能裝置安裝調(diào)試技術的研究與運用

安徽送變電工程有限公司 周本立 胡文華

1 研究背景

張家口的新能源資源非常豐富，但從整體層面上看當?shù)貙τ谀茉吹南{能力并不理想，北京、天津和唐山與張家口相毗鄰，3個地區(qū)的人口密度都較大，在用電的要求上都較高，然而由于其沒有很好的開發(fā)條件，故而對張家口地區(qū)新能源表現(xiàn)出較強烈的需求，大范圍、高效地送出張家口的新能源有著不容忽視的積極意義。對于張家口而言，其當已完成并投入運行的壩上“三站四線”網(wǎng)架結構（2015年開始投運，可達到最大1900MW送出功率）并不能從完全意義上將所用過剩的新能源送出到需要的地區(qū)，針對這一實際情況，2018年張家口進行張北柔性直流輸電工程（張北工程）的建設。

張北工程建設過程中進行了四端互聯(lián)換流站網(wǎng)絡的建設，對張北、康保、北京及豐寧地區(qū)均有覆蓋，目前以全球首個將網(wǎng)絡特性彰顯出來的直流電網(wǎng)工程的形式而存在。此工程在接線方式上采用的是雙極對稱接線，接線過程中對6橋模塊化多電平電壓源換流器（MMC）加以運用，數(shù)量為2，兩個MMC分別被當作正極和負極，中間借助于金屬回線或接地極共同構成電流回路。

此種接地方式有較為理想的可靠性表現(xiàn)出來，還具備雙極運行和單級獨立運行的能力，就像是兩個相互獨立的環(huán)網(wǎng)一般，若其中某一級出現(xiàn)故障，可基于極控系統(tǒng)的支持讓處在正常狀態(tài)之下的一級在設備通流能力允許的條件下轉(zhuǎn)帶故障極功率，不過這種方式又有一定的可能導致非故障級過負荷問題的發(fā)生。若是輸電系統(tǒng)有孤島送端單級閉鎖狀況的出現(xiàn)，或是受端發(fā)生較為嚴重的異常，會阻礙電能的及時與有效外送，嚴重的甚至會造成非故障級線路以及設備的損壞。

為解決這一問題，將由于風電功率無法外送出去而導致的線路和設備損壞現(xiàn)象的發(fā)生率控制在最低水平，張北工程建設過程中創(chuàng)新性地對交流耗能裝置加以運用，將其作為一種控制投切設備，發(fā)揮出柔性直流電網(wǎng)吸收盈余功率的重要作用，該項目也是世界上首套大容量交流耗能裝置。對此交流耗能裝置的總思路進行分析，可大致作如下概括：

在有孤島送端單極閉鎖或是受端嚴重故障發(fā)生時，如出現(xiàn)風電功率不能順利外送狀況，通過電力電子器件在盡可能短的時間內(nèi)將大功率電阻投入交流系統(tǒng)中，發(fā)揮出對電網(wǎng)聚集能量進行有效耗散的重要作用，以此避免對換流閥等相關設備或線路造成的損壞。在對故障風險的有效應對上，交流耗能裝置發(fā)揮著不容忽視的重要作用，不過有一點需承認，盡管在進行電氣設計時交流耗能裝置將一定的性能裕度保留下來，但因運行環(huán)節(jié)有一個較快的速度，有一定的可能會導致線路上有暫態(tài)過電壓或電流出現(xiàn)，進一步引起超過裝置極限性能狀況的出現(xiàn)。所以在將裝置投入到實際的運行作業(yè)中之前，須從嚴格意義上做好對裝置及其安裝技術特點的分析工作，將最佳的施工工藝確定下來。

本文以康保換流站工程交流耗能裝置為例進行介紹。耗能裝置包括TCR閥組、負荷電阻、取能阻抗等設備組成，主要有毫秒級瞬時和秒級長時交流耗能策略。其中TCR閥組、取能阻抗為戶內(nèi)安裝，負荷電阻采用戶外安裝，耗能設備均為支撐式安裝，層間采用絕緣子剛性連接，這也是耗能裝置安裝精度控制重點設備。康保站地處我國高寒、多風沙地區(qū)，氣候條件增加了耗能閥安裝質(zhì)量的管控難度。且柔直換流站設備布局緊湊，作業(yè)空間狹小導致設備安裝效率低下，新能源及柔直故障多樣性、耗能策略不同使調(diào)試工作變得異常復雜。本文通過對大容量交流耗能裝置的安裝調(diào)試方法進行研究與探討，總結出其安裝調(diào)試經(jīng)驗，希望對以后類似電力設備安裝能有所幫助。

2 安裝環(huán)境控制

TCR閥組是柔性直流輸電的核心設備之一，主要是晶閘管元器件，內(nèi)部設置大量光板卡，其安裝和運行對環(huán)境要求極高。在TCR閥組安裝之前，將耗能室設置人員和設備分離通道，在人員出入口除塵過渡間內(nèi)設置出入登記臺、閘機、衣柜、鞋柜、安裝環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等設備，在設備入口設置和除塵機等設備，用于阻止外界風沙進入。

圖1 除塵過渡間整體布局

圖2 TCR閥組件組裝示意圖

在耗能室外側(cè)入口處設置專用拆箱區(qū)。設備開箱后需通過外部擦拭、清潔防護塑料薄膜再轉(zhuǎn)移到耗能室內(nèi)，保證設備的潔凈無塵；在TCR閥組件安裝之前，對室內(nèi)的地面、墻體、屋面底板和鋼結構進行清潔，地面應鋪設干凈、防塵防靜電地板革，每日開工前和工作完成后應使用吸塵器、拖布清掃地面，不得使用壓縮空氣、掃帚等引起灰塵飛揚的工具；通過空調(diào)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)耗能室溫度，保持微正壓，設置設備安裝環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和空氣顆粒物含量檢測裝置，可對耗能室安裝全過程實時監(jiān)控記錄，同時監(jiān)測安裝環(huán)境空氣顆粒物含量情況，確保安裝環(huán)境時時達標。

3 安裝

3.1 應用Creo軟件的三維可視化技術指導設備安裝

耗能閥塔零散部件眾多，組件編號繁瑣、施工環(huán)節(jié)繁多密集，依靠平面安裝圖無法直觀的理解物料使用部位，因此在進行現(xiàn)場安裝技術交流時會產(chǎn)生很多歧義。這時預先在Creo軟件上進行三維安裝模擬，將安裝過程以三維圖的展示方式展現(xiàn)出來，安裝時可直觀看到各零件的使用部位，避免了錯用或混用零件的情況發(fā)生。

圖3 閥塔部分零件模型

圖4 TCR閥塔整體圖

3.2 專用吊裝和轉(zhuǎn)運工具的運用

由于耗能閥組件和電阻箱吊點布置于設備四周的邊框上，如不采用框架式專用工具進行吊裝而采用吊索直接進行設備吊裝，將使設備受到吊裝索具向設備中心的夾緊力，從而造成設備受力損壞。專用吊裝工具含：一個吊裝框架，框架制作需用25號以上槽鋼或工字鋼二根疊加在一起構成田字型框架，在矩形框架內(nèi)適當加固，在四個拐角處各焊接3組吊點，根據(jù)不同設備尺寸來選擇吊點。上部吊索與下部吊索在起吊時對吊裝橫梁同時產(chǎn)生數(shù)對平衡力，即大小相等、方向相反及均勻作用在橫梁上，達到最佳受力承重結構。本現(xiàn)場制作的這套吊裝工具具有結構簡單、安全可靠、經(jīng)濟實用、節(jié)省材料、制作工作量小、適用范圍廣和可回收利用，并易于推廣等優(yōu)點（圖5）。

圖5 專用吊具安裝TCR組件

閥組件安裝單元重量重、尺寸大，如何將耗能閥組件快速的在耗能室內(nèi)轉(zhuǎn)運，安全、精準、高效的安裝于閥塔上，攻關小組針對閥組件自身結構特點和廠家共同研制專用轉(zhuǎn)運平臺（圖6），便于將開箱后的閥組件倒運至安裝位置附近進行地面組裝、吊裝等，同時也能將閥段精準就位于指定安裝位置，實現(xiàn)了工廠化精度裝配。

圖6 專用轉(zhuǎn)運平臺倒運組件

3.3 優(yōu)化流程提高安裝效率

本項目單臺耗能電阻器塔由3個電阻箱模塊支撐式固定方式采用自下而上依次疊層安裝。原作業(yè)指導書安裝流程為：安裝定位板及底部支撐絕緣子；吊裝電阻器安裝第一層，固定在底部支撐絕緣子上；在第一層箱體上固定層間絕緣子。如果層間絕緣子不平，需在底部增加馬蹄形墊片；吊裝電阻器安裝在第二及第三層，固定在層間支撐絕緣子上，吊裝方法同步驟二；電阻器連接管母，金具及管母線安裝。

圖7 整體安裝外形圖

通過去電阻箱廠內(nèi)考察，進行電阻器箱體受力核算，電阻箱體受力滿足底部帶支撐絕緣子整體吊裝。待底部絕緣子安裝找平完成后，通過吊車將電阻箱起吊到合適位置，安裝人員在地面上依次完成層間絕緣子的組裝，之后將電阻箱和層間絕緣子整體進行吊裝，按此順序依次自上而下完成所有電阻器設備安裝。安裝流程優(yōu)化前與優(yōu)化后的對比結果如下。

原方案安裝流程：施工準備；基礎復測；設備開箱檢查；底座安裝；底層支柱絕緣子安裝；第一層電阻器吊裝；層間絕緣子安裝；第二層電阻器吊裝；層間絕緣子安裝；第三層電阻器吊裝；連接附件安裝；驗收。優(yōu)化后方案安裝流程：施工準備；基礎復測；設備開箱檢查；底座安裝；底層支柱絕緣子安裝；第一層電阻器吊裝；第二層電阻器及絕緣子安裝；第三層電阻器及絕緣子安裝；連接附件安裝；驗收。優(yōu)化方案較之原方案而言減少了吊裝次數(shù)，降低了作業(yè)人員安全風險。

4 試驗與分系統(tǒng)調(diào)試

耗能裝置在到達現(xiàn)場后應進行相關試驗。試驗結果應與產(chǎn)品型式試驗和出廠試驗結果或其規(guī)定值相符。

單體試驗是交流耗能裝置帶電試驗前對所有單個設備的現(xiàn)場檢查和試驗，單個設備包括電阻器、晶聞管閱等、VCE等。驗證閥控裝置和晶閘管級的觸發(fā)、監(jiān)視功能正常。通過短接光纖設置閥控A系統(tǒng)進行測試模式，解鎖運行狀態(tài)；將測試手柄放置在晶閘管級的兩端，保持觸頭與散熱器之間良好接觸；使用HVTT806晶閘管級單元測試儀進行觸發(fā)功能測試；完成A系統(tǒng)測試模式下所有晶閘管級觸發(fā)試驗后，還應進行以下試驗：A系統(tǒng)為主LE1板工作，每個閥組件抽檢2級；B系統(tǒng)為主，對閥組每個組件抽檢2級；B系統(tǒng)為主LE2板工作，每個組件抽檢2級。HVTT806晶閘管級單元測試儀合格指示燈亮；OWS后臺上報事件和晶閘管級測試位置對應，無漏報，錯報現(xiàn)象。

分系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)試是交流耗能裝置帶電試驗前對所有子系統(tǒng)的現(xiàn)場檢查和試驗，子系統(tǒng)包括相單元、控制保護系統(tǒng)等。低壓加壓試驗驗證耗能電阻與耗能晶閘管閥一次接線的正確性，晶閘管閥觸發(fā)功能的正確性及控制系統(tǒng)與晶閘管閥之間通訊的正確性。按照以下步驟對每個支路或單相耗能支路進行試驗：根據(jù)變壓器容量、限流電阻數(shù)量初步核算，每相晶閘管閥參與試驗的晶閘管為10級；完成一次試驗回路的接線；閥控VCE800為正常運行模式；使用示波器監(jiān)視耗能電阻的電壓；閉合斷路器QF；站控下發(fā)耗能支路開關狀態(tài)有效、解鎖命令有效1.5秒；觀察并記錄示波器電壓波形。

試驗設備參數(shù)如下。三相變壓器1個，380/2000V、250kVA，短路阻抗4%；3個1000Ω限流電阻、電流2A（通流1.5s）。系統(tǒng)調(diào)試是在ACC_hopper帶電情況下對其規(guī)定性能進行的現(xiàn)場試驗。所有現(xiàn)場試驗應按照單體試驗、子系統(tǒng)試驗、系統(tǒng)調(diào)試的次序完成。

5 結語

柔性直流輸電所具有的優(yōu)勢之一是能解決大規(guī)模的可再生能源的送出與消納。我國能源資源與負荷逆向分布的現(xiàn)實情況及未來電力需求的巨大空間急切需要發(fā)展柔性直流輸電技術。柔性直流輸電對換流站的工程技術要求很高，耗能裝置是解決新能源功率盈余的核心設備。目前工程施工中針對耗能裝置的安裝難點已有相應的控制方法，但并不完善。相信隨著柔性直流工程的發(fā)展，耗能裝置設備的安裝工法也就更加完善，將為未來柔性直流換流站的耗能裝置高質(zhì)量安裝發(fā)揮更多的作用。