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5.4 主要设备和导体选择


5.4.1 换流站交流设备和导体的选择应符合现行国家标准《电力设施抗震设计规范》GB 50260和现行行业标准《导体和电器选择设计技术规定》DL/T 5222的有关规定。
5.4.2 换流阀选择应符合下列规定:
    1 换流阀宜采用户内悬吊式、空气绝缘、水冷却;
    2 换流阀触发方式可采用电触发方式或光触发方式;
    3 换流阀应为组件式,晶闸管冗余度不宜小于3%;
    4 换流阀连续运行额定值和过负荷能力应满足系统要求;
    5 换流阀浪涌电流取值不应小于阀的最大短路电流;
    6 换流阀应能承受各种过电压,并应有足够的安全裕度;
    7 换流阀本体及其控制、保护装置的设计应保证阀能承受由于阀触发系统误动以及站内外各种故障所产生的电气应力。
5.4.3 换流变压器选择应符合下列规定:
    1 换流变压器容量应满足直流系统额定输送容量及过负荷要求;
    2 换流变压器型式应结合容量、设备制造能力以及运输条件等经技术经济比较后确定;
    3 换流变压器阻抗除应满足交直流系统要求外,还应满足换流阀的浪涌电流能力要求;
    4 有载调压范围应满足交直流系统运行工况;
    5 调压开关分接头级差应与无功分组的投切协调;
    6 换流变压器耐受直流偏磁电流的能力不宜低于单相10A;
    7 换流变压器的噪声水平应满足换流站的总体噪声控制要求。
5.4.4 平波电抗器选择应符合下列要求:
    1 平波电抗器的型式可根据工程具体要求选择油浸式或空芯干式;
    2 平波电抗器额定电流应按直流系统额定电流选定,并应考虑各种运行工况下的过电流能力;
    3 平波电抗器电感值应能满足在最大直流电流到最小直流电流之间总体性能的要求,并应避免直流侧发生低频谐振;
    4 平波电抗器应能承受由于短路冲击电流产生的机械应力;
    5 平波电抗器的噪声水平应满足换流站的总体噪声控制要求。
5.4.5 交流滤波器选择应符合下列规定:
    1 交流滤波器可采用单调谐型、双调谐型、三调谐型等类型,结合不同频次的谐波可组成多种型式;
    2 同一个换流站内交流滤波器型式不宜超过3种;
    3 交流滤波器各元件的额定参数应根据换流器产生的谐波电流和电压以及背景谐波所产生的谐波电流和电压确定;
    4 交流滤波器电抗器宜采用低噪声电抗器,交流滤波器电容器应采用低噪声结构。
5.4.6 直流滤波器选择应符合下列要求:
    1 直流滤波器宜采用双调谐或三调谐无源滤波器;
    2 直流滤波器元件额定参数应根据直流电压分量和换流器产生的谐波电压确定。
5.4.7 直流避雷器配置和参数选择应根据换流站过电压计算和绝缘配合结果确定。
5.4.8 金属回线转换开关和大地回线转换开关宜具备在直流输电系统允许的短时过负荷电流工况下的转换能力。
5.4.9 直流中性母线低压高速开关和中性母线临时接地开关的电流转换能力不宜小于直流输电系统允许的短时过负荷电流。
5.4.10 直流隔离开关应满足各种工况的直流工作电流的要求。直流滤波器回路的高压直流隔离开关应具有带电投切直流滤波器的能力。
5.4.11 直流电压和电流测量装置选择应符合下列要求:
    1 用于极线和中性母线的直流电压分压器宜采用阻容分压器;
    2 极线和中性母线上的直流电流测量装置可选用电子式电流互感器或零磁通直流电流测量装置;
    3 直流电压和电流测量装置应具有良好的暂态响应和频率响应特性,并应满足直流控制保护系统的测量精度要求。
5.4.12 直流绝缘子、套管选择应符合下列规定:
    1 直流绝缘子和套管应根据等值盐密与积污特性关系、运行电压和伞裙对积污的影响、闪络特性及闪距选择;
    2 直流极母线设备的套管宜采用复合绝缘型;
    3 直流极母线支柱绝缘子宜采用瓷质型或涂防污涂料瓷质型支柱绝缘子,也可选用瓷质芯棒复合绝缘型或玻璃钢芯棒复合绝缘型;
    4 复合绝缘型直流设备套管或绝缘子的最小爬电比距可按瓷质直流套管或绝缘子爬电比距的75%选择。
条文说明
5.4.2 本条对换流阀的选择做出规定。
    (1)换流阀的结构设计与冷却方式和绝缘方式有关。从绝缘方式看,换流阀有空气绝缘、油绝缘和SF6绝缘。从冷却方式分,换流阀有水冷却、风冷却、油冷却、氟利昂冷却等。阀的绝缘方式和冷却方式之间的配合主要有四种形式,详见表4。

 
    可以看出,空气绝缘水冷却阀是近代直流工程换流阀的主流,冷却效果理想,检修维护方便,制造技术成熟,运行经验丰富。
    空气绝缘水冷却阀对空气的温度和净化有一定要求,故需采用户内式布置。
    世界上已投运的直流输电工程,阀的触发方式主要有光电转换触发和光直接触发两种。
    光电转换触发是目前使用最普遍的触发方式,已用于大多数直流工程,光电转换触发把由阀控系统来的触发信号首先传达到阀基电子设备(VBE),将触发指令扩大为每个阀的晶闸管数并转换为光信号,通过光缆传送到每个晶闸管级,在门极控制单元把光信号再转换成电信号,经放大后触发晶闸管元件。这种触发方式为了保证使上百个晶闸管同时触发,对元件的要求非常严格,各发光管、光接受器及光缆的特性要一致,分散性应尽量限制到最小范围,光接口装置的光损耗也要尽量小,以降触发功率损耗,安全快速触发晶闸管元件。
    光电转换触发利用了光电器件和光纤的优良特性,实现了触发脉冲发生装置和换流阀之间的低电位和高电位的隔离,同时也避免了电磁干扰,减小了各元件触发脉冲的传递时差,使均压阻尼回路简化和小型化,使能耗减少、造价降低,是当今直流输电工程的主流。
    光直接触发是换流阀的另一种触发方式,其工作原理是在晶闸管元件门极区周围,有一个小光敏区,当一定波长的光被光敏区吸收后,在硅片的耗尽层内吸收光能而产生电子一空穴对,形成注入电流使晶闸管元件触发。这种触发方式对光控晶闸管元件的光源有严格的波长、能量、寿命、效率等要求,以降低触发能量的损耗。与光电触发方式相比,光直接触发省去了控制单元的光电转换、放大环节及电源回路,简化了阀的辅助元件,改善了阀的触发特性,能提高可靠性。
    (2)晶闸管阀应能承受额定运行工况、连续过负荷及短时过负荷工况下的直流电流,这是由直流系统正常运行方式所决定的,而且还应具有一定的暂态过电流能力,这是由系统故障条件提出的要求。
    (3)晶闸管阀应能承受各种不同的过电压,阀的耐压设计应考虑保护裕度,考虑到电压的不均匀分布、过电压保护水平的分散性,以及其他阀内非线性因素对阀应力的影响,保护裕度必须足够大。
5.4.3 本条是对换流变压器选择的规定。
    (1)换流变的额定功率是最高环境温度和额定冷却条件下允许的长期连续负载功率,由温升试验验证。为适应直流输电多种运行方式的需要,发挥直流输电具有功率调节和紧急支援功能的优势,直流系统应具备一定的过负荷能力,换流变压器应具有与直流系统相协调的过负荷的能力。换流变压器的过负荷能力分为固有过负荷能力和强迫过负荷能力两种。前者是当环境温度低于最高环境温度或当备用冷却器投入运行时变压器能承受的长期过负荷,此时变压器热点温度不超过设计允许值;后者是在前者的基础上强迫做短时过负荷(规定过负荷值、过负荷时间和周期),以牺牲变压器寿命为代价。
    换流变压器型式选择应根据直流工程的容量、换流阀组及换流变的生产制造能力以及换流变压器的运输尺寸限制情况等综合考虑。在现有制造水平基础上,用于大容量的直流输电工程的换流变压器的型式有单相三绕组换流变和单相双绕组换流变两种型式。运输条件受限制或单相容量较大时,选用单相双绕组换流变压器。运输条件不受限制或单相容量较小时,选用单相三绕组换流变压器。由于单相三绕组换流变压器较单相双绕组换流变具有接线布置较简单、投资较省等特点,在运输及制造条件许可的前提下,应优先采用;若受制造能力或运输尺寸的限制,则采用单相双绕组变压器。
    (2)换流变压器短路阻抗值的选择应基于以下几方面的考虑:
    1)限制短路电流;
    2)使谐波分量减至最小;
    3)优化阀、滤波器和其他相关换流设备的设计。
短路阻抗值的选择还会直接对变压器的重量、尺寸和费用产生影响。短路阻抗值大会带来以下影响:
    1)较高的额定功率;
    2)增加换流器运行中的无功损耗:
    3)减少了换流器带来的谐波分量;
    4)减小了阀侧短路电流值。
    短路阻抗值的选择还与换流变压器绕组的接线、变压器绝缘水平和调压抽头的排列及结构有关。
    换流变压器的短路阻抗Uk一般根据换流阀短路电流耐受水平来确定,葛上、天广工程Uk=15%,三常、三沪、贵广工程Uk=16%,国际上直流工程Zk一般在12%~16%之间,最大达19%,最小为11%。
    (3)换流变压器分接头范围与交流母线电压变化、直流电流范围、换相阻抗,直流电压范围和运行角范围有关。通常,分接头范围的负抽头上限由最小交流母线电压下的全负荷或者有时是过负荷的运行决定。分接头范围的正抽头上限由最大交流母线电压下最小运行电流方式决定。当要求换流器具备在直流降压情况下的运行能力时,也需要扩大正抽头范围,降压运行需要更多的正抽头级数且是决定因素。
    (4)换流变压器可听噪声应按国家标准规定的方法测量,当冷却设备不投入运行时,在距离设备0.3m处测量,噪声水平不应大于80dB(A)。如果换流变压器的噪声水平不满足要求时,应采用降噪措施,如安装隔声罩(BOX-IN)或隔声屏障。
    (5)换流变压器耐受直流偏磁能力。换流变压器中的直流电流将导致变压器交流励磁偏磁,即使交流励磁的零轴产生偏移,从而导致换流变压器的温度升高,噪声增加和振动加剧等问题,在换流变压器运行中必须引起注意。
    导致换流变压器直流偏磁电流的原因主要有四个:
    1)触发角不平衡;
    2)在换流器交流母线上的正序二次谐波电压;
    3)由交流输电线在直流输电线中感应的基频交流电压;
    4)在单极大地回线运行期间,由于电流注入接地极,引起换流站地电位相对远方地电位升高。
    为了确定直流偏磁对换流变压器的影响,首先需要计算直流偏磁电流,然后将计算得到的直流偏磁电流叠加到交流励磁电流上,计算总励磁电流的有效值。该有效值将用于验证换流变压器铁芯材料和磁通密度的设计。        当流过换流变压器中性点的直流偏磁电流超过变压器的耐受能力时,应采取合适的限流或隔直装置。
5.4.4 本条是对平波电抗器选择的要求。
    1 平波电抗器具有两种型式:空芯干式和油浸式。这两种型式的平波电抗器在高压直流工程中均有成功的运行经验。与油浸式平波电抗器比较,空芯干式平波电抗器具有下列优势:
    1)对地绝缘简单;
    2)无油,消除了火灾危险和环境影响;
    3)潮流反转时无临界介质场强;
    4)负载电流与磁链呈线性关系;
    5)暂态过电压较低;
    6)可听噪声低;
    7)重量轻,易于运输;
    8)没有辅助运行系统,基本上是免维护的,运行、维护费用低。
    油浸式平波电抗器具有与空芯干式平波电抗器几乎相反的特点,其主要优势为:
    1)油浸式平波电抗器由于有铁芯,要增加单台电感量很容易;
    2)油浸式平波电抗器的油纸绝缘系统很成熟,运行也很可靠;
    3)油浸式平波电抗器安装在地面,因此重心低,抗震性能好;
    4)油浸式平波电抗器采用干式套管穿人阀厅,取代了水平穿墙套管,解决了水平穿墙套管的不均匀湿闪问题。油浸式平波电抗器的垂直套管也采用干式套管,使其发生污闪的概率降低。国外直流工程中也有采用干油混合式的平波电抗器,该方案结合了两种型式平波电抗器的优点,但运行维护不方便,备品多,价格贵,一般不推荐这种方案。
    2 平波电抗器的工作电流取值包括额定电流、连续过负荷电流、短时过负荷电流和暂态过负荷电流,此外,在设备规范书中还应给出平波电抗器的谐波等效电流。平波电抗器的温升试验的电流应按最大连续过负荷电流加上谐波等效电流考虑。由于油浸式平波电抗器通常采用风冷,因此其过负荷电流取值还应考虑备用冷却是否投入的影响。
    3 平波电抗器电感值由下列公式计算:
    式中:
    Vd0——换流器的理想空载电压;
    Idlj——容许的最小直流电流限值。
    (2)限制故障电流的上升率,其简化计算公式为:
式中:
    Vd——直流电压下降量,一般选取一个单桥的额定直流电压;
    Id——不发生换相失败所容许的电流增量;
    t——换相持续时间;
    β——逆变阀的额定越前触发角;
    δmin——不发生换相失败的最小熄弧角:
    f——交流系统的额定频率。
    平波电抗器电感量的取值应避免与直流滤波器、直流线路、中性点电容器、换流变压器等设备在50Hz、100Hz低频发生谐振。
    平波电抗器电感值会随着流过的直流电流值变化,为满足直流系统性能要求,平波电抗器电感值在最大直流电流到最小直流电流之间,应基本维持不变。
    5 平波电抗器可听噪声应按国家标准规定的方法测量,油浸式平波电抗器可听噪声应小于80dB(A),空芯干式平波电抗器应为60dB(A)~70dB(A)。如果平波电抗器的噪声水平不满足要求时,应采用降噪措施,如安装隔声罩。
5.4.5 减少交流滤波器类型有利于降低交流滤波器投资,同时减少备品备件。目前国内工程中已采用的几种交流滤波器的型式如图5。
5.4.10 当直流滤波器发生故障退出运行或直流滤波器检修完成投入运行时,为不影响直流功率输送,需要进行带电投切。由于流过直流滤波器的电流是谐波电流,幅值较小,并且需要进行带电投切的次数较少,为提高工程的经济性,通常采用高压直流隔离开关进行直流滤波器的带电投切操作。直流隔离开关没有灭弧装置,需明确带电切除的电流限制值,当工作电流超过电流限制值时不允许带电切除直流滤波器,否则可能烧坏直流隔离开关的触头。直流滤波器一般采用多调谐方案,高压电容器的电容量较大,带电投入操作可能对设备带来损害,因此部分工程对直流滤波器带电投入功能不作强制规定。
5.4.11 阻容分压器的电阻应具有足够的热稳定性,以保证在规定的环境温度范围内,该装置的测量精度变化不应超过0.5%;当被测电压在零至最大稳态高压直流电压之间变化时,测量精度应小于额定直流电压的0.2%;该测量装置的量程应满足测量直流电压1.5标么值的要求,测量精度应小于额定高压直流电压的0.5%。
    用于控制的高压直流电流测量系统,当被测电流在最小保证值和2h过负荷运行电流之间时,测量误差应不大于额定电流的±0.5%;用于保护的高压直流电流测量系统,当被测电流低于2h过负荷电流时,测量误差应不大于该测量装置额定电流的±2%;当被测电流达到额定电流的300%时,测量误差不能超过测量装置额定电流的±10%。

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