±600 kV/4 000 MW换流站主接线方案研究

赵东成，常伯涛，杨建华 ，朱 萍，屈彦明，刘 森

(1.河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031；2.国网河北省电力公司石家庄供电分公司，石家庄 050051)

2017-05-20

赵东成(1979-)，男，高级工程师，主要从事变电站电气一次设计工作。

±600 kV/4 000 MW换流站主接线方案研究

赵东成1，常伯涛1，杨建华2，朱 萍1，屈彦明1，刘 森1

(1.河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031；2.国网河北省电力公司石家庄供电分公司，石家庄 050051)

以国外某±600 kV/4000 MW换流站为基础，提出每极1组12脉动换流器和每极2组12脉动换流器2种主接线方案，从技术性和经济性对2种主接线方案进行比较分析，认为每极1组12脉动换流器主接线方案技术可行、经济合理。

换流站；主接线；可靠性；布置方案

在大容量、大电流的高压直流输电系统中，换流站主接线方案对于整个直流输电工程的实施难度、可靠性水平和交流系统的影响都具有重要的意义，是工程设计研究的基础，也是整体技术方案和技术路线的主要体现[1]。换流站主接线方案的核心问题是确定换流站主要设备的具体配置，需要从技术方案的可行性、工程的可靠性及经济性等方面进行研究论证[2]。国外某换流站为±600 kV/4 000 MW，主接线方案主要有：方案1，每极1组12脉动换流器方案；方案2，每极2组12脉动换流器串联方案。以下就上述2种方案进行技术性和经济性分析，确定工程的可行性方案。

1 主接线方案技术性分析

1.1 技术难度

目前高压直流输电工程中，换流站主接线方案的选择主要受设备制造能力和大件运输条件限制。

每极1组12脉动换流器方案中，换流器结构最简单、设备数量最少，是理想的接线方式。但这种接线方式的单台换流变压器结构复杂、绝缘水平高，容量达到403 MVA，超过向家坝-上海±800 kV特高压直流输电示范工程用换流变压器容量(320 MVA)[3]，为当前国际上最大的单相双绕组换流变压器，对换流变压器的制造和运输提出很大的挑战，在现有制造技术条件下每极1组12脉动换流器方案的换流变压器可以制造并通过铁路运输方式运至换流站。另外，这种接线方式的换流器本身绝缘要求高，换流器串联的阀片数量较多，阀厅的高度增加，给抗震、支撑或悬吊等都增加了难度。

每极2组12脉动换流器串联方案中，每组12脉动换流器只承担一半的单极容量，相应的高端换流变压器的容量也减半。借鉴向家坝-上海±800 kV特高压直流输电示范工程用换流变压器的制造经验，±600 kV直流输电工程用换流变压器的制造和运输均不存在技术障碍。

1.2 可靠性分析

高压直流输电系统主回路中影响系统运行可靠性的主要元件包括：换流变压器、换流阀、平波电抗器、直流场设备等，其中换流阀、平波电抗器、直流场设备等的可靠性在2种不同的接线方案中都是基本相同的，对系统可靠性的影响没有质的差异。因此，在下面的可靠性分析中重点考虑的元件为换流变压器[4]。

方案l的换流变压器容量大、电压高，制造难度较大，单台换流变的可靠性较低。由于换流变总台数较少，换流变压器总的故障率较低，但单台换流变压器故障时将损失一个极的电量。

假设换流变压器的可用率为0.95，则一站换流变压器的总台数为12台，全部换流变的故障概率为：

12×(1-0.95)=0.6次/年

相应的故障损失电量为：

0.6×7×24×3 200=3.225 6亿kWh/年

从发生故障的概率上看，由于单换流器接线方案中换流变压器数量最少，每极只有6台，因此这种方案的故障率较小，可靠性较高，一旦1台换流变压器故障，则单极就要停运，故障损失的电量较多。

方案2的换流变压器容量小、电压低，因此单台换流变可靠性较高。由于换流变压器台数较多，换流变压器总的故障率较高，但一台换流变压器故障仅损失单极的一半功率，故障时损失的总电量较少，能源可用率高，工程运行方式灵活但控制保护系统较复杂。

在可靠性初步分析中只考虑换流变压器的因素。假设低端换流变压器可用率为0.965，由于对地绝缘水平更高，高端换流变压器的可用率略低，假设高端换流变压器可用率为0.955。

低端换流变压器的故障概率为：

12×(1-0.965)=0.42次/年

故障损失电量为：

0.42×7×24×0.5×3 200=1.129亿kWh/年

高端换流器组故障概率为：

12×(l-0.955)=0.54次/年

故障损失电量为：

0.54×7×24×0.5×3 200=1.451 5亿kWh/年

换流变压器的总故障率为0.96次/年，总故障损失电量为2.5805亿kWh/年。

从以上结果可以看出，换流变压器总的故障率较高，但故障时总的损失电量较低，换流站的可用率较高。

1.3 布置方案

每极1组12脉动换流器和每极2组12脉动换流器方案中，每种方案各有2种布置方式，各有优缺点。在具体的工程中，应根据设备的布置形式和接线方式，确定换流站的布置方式。

1.3.1 方案1

每极1组12脉动换流器方案中，对应每个阀厅有6台换流变压器，它们可采用一字形排列于阀厅的一侧，也可以排列于阀厅的两侧，阀侧套管在阀厅内接成Y、△后与阀相连。换流变压器排列于阀厅的一侧，有利于交直流开关场的布置和接线，共有2种布置方案，“一字形”的布置和背对背的布置方案。

a. 采用两厅一楼“一字形”的布置形式，极1、极2阀厅分置主控制楼两侧，换流变压器集中在阀厅一侧布置。直流穿墙套管垂直于阀厅将直流引出到阀厅外。阀内冷设备布置在控制楼内，阀外冷设备布置在阀厅两端的空地上。在阀厅内完成Y、△连接。高压直流套管与高压阀塔的底部相连接，中性母线在阀厅的另外一侧与低压阀塔的底部相连接，通过直流穿墙套管引出到直流场。采用上述布置方式的优点主要有：直流穿墙套管从阀厅高压阀塔底部出线，布置较为成熟，高压母线和中性母线在阀厅内的路径长度短，接线相对简单；备用换流变在更换时无需转向，十分便利。

b. 采用两厅一楼“背对背”的布置形式，极1、极2阀厅分置主控制楼两侧，采用“背靠背”布置方式，换流变压器集中在阀厅一侧布置。直流穿墙套管垂直于阀厅将直流引出到阀厅外。阀内冷设备布置在控制楼内，阀外冷设备布置在阀厅两端的空地上。在阀厅内完成星形和三角形连接。高压直流套管与高压阀塔的底部相连接，中性母线在阀厅的另外一侧与低压阀塔的底部相连接，通过直流穿墙套管引出到直流场。采用上述布置方式的优点主要有：换流变压器进串更加顺畅，汇流母线至交流配电装置进线的角度灵活。直流穿墙套管从阀厅高压阀塔底部出线，布置较为成熟，高压母线和中性母线在阀厅内的路径长度短，接线相对简单；直流穿墙套管从阀厅同侧引出，每个阀厅的低压阀塔远离穿墙套管且阀塔出线与穿墙套管方向垂直，阀塔出线需要在阀厅内转90°后再引接到穿墙套管上，阀厅内接线较为复杂。

1.3.2 方案2

每极2组12脉动换流器方案中，采用4个阀厅，共计2个高端阀厅和2个低端阀厅。根据换流变及阀厅的组合方式，共有2种方案：高、低压阀厅面对面布置；高、低压阀厅一字排列布置。

a. 将24台换流变压器按阀组划分为4组，垂直于直流场布置。每组6台换流变压器一字排开，布置于阀厅一侧，换流变压器套管从一侧插入阀厅。2个高压阀厅在两边，2个低压阀厅在中间背靠背布置，每极12台换流变面对面布置。在每组换流变架设三相母线，即可实现6台换流变网侧母线的并联。

该布置的主要特点有：面对面布置的高低端阀厅对换流变压器噪声的传播有很好的阻挡和吸收作用，有利于换流站围墙位置的噪音控制。减小了阀厅、换流变压器区域和直流场的横向尺寸。换流变压器进串更加顺畅，汇流母线至交流配电装置进线的角度灵活。换流变压器的汇流在换流变压器防火墙上空完成后经过交流PLC设备直接进串，连接线短，布置紧凑；换流变压器组装场地上没有一字型布置时的高跨线，布置更加美观、清晰。直流穿墙套管从阀厅同侧引出，每个阀厅的低压阀塔远离穿墙套管且阀塔出线与穿墙套管方向垂直，阀塔出线需要在阀厅内转90°后再引接到穿墙套管上，阀厅内接线较为复杂。换流变压器组装场地考虑同一极的高、低端换流变压器可同时背靠背安装检修，运行检修非常灵活。

b. 将24台换流变压器一字排开布置在阀厅的一侧，平行于直流场布置。2个高压阀厅在两边，2个低压阀厅在中间相邻布置。换流变压器的安装、搬运轨道布置于换流变压器靠交流场侧。每个阀组换流变按Y/Y：W、V、U，Y/△：U、V、W排列，相邻Y/Y：U相和Y/△：U相直接连接，另外两相通过换流变压器上方设母线连接。

该布置的主要特点有：阀厅、换流变压器采用一字型布置，阀厅对换流变压器噪声有明显的阻挡作用，直流场噪音小，基本不受换流变压器噪音的影响。但24台换流变压器一字排开面向交流场，其噪音向交流场及其两侧传播，噪音大，噪音覆盖范围广，治理困难。直流场的横向尺寸大。换流变进串引线角度较大，汇流母线跨度大(超过60 m)，接线复杂。直流穿墙套管从阀厅长度方向出线，接线相对简单。备用换流变压器的更换无需转向。

2 主接线方案经济性分析

方案1中每个换流站的换流变压器总台数为14台(含2台备用)，设备数量少，占地面积小，投资造价低，经济性好。方案2中每个换流站的换流变压器总台数为28台(含4台备用)，设备数量多，占地面积大，投资造价较高。

表1为2种主接线方案的经济性分析，由表1可见，方案1比方案2节约25 200万元。±600 kV直流输电工程采用方案l的经济性将更加明显。

表1 主接线方案经济性分析 万元

项目方案每极1组12脉动换流器方案每极2组12脉动换流器方案分项送端受端总价送端受端总价主设备换流变压器105000910001960009500088000182000换流阀260002500051000310003000061000平波电抗器50005000100005000500010000控制保护65006500130006500650013000其他新增交直流场设备费用0008000700015000新增土建费用000350030006500新增安装费用000300033006300新增征地费用0006008001400费用总计270000295200

3 结论

方案l当单独的换流器或换流变压器故障时，会造成直流单极停运，但不会影响电网的安全稳定。此方案设备数量少，占地面积小，换流站的投资造价低，方案的经济性好。尽管单台换流变压器的容量达到403 MVA，但换流变压器运行方案可行。因此，方案1技术上可行，经济性较好。方案2虽然比方案1对两端的交流系统冲击和影响小，但换流设备数量增加了一倍，换流站占地、造价等也相应上升，经济性较差。综上，每极1组12脉动换流器的方案技术可行，经济合理，确定为±600 kV换流站主接线实施方案。

[1] 刘振亚．特高压直流输电理论[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2] 舒印彪．中国直流输电的现状及展望[J].高电压技术，2004 ，30(11)：33-38.

[3] 张友富，黄振鹏，向孟奇．向家坝-上海±800 kV换流变压器短路阻抗确定方法的研究 [J].华东电力，2011，39 (12)：51-54.

[4] 束洪春，胡泽江，张静芳．±800 kV换流站主接线可靠性评估[J].电力系统自动化，2008，32(10)：22-25.

Study on Main Wiring Scheme of ± 600 kV / 4 000 MW Converter Station

Zhao Dongcheng1，Chang Botao1，Yang Jianhua2,Zhu Ping1，Qu Yanming1，Liu Sen1

(1.Hebei Electric Power Design & Research Institute, Shijiazhuang 050031,China；2.State Grid Hebei Electric Power Corporation Shijiazhuang Power Supply Branch, Shijiazhuang 050051,China)

In this paper, based on a foreign ±600 kV/4 000 MW converter station,proposes 2 main wiring schemes such as each pole 1 group of 12 pulsating converters and each pole 2 groups of 12 pulsating converters,analysis the main wiring program from the technical and economic,consideres that the main wiring scheme of each pole 1 group of 12 pulsed converter is feasible and economically reasonable.

converter station；main wiring scheme；reliability；layout scheme

TM721.1

B

1001-9898(2017)05-0001-03

本文责任编辑：王洪娟