特高压直流换流站设计规范

特高压直流换流站设计规范H.Huang,Seniormember,IEEE,andV.Ramaswami摘要特高压直流输电系统在超远距离的大容量输电中效益显著。在世界范围内，有大量的特高压直流输电工程目前正在规划，特别是在中国大型水电方案。本文讨论的重点有别于传统直流输电方案的特高压直流换流站的设计要点。对换流器的配置进行了讨论和评价。设计参数选取±800kV/6400Mw的特高压直流输电系统。讨论了交流谐波滤波器无功补偿需求。对提出的方案包括避雷器绝缘配合的原则进行了详细的讨论。本文对换流站的设计室内和室外安装，减震降噪措施和可靠性的考虑等方面进行了更进一步的考虑。第一节综述目前，UHVDC广泛应用在中国水电站规划中，传输距离在1000~2000km输电工程的首选就是800kV特高电压直流输电。初始设计数据在为：输送功率6400MW直流电压±800kV直流线路距离2000km特高压直流输电工程设计为双极性方案，额定负载状态以整流站为参考。正常的情况下功率的输送方向是一定的，但也可进行反向输送。正常运行应满足运行过程中不超过设备限定的最高环境温度。第二节基本配置和参数1、直流系统参数以下数据取整流侧的值：直流功率额定最大最小MW64006270（冗余冷却）640直流电压额定最大kA±800±816直流电流额定最大最小A40004200400一个12脉动换流器是传统直流输电方案。每极双12脉动换流器（2阀组）则是最先进的UHVDC解决方案，也是整流站在大型设备限制允许运输尺寸时唯一可行的解决方案。如果是每极双12脉动换流器的结构，可能存在对称和不同桥电压的情况(400/400kV，300/500kV)。但从制造的角度来看，500kV单12脉动换流器是可行的，如已安装500kV/3000MW的系统。但是，400kV双12脉动换流器的串联布置将提供一些额外的优点：两个桥结构类似导致整个设备不同部分的设计绝缘水平是相同的，（如相同的阀和阀塔的设计和安排，相同的避雷器阀，相同旁路开关应力）。仅对地绝缘需要进行调整。变压器的额定功率相近。初步调查表明，800kV变压器物理尺寸取决于绝缘等级（基本冲击绝缘水平BIL/操作冲击绝缘水平SIL=1800kV/1600kV）。因此，降低电压等级将会显著降低运输尺寸。根据能量有效利用率对12脉动换流器对称布置优化。得，具有400/

400kV对称结构2阀组方案是800kV优选解。2、运行方式HVDC可以有以下运行方式：①双极模式②单极金属回线方式③单极大地回线方式有以下操作控制方式：①双极功率控制②单极极电流控制③单极功率控制④单极70%~100%之间低电压的的正常工作控制（串联两组）⑤半压运行，降低电压等级为一阀组，即极低电压运行在50%电压（通过每极每一个阀组旁路）⑥单极反送功率⑦单极线路开放测试3、基本设计数据

假设线路电阻为18Ω，一个12脉动换流器400kV（串联双12脉动换流器的一半）数据如下：整流站逆变站直流功率PdnMW16001456直流电流IdnA4000直流电压UdnkV±400±364触发角αdeg15——关断角γdeg——17短路阻抗ukpu0.180.18相对感性压降dxnpu0.090.09相对阻性压降drnpu0.0040.004总相对压降dxtotpu0.0940.086空载电压UdionkV 229.4209.1变压器容量（6脉动换流器）SnMVA960.8876.0变压器二次侧电压UsecnkV169.8154.8变压器一次侧电压UackV525525换流器阀组的无功功率QacMvar856820第三节交流滤波器与无功补偿对于给定的额定数据的换流器的消耗的无功功率取决于阀的组数。以下初步讨论交流滤波和并联电容器装置，是基于合理的交流系统的强度和允许的电压：整流侧：考虑无功功率需求，假定发电机的无功功率供应能力为：+250~-1000MVAr的（“-”表示由交流系统提供的无功功率）滤波器类型DT11/13TT3/24/36ShuntC容量Mvarr250250250大组分组–3小组分组–534逆变侧：无功功率需求范围：+450〜-450MVAr假定交流系统有足够的强度（SCR»3）。在这种情况下，双极直流系统连接的交流系统不存在协调联锁和负载脱落的风险，可以保持在稳定的状态。基频过电压甩负荷不会超过1.3倍。第四节直流滤波器、平波电抗器对于一个特高压直流方案的谐波滤波器数量和类型在很大程度上取决于冗余性能要求。两个三调谐无源滤波器TT12/24/36可在每个极和每个站安装。平波电抗器的电感之将根据系统数据OHL特点来选择。预计每站每极中，中性电容器将在15μF范围，平波电抗器在250-300mH的范围内选择。平波电抗器的最终尺寸将根据直流滤波器的性能要求与架空线参数来选择。干式平波电抗器是特高压直流等应用的首选解决方案。特别推荐的是，电感两部分平均布置在800kV母线和接地中性母线的布置方式。第五节绝缘配合800kV直流输电系统中的绝缘配合设计类似现有的500kV的方案。然而，特别注意要绘制选择避雷器避雷器额定值的安排，为在技术上和经济上的优化主要设备的绝缘水平提供依据。特高压直流设备的开关脉冲的水平将成为尺寸选择主要因素。直流电压不随闪络距离决定。在更高的海拔高度安装设备应该按照IEC60071–2标准修正。闪络距离的增加超过与开关冲击电压线性相关。最后，设计的正确性应由该设备相应的型式试验验证。500kV换流站的附加避雷器可以在换流站中的几个位置处使用，以进一步限制过电压。例如，在800kV母线和接地极之间，六脉动换流器的换流变压器的次级侧之间的避雷器安装。换流变压器的绝缘水平由SIL/BIL=1800/1600kV决定，同样用于800kV母线。绝缘水平（安全余量为BIL15％SIL与20％的）要依据从数字模拟和安全裕度的结果，和给出IEC60071-5保护级别选择。高压变压器阀塔平波电抗器直流母线雷电冲击耐受水平[kV]操作过电压耐受水平[kV]18001600180016002000160020001600户外应用的爬电距离外绝缘比的闪光距离复杂，它严重依赖于环境和气候条件，即对设备和潮湿条件下的污染程度（雨，雾等）的外壳表面污染。从经验上，直流工程考虑用两类棚形式瓷外壳、它是深棱下和备用梭轮廓。但是，硅橡胶外壳与复合绝缘子可以由高达25％提高的性能。这种类型的绝缘体，长时间有较小的机型应力，已经成功应用于换流站。另一种可能性可以是涂覆的瓷外壳与疏水性材料。为了完整性起见，应该提到的是增压棚的方法也是公知的可能性来改善陶瓷绝缘子的性能下。对晶闸管阀在阀室内大厅，考虑特高压直流场设备的安装也在室内安装，即所谓的直流阀厅。如果选择将阀厅的设计目的是未来彻底实现的低污染和湿度条件，不依赖于外界环境条件。室内安装的爬电距离比与室外安装更低。相对于现有的设备可以说，特高压直流设备室内安装的爬电距离比室外安装更能确保污闪事故降低，提高安全性能。此外，基于实际现场，爬电距离与拔高度无关。第六节站方面的设计(1)单线图±800kVUHVDC换流站的单线图与±500kVHVDC大多是一样的，稍微不同的是仅在直流侧（包括在A2避雷器）。每极双12脉动换流器是有一个长期运行的全球经验。这意味着没有特高压直流单线图开发的新概念。(2)典型的阀厅的布置单相2绕组变压器必须使用直流工程阀厅，有大小约60米长变压器插入阀厅阀侧套管。根据设计经验在这种情况下，双阀塔布置优先。一个典型的阀厅布局如下。避雷器A2也位于阀厅内。但在现有经验的基础上旁路开关设备不得设置在阀厅。(3)典型的电气布置在800kV特高压直流输电直流厂站的布局与500kV直流输电直流厂站布局类似，是一个合理的优化配置。对于户外布局，除了主设备的选择合理的外绝缘，800kV母线长度和数量、800kV瓷柱绝缘子是设计的主要对象。直流滤波器电容C1悬挂在构架上。一个典型的户外布局如下所示。考虑到污染对特高压直流800kV外绝缘性能的挑战，室内布局一个可行的解决方案。两个油型和干型平波电抗器可以集成到室内的布局。只有一个直流线路侧避雷器和一个穿墙套管（垂直）暴露于室外。这两件设备被设计为硅橡胶材料外壳。假设800kV母线设备8米空气间隙以内的阀厅可以消除在换流站海拔高达2000米的的影响。特别是当干式平波电抗被安装在室内时，通风应安装在室内直流大厅。项目户外用干式平波电抗室内用干式平波电抗800kV瓷套设备探索室外污染环境2x(8(SR)+40×3(Dis))=400800kV穿墙套管2（水平）2（垂直）旁路开关的安装-+直流滤波器电容失效-+维修工程-+通风成本++–设备的资本成本+++土建成本+–可靠性–++可以得出结论，室内用干式平波电抗器可能是首选的解决方案每极阀组数UHVDC厂站尺寸(m×m)室外室内1√225×2171√250×2172√355×2022√375×2022√375×232室内旁路开关/设备(4)辅助系统设计大型电力直流系统的应是非常可靠的。与现有的500kV高压直流输电系统的比较，以下问题应予以注意：①直流辅助供电，2条交流高压站内电源和2个外部电源分开。②2条冷却水供应管道连接到工作站。③阀厅和直流大厅通风：100％的冗余，每个大厅单独布置④直流电源和充电器：100％的冗余和两极之间完全隔离5、抑制换流站可听噪声特高压换流站可听噪声与产生噪声的设备数量增加（变压器和电抗器）与是一种潜在的关系。可以在设计中提高要求，应有一些行之有效的措施。特别是对于大的噪声源，如变压器、平波电抗器，建设屏蔽墙和室内安装是有效的措施。所有这些措施对设计和成本产生影响。因此，应在设计阶段进行一个全面的评估。第七节控制与保护方面对于每极只有一个12脉动换流器的配置，假定相比于500kV双极直流输电系统中配置和功能没有差别。由此，下面就双12脉动换流器的配置进行讨论。控制和保护系统应当冗余配置，杆和阀组分离在硬件和软件上是可行的。无论另一组阀组是否是服务或停运，另一套控制和保护系统可以独立工作。与一个±500kV双极性方案的控制和保护层级相比，单组控制水平将额外提高，以下控制水平可能会用到：①站控层/双极控制级②极控制水平③组控制水平每极冗余一个极控系统。在一个极控系统硬件分离的2阀组最大合理延伸，即独立的触发集和群控功能。此外独立和冗余阀门基础电子是每个12脉动换流器阀组所必需的。极控功能被分为极和相关阀门组。阀门组相关的控制由更高级别的极相关的控制协调。开关直接可（如旁路开关和相关的断开和接地开关）由硬件和软件控制分配给阀组级。在每极冗余配置直流保护装置。直流保护分离的硬件和软件为每个12脉动换流器是实际可行的。第八节可靠性和可用性在任何直流输电工程设计中需要实现以下几点：①无故障连续长时间工作②从故障的快速恢复的能力③一部分和可接受故障④与交流系统适当连接适当的设计应提及这几点，项目的长期连续运行，严格的质量控制，足够的冗余，有效的操作界面和正确安装。可能影响长期连续运行的潜在问题是项目的固有的复杂性。尽管需要充分注意上述所有方面，但仍然希望保持安装的设备的数量尽可能精简。相对于目前应用的12脉动换流器串联工程增加了更多的设备，阀室和直流开关站在理论上是较为复杂的，这需要在设计更多的关注和关心，更常见的是利用每极双12脉动换流器的配置方案。确保综合交流和直流系统的协调复原的控制系统有的几个特点。然而在目前的讨论，我们仅提及双12脉换流器需要额外的控制序列和程序，用于使第二组取代另一组来独立工作。该工程是相当耐用的，但少量的系统干扰几乎是不可避免的。当双12脉动换流器发生故障时，换流站内可能只需要关闭一个12脉动换流器。在这种情况下，与双极每极只有一个12脉动换流器的情况相比，功率损失低。然而，在工程中，可能需要考虑直流线路故障关闭整个单极的应急设计。因此即使是双12脉动换流器结构，单极停电也是必须考虑的设计项目。对直流线路或直流开关站，降压操作是为了避免闪络问题。这些闪络由于绝缘强度或环境条件如雾造成的污染等原因造成。降压操作，通过组合开关操作及射角控制实现。在双12脉动换流器组每极可以通过关闭一个12脉动换流器使电压降低一半。然而，这也会使功率降低一半。但是，这种灵活地关停双12脉动换流器，也可能是有限的，电压降至额定电压的80％作用的，就可以满足降低闪络的要求。第九节