换流站阀厅用接地开关的设计*

徐光辉，李宇鹏，胡延涛，王占杰，钟建英

（河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山 467001）

1 概述

我国能源资源和经济社会发展不均衡的基本国情决定了发展特高压输电及直流输电的必要性。根据负荷分布特点，特高压交流定位于主网架建设和跨大区送电，使特高压交流电网覆盖范围内的大型煤电、水电、风电、核电能就近接入；特高压直流定位于大型能源基地的远距离、大容量外送，西南水电基地、西北及新疆等煤电、风电基地和跨国电力通过直流输送。构建“强交强直”混合电网，可以充分发挥两种输电方式的功能和优势，保证电网安全性和经济性。2011年，第十一届全国人民代表大会第四次会议审议通过的《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》明确提出：“推动能源生产和利用方式变革，发展特高压等大容量、高效率、远距离先进输电技术”，“形成若干条采用先进特高压技术的跨区域输电通道”[1]。

2010年6月世界首个±800 kV直流输电工程——云广特高压直流输电工程双极竣工投产，这是迄今世界电压等级最高的直流输电项目，标志着中国全面进入了特高压交直流混合电网时代。

图1 阀厅内接地开关典型电气布置图

换流站阀厅接地开关的研制，是基于我国电力建设的布局实现西电东送、南北互供的需要，结合国家电网公司和南方电网公司未来电网建设发展，提出的前瞻性项目。阀厅接地开关是直流工程阀厅内设备的重要组成部分，是阀厅内设备进行检修的安全保障，是换流站直流场设计布置的重要设备。典型电气布置图如图1所示。

2 产品正常使用条件和基本参数

由于阀厅接地开关安装在换流站的阀厅内，属于户内开关设备，根据使用场所，对其要求如下。

（1）产品正常使用条件

1）周围空气温度：0℃～+40℃；

2）相对湿度：不大于60%（20℃）；

3）地震烈度：不超过AG3；

4）安装场所无经常性的剧烈震动及易燃、易爆物质和化学腐蚀性气体等的影响。

（2）产品基本参数

如表1所示。

3 阀厅接地开关总体设计方案

如图2所示，根据换流站阀厅内设备布置的特点，在换流站的阀厅内，一般安装有换流阀（三相四重阀）、各类套管、阀组避雷器、电压分压器等高电压设备，以及大量的母线用于四重阀与换流变压器和避雷器的连接。换流阀与交流系统的连接是由穿过阀厅的套管来实现，它包括穿墙套管、换流变压器阀侧绕组套管（交流）、油浸式平波电抗器靠近阀侧的套管（直流）。套管的结构可以是实心的、充气或油绝缘的[2]。对于这些高压电气设备的接地，要求接地开关的布置必须灵活，可以方便地进行接地检修，而接地开关又必须适合布置在阀厅内，不占用大量阀厅的面积，不然的话必定增加阀厅的建设成本。

表1 基本参数

图2 阀厅内各种高压设备典型位置图

因此，对于阀厅内接地开关采用侧墙式安装结构，接地开关本体直接安装在阀厅的墙面上，而接地静触头则能方便地安装在各种高压设备上，这样可以方便地对高压设备提供接地。

阀厅接地开关主要包括安装在墙面上的本体部分，以及安装在各种高压设备套管顶部屏蔽罩上的接地静触头。

在阀厅墙面上安装的本体部分主要由底座装配、齿轮箱装配和操动机构组成，底座装配上安装有接地刀杆，通过其运动插入接地静触头来实现对安装接地静触头设备的接地。齿轮箱内安装正交的两个锥齿轮，用以实现对操动机构的运动方向的转换，通过由齿轮箱内安装的拐臂和底座装配的转动座及拉杆构成的四连杆结构，将操动机构的旋转变换为接地刀杆的运动。由于不同安装位置的接地开关承受的电压不同，其接地刀杆长度也有所不同。为保证不同安装位置的接地开关均能顺利分合闸，在底座装配上还通过安装一对正交的锥齿轮来设置了一个平衡装置，使其与接地刀杆同时进行运动，通过配重块在接地开关分合闸过程中的重力矩变化来平衡接地刀杆分合闸过程中的重力矩变化，以达到接地开关运动平稳可靠的目的。

为减小阀厅内的电晕，对阀厅接地开关而言，还需加装屏蔽环。屏蔽环的结构设计是限制产品电晕放电的关键元件。电晕放电不仅有能量的损失，同时会对其周围通讯设备产生无线电干扰。通常，接地开关屏蔽的目的可以不考虑由于电晕放电形成的能量损失，但是，由于阀厅内是一个封闭的环境，对电晕放电所产生的无线电干扰和噪音干扰必须加以限制。电极上的电晕放电与电极上的电压高低无关，仅与电极上的电场强度有关。因此在接地开关屏蔽环的设计时，考虑在额定电压下屏蔽环表面的最大场强不超过起始电晕放电场强来设计。由于阀厅接地开关安装在不同位置时，其额定电压不同，在换流变压器的阀绕组侧所承受的电压为直流电压叠加交流电压，并且在两侧绕组中均有一系列的谐波电流，而在极线侧套管及中性母线侧则承受直流电压。在直流场作用下，经过自由电荷弛豫过程后，不同介质分界面上的自由电荷达到稳定分布后，电流场分布亦达到稳态。此时开关本体不同介质内部的场强按照电阻率来分布，因此直流场条件下采用恒定电流场分析模块对开关本体进行有限元分析。因此，根据此原则，对安装在高压设备的接地静触头加装均压球，此时阀厅内的空气净距可以达到最小。同时对其底座装配和齿轮箱、接地开关分闸位置均加装均压环，以改善电场，减小电晕。

阀厅接地开关的工作原理为：安装在墙面上的操动机构动作，通过垂直连杆带动齿轮箱内的锥齿轮转动，将机构的水平旋转动作变换为垂直转动，然后通过齿轮箱的拐臂、联杆和接地开关底座上的转动座构成的四连杆系统带动接地刀杆转动，实现接地刀杆上安装的动触头插入或离开接地静触头的动作，从而实现接地开关的分合闸操作。

在合闸状态时，接地开关能耐受动热稳定电流。此时齿轮箱的拐臂处于死点状态，在配重块的平衡作用下，即使出现短路电流，在短路力、重力、振动、冲击或者偶然碰到操动机构的传动杆时，接地开关均不会出现分闸动作。

接地开关的动触头采用铜镀银处理，在端部设计采用锥度导向，以方便插入接地静触头时减少操作阻力，能够顺畅插入。接地静触头采用环形玫瑰瓣触指，触指镀银，并安装环形弹簧，与动触头多片接触，保证电流通过压紧的银－银触头流动。触指外安装导向罩，在分合闸时对动触头进行导向，使接地开关在动触头即使出现小范围的偏差时也能顺利插入到静触头中。

接地刀杆通过自重和安装在底座上的配重块保持平衡，由于接地刀杆和配重块均为圆周旋转运动，故其重力矩变化曲线拟合后能随时保持平衡，使接地开关操作平稳可靠。

图3 安装在换流变压器上的阀厅接地开关

安装在换流变压器上的阀厅接地开关如图3所示。安装在均压罩内的接地静触头如图4所示。阀厅接地开关实物如图5所示。

4 产品的型式试验及运行

根据GB/T 25091-2010高压直流隔离开关和接地开关的要求，对设计完成的阀厅接地开关进行了相关的型式试验，包括额定短时耐受电流试验、峰值耐受电流容量试验、机械特性试验、机械操作试验、机械寿命试验、接线端子静拉力试验、整体抗弯试验等试验项目。

图4 安装在均压罩内的接地静触头

2010年7月，阀厅接地开关开始在葛沪二回直流综合改造工程湖北荆门站进行安装。葛沪二回直流综合改造工程是三峡地下电站送电华东电力通道的重要组成部分，是三峡四个直流输电项目的最后一个工程，它与±500 kV葛-南直流输电工程（输送功率为1200 MW）共用现有的输电走廊，节约了大量的建设用地，是一个典型的资源节约型、环境友好型工程，也是我国第一个同塔双回、输送功率达到3000 MW的直流输电工程。荆门换流站为该工程的送端换流站，枫泾换流站为受端换流站。两站均为双极布置，直流电压为±500 kV，每极采用两组12脉冲换流器串联，换流变压器（单相双绕组）14台（其中2台备用），每台容量297 MVA；500 kV交流滤波器总容量1900 Mvar；500 kV高压并联电抗器2组，容量均为150 Mvar。工程建设±500 kV高压直流输电线路1回，接地极线路1回；500 kV交流出线终期6回，本期出线6回（3回至三峡地下电站，3回至荆门特高压变电站），与晋东南-南阳-荆门1000 kV特高压交流试验示范工程构成强交流、强直流相互补充、相互支撑的坚强电网。

图5 阀厅接地开关

5 阀厅接地开关的发展趋势

2011年，阀厅接地开关中标葛沪二回直流综合改造工程，在上海枫泾换流站和湖北荆门换流站进行安装。2011年3月，葛沪二回直流综合改造工程完成安装，开始带电运行。至今工程运行情况优异，阀厅接地开关的性能稳定、运行良好，通过了工程实践的考验。

2011年及2012年，在葛沪二回直流综合改造工程用阀厅接地开关成功运行的基础上，又接连中标溪洛渡±500 kV同塔双回输电工程昭通站和东北-华北联网高岭背靠背扩建工程，目前两个站的阀厅接地开关都已经安装调试完毕。

2012年，新疆哈密南至郑州±800千伏特高压直流工程开工建设，起自新疆哈密南部能源基地，止于河南郑州，线路全长2210千米，计划于2013年9月30日实现低端双极投运，其设备中有±500 kV阀厅接地开关14台，±800 kV阀厅接地开关2台，2014年实现全面投运。在溪浙特高压工程中，双龙站使用±500 kV阀厅接地开关10台，±800 kV阀厅接地开关4台。

±500 kV阀厅接地开关的完成及其在葛沪二回直流综合改造工程中的正式运行，表明已经初步掌握了阀厅内开关设计技术，掌握了对阀厅内接地开关的参数确定、选型、设计、制造、装配、试验等核心技术，为国家电力工程需要而研制的±800 kV直流工程用阀厅接地开关和±1120kV直流工程用阀厅接地开关提供了宝贵的设计经验和运行经验。

［1］国家电网公司.“三华”同步电网知识手册［M］.北京：中国电力出版社，2011.

［2］赵畹君.高压直流输电工程技术［M］.北京：中国电力出版社，2011.