±800kV直流换流站设计规范 GB/T50789-2012(2022年版)
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5.5 主要设备选择

5.5.1 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 换流阀阀本体及其控制、保护装置的设计应保证阀能够承受由于阀的触发系统误动以及站内外各种故障所产生的电气应力。

5.5.2 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 换流变压器形式应结合容量、设备制造能力以及运输条件确定。

    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 换流变压器应具有耐受一定直流偏磁电流的能力。

    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。

5.5.3 平波电抗器选择应符合下列规定:

    1 平波电抗器可选择空芯干式或油浸式。

    2 平波电抗器额定电流应按直流系统额定电流选定,并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谐波电流和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。

5.5.4 交流滤波器选择应符合下列规定:

    1 交流滤波器有单调谐型、双调谐型、三调谐型等形式,结合不同频次的谐波可组成多种形式。

    2 同一个换流站内交流滤波器的形式不宜超过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及电压和背景谐波所产生的谐波电流及电压确定。

    4 交流滤波器电抗器宜采用低噪声电抗器,高压电容器宜采用双塔布置。

5.5.5 直流滤波器选择应符合下列规定:

    1 直流滤波器宜采用双调谐或三调谐无源滤波器。

    2 直流滤波器各元件的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。

5.5.6 直流避雷器的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。

5.5.7 旁路断路器的额定电流不应小于直流输电系统短时过负荷电流,其转换能力应与控制系统相配合。

5.5.8 金属回路转换断路器和大地回路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。

5.5.9 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。

5.5.10 直流隔离开关应满足各种工况的直流工作电流及过负荷电流的要求。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。

5.5.11 直流电压测量装置和直流电流测量装置选择应符合下列规定:

    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直流光纤传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。

5.5.12 直流绝缘子、套管选择应符合下列规定:

    1 户外布置时,直流绝缘子和套管的爬电比距应根据换流站的污秽水平以及直流绝缘子和套管的耐污特性进行选择,并应计及直径大小对爬电距离的影响;户内布置时,直流绝缘子和套管的爬电比距宜采用表5.5.12所列数值。

表5.5.12 户内直流绝缘子和套管的爬电比距推荐值

    2 直流绝缘子和套管应根据等值盐密与积污特性的关系、运行电压和伞裙对积污的影响、闪络特性及闪距进行选择。

5.5.13 直流导体应结合回路工作电流、电磁场效应、无线电干扰和可听噪声进行选择。硬管母线的动稳定、微风振动和扰度应根据现行行业标准《换流站导体和电器选择设计规程》DL/T 5584的有关规定进行校核。

5.5.14 交流设备的选择应符合现行行业标准《导体和电器选择设计规程》DL/T 5222的有关规定。

 

条文说明
5.5.1 本条是关于换流阀的规定。
    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4种形式,详见表1。
表1阀的绝缘方式和冷却方式之间的配合形成及比较
续表1

    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,故须采用户内式布置。
    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,分散性要尽量限制到最小范围,光接口装置的光损耗也要尽量小,以降低触发功率损耗,安全快速地触发晶闸管元件。
    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-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。
    晶闸管阀不仅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决定的,而且要具有一定的暂态过电流能力,这是系统故障条件提出的要求。
    晶闸管阀要能承受各种不同的过电压,阀的耐压设计要考虑保护裕度,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,保护裕度应该足够大。
5.5.2 本条是关于换流变压器的规定。
    (1) 换流变压器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,直流系统要具备一定的过负荷能力,换流变压器要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。
    换流变压器形式选择要根据直流工程的容量、换流阀组及换流变压器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。在现有制造水平的基础上,用于大容量的直流输电工程的换流变压器的形式有单相三绕组换流变压器和单相双绕组换流变压器两种形式。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压器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,要优先采用;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要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。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%。
    ±800kV上海奉贤换流站工程经初步计算,当Uk=16%时,阀侧短路电流约为45.5kA,当Uk=16.7%时,约为44kA,当Uk=18%时,约为40.9kA,从以上结果可以看出,当Uk较小时,虽对换流站系统运行有利,但阀侧短路电流过大,对设备制造不利。目前云广工程Uk=18%(送端)、Uk=18.5%(受端),向家坝一上海奉贤工程Uk=18%(送端)、Uk=16.7%(受端)。
    (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而决定。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。
5.5.3 本条是关于平波电抗器的规定。
    1 平波电抗器具有两种形式:空芯干式和油浸式。这两种形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:对地绝缘简单;无油,消除了火灾危险和环境影响;潮流反转时无临界介质场强;负载电流与磁链呈线性关系;暂态过电压较低;可听噪声低;重量轻,易于运输;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入阀厅,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,该方案结合了两种形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 平波电抗器的额定值选择要满足直流系统各种运行工况。
    3 平波电抗器电感值L由下列公式计算:
    (1) 防止直流低负荷时电流间断,其计算公式为:
    式中:
    Idlj一容许的最小直流电流限值;
    Vdo—换流器的理想空载电压;
    ω—基频角频率,ω=2πf。
    (2) 限制故障电流的上升率,其简化计算公式为:
    式中:
    Vd一直流电压下降量,一般选取一个单桥的额定直流电压;
    Id一不发生换相失败所容许的电流增量;
    t一换相持续时间;
    β一逆变阀的(触发)超前角;
    δmin一不发生换相失败的最小熄弧角;
    f一交流系统的额定频率。
    平波电抗器电感量的取值要避免与直流滤波器、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要基本维持不变。
5.5.4 减少交流滤波器类型有利于降低交流滤波器投资,同时减少了备品备件。目前国内工程中已采用的几种交流滤波器的形式见图3。
图3交流滤波器的形式
5.5.11 阻容分压器的电阻要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要超过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,测量精度要小于额定直流电压的0.2%;该测量装置的量程要满足测量直流电压1.5标幺值的要求,测量精度要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,测量误差要不大于额定电流的±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,测量误差要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%。
5.5.12 根据实际工程经验,在特高压换流站内,阀厅通常都具有微正压环境控制,能保持清洁且湿度可控,阀厅内设备的外绝缘污秽闪络几乎不可能发生。国内外大量运行经验表明,阀厅内设备外绝缘爬电比距取14mm/kV是安全合理的。对于户内直流开关场,通常无微正压环境控制,但可避免凝露,虽然相比于阀厅的洁净度来说略差,但也高于户外环境。因此,对户内直流开关场内设备外绝缘爬电比距的要求介于阀厅和户外环境之间,可取20mm/kV~30mm/kV。
5.5.13 随着换流站直流输送容量的逐步提升,直流导体的载流量成为换流站直流通流回路(尤其是直流中性线回路)导体选型的重要控制因素之一。因此,本条补充了按照回路工作电流条件进行导体选择。

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