特高压换流站中500kV站用变应用GIL连接方案研究

1、特高压换流站中 500kV 站用变应用 GIL 连接方案研究 摘要： 特高压换流站中，500kV交流站用变采用GIL管道连接方案可以在套管 和GIL管道等设备上节省投资，并且优化了交流场布置，提高了连接可靠性，减 少了维护工作量。 本文还提出应用有源式电子式互感器来解决GIS常规互感器价格偏高的问 题，力求在保证可靠性的前提下降低工程造价，并且有效解决特高压换流站站用 变高圧侧小变比CT的饱和问题， 为特高压换流站GIS设备应用电子式互感器作 出有益的尝试。 关键词：换流站；变压器油-SF6套管；过励磁保护；电子式互感器 1概况 直流输电主要应用于远距离大功率输电和非同步交流系统的联网，换流站

2、是 直流输电系统的核心，完成交流和直流之间的变换。800kV换流站是LT前国内电 压等级最高的换流站，站用电一般考虑站内引接2回站用电源，站外引接1回站 用电源。站内2回站用电源接至站内交流GIS,电压等级为500kV，设置两台站 用变压器，低压侧电压等级为lOkVo 特高压换流站中500kV交流站用变与GIS连接的方式可釆用架空连接和GIL 连接等多种方式。 架空连接方式考虑GIS设备套管与站用变釆用软导线或管母线连接，避雷器 和电压互感器采用AIS设备， 布置尺寸偏大。GIS设备与站用变之间有明显的断 开点，各类试验相对简单，检修方便。 GIL连接方式考虑变压器采用油-SF6气体套管与GI

3、S设备通过气体绝缘母线 (GIL)连接， 不出现裸露的导体和引线， 布置灵活紧凑， 有利于提高设备的可靠 性；但避雷器和电压互感器均需采用GIS设备，造价较高，因无明显的断开点， 各类试验相对复杂，检修不便。 2油-SF6气体套管简介油-SF6气体套管根据电容芯子的材料可以分为两大 类：0IP和RIP两类。 油纸(0IP)套管的主绝缘为油浸纸电容芯子， 电容芯子经真空干燥后山变压 器油真空浸渍而成：0IP套管具有优良的电气性能，但由于该类套管在运行中可 能出现油色谱超标、瓷件爆炸伤人、漏油污染环境及维护费用高等缺点，使0IP 套管的应用受到了一定的影响；因此，上世纪60年代国外开始研究RIP干

4、式套 管，已克服了 OIP套管的缺点。 环氧树脂浸纸（RIP）干式套管起主绝缘作用的电容芯子，是一个圆柱形电容 器。它是用绝缘纸和铝箔缠在套管的导电杆上，经真空干燥后浸渍环氧树脂，固 化而成。RIP干式套管的制造和测试均达到或超过了 IEC60137和GB/T4109的要 求。 油-SF6套管大规模应用于核电站、水电站、抽水蓄能电站等工程中，在交流 500kV户内变电站中也有应用经验。 3换流站站用变回路配置方案GIS与站用变压器釆用GIL连接后， 该回路避 雷器和电压互感器III AIS改为GIS设备，造价增加，以下重点论述该回路避雷器 （MOA）和电压互感器（VT）的配置要求，同时结合国内

5、某特高压换流站交流场 地整体布局，对GIL连接方案和架空连接方案进行充分的技术经济比较。 3. 1电压互感器与避雷器配置 本工程交流500kV为一个半断路器接线，两台站用变分别直接上和 母线。 3. 1. 1站用变500kV侧电压互感器配置 根据国家标准的要求，与三相电压量相关的变圧器保护主要有过励磁保护和 复合电压起动的过电流保护或复合电流保护。 （1）过励磁保护 对高压侧为交流330kY及以上的变压器，为防止由于频率降低和/或电压升高 引起变压器磁密过高而损坏变压器，应装设过励磁保护。过励磁保护山电压与频 率的比值构成，因每相均要进行判别，需引入三相电压。 结合工程情况，特高压换流站中站用

6、电负荷为10MVA,但考虑到500RV交流 变压器额定容量最小不宜低于40MVA,故一般按40MVA选择。所以，换流站中的 站用变运行在低负荷， 铁芯等金属构件及变圧器油温度较低， 有利于提高变压器 的过励磁能力。此类变压器的正常工作磁通密度一般在1.51.6T,饱和磁通密 度为1.82T。本工程作为受端换流站，经计算，工频稳态过电压1.09p.u,考虑 到所连接系统频率基本不变，故可以认为工作磁通密度1.09倍正常磁通密度， 在1.635、1.744T,不会导致铁芯饱和。根据变压器过励磁特性曲线，此类运行 方式下的变压器在过电压倍数1.1P.U时，可以连续运行。故本工程站用变不会 出现过励磁

7、情况，可不装设过励磁保护，无需引入三相电压。 对于某些交流500RV变压器低压侧带有低压无功补偿装置的特高压换流站， 配置的交流变压器额定容量一般为120、240MVA。考虑到变压器需要运行在满负 荷状态，此类变压器过励磁能力一般为1. 05p. u时能连续运行，若要提高过励磁 能力，则需增大铁芯截面或增加绕组匝数，需提高设备投资，故建议仍然装设过 励磁保护，不提高站用变过励磁水平。 对于工频稳态过电压水平超过1. Ip. u的特高压换流站，交流站用变压器也建 议装设过励磁保护。 (2) 复合电压起动的过电流保护或复合电流保护 交流llOkY500kV降压变压器、 升压变压器和系统联络变压器，

8、 相间短路后 备保护用过电流保护不能满足灵墩性要求时， 宜釆用复合电压起动的过电流保护 或复合电流保护。复合电压由引入三相电压产生。 经校验，本工程站用变高压侧相间短路过电流保护灵敬系数为11.89,满足 灵敏性要求，无需配置复压启动。 由上分析可得，本工程站用变保护不需要配置高压侧VT。同时，计量测量点 可以设置在站用变低压侧，故站用变计量测量也不需要配置高压侧VTo (3) 小结 综上所述， 结合本工程的实际情况， 站用变保护和il量测量系统可不配置高 压侧电压互感器。 3. 1. 2站用变500kV侧避雷器配置 根据变电站设备实际布置惜况， 对线路雷电进波对设备的过电圧影响， 釆用 电磁

9、暂态计算程序，进行了计算分析，计算结果见表1。 表1线路雷电过电压电磁暂态计算结果分析 设备 最大过电压(kV) 绝缘裕度(%) 站用变侧不装MOA,母线不装M0A 站用变侧不装MOA,母线装M0A 雷电冲击绝缘水平1550kV 雷电冲击绝缘水平1675 kV 出线侧CVT 1025 1008 1/53 母线VT 1174 1045 32/48 交流滤波器 775 753 100/105 换流变 781 768 98.5/101 站用变 1326 1214 16. 9/27. 7 26. 3/27. 7 站用变（采用油气套管 1263 1156 22. 7/34. 1 32. 6/44. 9

10、由上表可知，站用变处的过电压达到了 1326kV,绝缘裕度为16. 9%,低于最 小绝缘配合系数25%；如站用变采用油气套管，站用变处的过电压为1263kV,绝 缘裕度为22. 7%,仍低于最小绝缘配合系数25%。因此，需要釆取措施降低其过 电压， 而在母线上安装一组避雷器可满足要求， 母线避雷器应尽量靠近站用变侧; 或者可以将站用变的雷电冲击绝缘水平提高到1675RV,同样可以满足绝缘裕度 的要求。 根据以上分析，推荐在站用变前安装一组避雷器的配置方式。 3. 2换流站500kV交流场地布置 对于GIL管道连接方案， 站用变500kV侧回路避雷器宜采用GIS设备， 故站 用变回路省去了空气套

11、管和架空线所要求的电气距离要求， 站用变占地尺寸大幅 降低，可以直接利用GIL管道区域的空余场地布置，不单独增加站用变布置区， 使得换流站交流场区域布置更加清晰合理。 油-SF6套管为减小安装法兰的受力，倾斜角度不宜大于30,故推荐竖向安装 油-SF6套管。 3.3技术经济比较 站用变回路选用GIL连接方案与架空连接方案在500RV套管、 避雷器及GIL 等设备型式及数量上存在不一致，见表2。 表2 GIL连接方案和架空连接方案相关设备配置差异表 站用变回路 相关设备 单价（万） 架空方案 数量 GIL方案 数量 OOkV油-空气套管 20 12只 OOkV油-SF6套管 19 6只 OOkV

12、 AIS避雷器 5. 5 6只 / OOkV GIS避雷器 24 / 6只 OOkV GIL 1 134m 130m 油坑 0. 04 308m3 192m3 经比较设备配置差异，全站两组站用变采用GIL连接方案共节省投资23. 64 万，并且使得交流区域布置更加合理，节省了独立的站用变场地，同时提高了连 接的可靠性，减少了维护工作量。 4GIL连接方案互感器的选择 在笫三章论述中， 该换流站站用变回路可以取消回路VT；同时， 也提到某些 特高压换流站不能取消过励磁保护， 则站用变回路VT不能取消， 山于常规GIS VT 比AIS VT每相需增加投资31. 8万，故GIL管道连接方案总体投资反

13、而需要增加。 电子式互感器的应用可以降低工程造价， 同时由于罗氏线圈线性度好， 抗饱 和能力强，能有效解决站用变高圧侧小变比CT的饱和问题，所以站用变回路应 用电子式互感器很有意义。但是山于处在应用初期，需深入论述方案的可靠性。 为更全面的分析GIL管道连接方案，以下按设置回路电压互感器方案对应用 GIS电子式互感器进行方案探讨。 4. 1原理 电子式互感器根据其高压部分是否需要工作电源，可分为有源式和无源式两 大类。 对于GIS设备，现阶段选择应用线圈型电子式电流互感器(ECT)和分压型电子 式电压互感器(EVT)在技术上比较可靠， 在投资上比较节省， 以下按此类型电子 式电流和电压互感器进

14、行分析。 4. 2站用变回路应用电子式互感器探讨 4. 2. 1应用方案 站用变采用GIL管道连接，站用变500kV侧应用GIS型式的ECT和EVT；为 考虑站用变各侧互感器特性的一致性，站用变10kV及中性点侧也应用ECT和 EVTo 对于电子式互感器方案，对应两种VT设置方式，进行应用探讨。 方式一：500kV母线设置单相VT,站用变500kY侧设置三相VT 500kV母线单相VT釆用常规型式， 站用变500kV侧采用三相ECT、三相常规 CT和三相EVT；站用变保护、测量、计量及故录采用ECT和本回路EVT, 500kV 母差保护采用常规CT。 方式二：500kV母线设置三相VT,站用变

15、500kY侧不设置VT OOkV母线三相VT采用EVT,站用变500kV侧釆用三相ECT和三相常规CT； 站用变保护、测量、计量及故录采用ECT和母线EVT, 500RV母差保护釆用常规 CTo 4.2.2方案比较 母线VT对于除站用变外的间隔，仅需提供单相同期用电圧，不影响主保护功 能，故应用EVT带来的互感器特性不一致方面担忧对于控制保护系统影响不大。 故上述两种方式均较为稳妥。 方式一比方式二影响范围更小， 可靠性更高， 对于除站用变外的其他间隔控 制保护系统没有影响，也不存在互感器特性不一致问题，故GIL连接方案应用电 子式互感器考虑推荐采用方式一。比方式二需增加2台500kV常规GI

16、S电压互感18 器，约增加投资80万元。 站用变保护、 测控、 讣量及故录等装置均接入来自ECT和EVT的电流电压数 字量，500kV母差保护及断路器保护仍接入常规电流互感器的电流模拟量。 以下就GIL连接方案应用电子式互感器，与架空连接方案应用全常规互感器 进行综合比较，相关设备配置差异见表3。 表3 GIL连接方案和架空连接方案设备配置差异表 站用变回路相关设备 单价（万） 架空方案数量 GIL方案数量 OOkV油-空气套管 20 12只 / OOkV油-SF6套管 19 / 6只 500kV AIS避雷器 5. 5 6只 / OOkV GIS避雷器 24 / 6只 OOkV GIS 常规

17、 CT 500kV GIS ECT 6 / 6只 500kV AIS 常规 VT 8.2 6只 / 500kV GIS 常规 VT 40 2只 2只 OOkV GIS EVT 12 / / 6只 500kV GIL 1 134m 130m 中性点套管ECT 0.5 / 6只 中性点套管常规CT 0. 5 6只 lOkV开关柜ECT 0. 5 6只 lOkV开关柜EVT 0. 5 / 6只 lOkV开关柜常规CT 0.5 6只 6只 lOkV开关柜常规VT 0.5 6只 6只 合并单元 2.5 12只 油坑 / 12. 32 万 7. 68 万 经比较设备配置差异，站用变GIL连接方案应用电子式互感器后比架空连接 方案应用全常规互感器节省投资约36. 84万。本方案考虑到电子式互感器的可靠 性问题，尽可能的减小应用电子式互感器所带来的影响范圉，仅站用变回路的保 护测控、电能表和故障录波装置采集来自电子式互感器的电流电压采样值， 其他 控制保护设备均保持不变。 5结论 特高压换流站中，500kV交流站用变采用GIL管道连接方案可以在套管和GIL 管道等设备上节省投资，并且优化了交流场布置，提高了连接可靠性，减少了维 护工作量， 但是也会带来试验和检修的不便。 随着GIS设备的普及，GIL连接方 案会更多的应用到各种类