±800kV特高压柔直换流站电气总平面布置优化

±800kV特高压柔直换流站电气总平面布置优化

宋天立1，姜雨萌1，戚宇辰1，王诗皓1，李灏恩1，黄阮明1，邓申玮2

（1. 国网上海市电力公司经济技术研究院，上海市，200233

2. 中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海市，200001

摘要：近期5000A IGBT器件研发成功，亟需研究其对应的±800kV特高压柔直换流站电气总平面布置。结合建设规模、电气主接线、电气总平面布置原则，同时考虑减小占地面积、节约建设成本、降低对周围环境的影响，对某±800kV 8GW特高压柔直受端换流站工程的电气总平面布置进行优化，可为后续工程提供借鉴。

关键词：特高压；柔直；换流站；总平面布置

Optimization of Electrical General Layout for ± 800kV VSC-HVDC Converter Station

SONG Tian-li1, JIANG Yu-meng1, QI Yu-chen1, WANG Shi-hao1, LI Hao-en1, HUANG Ruan-ming1, DENG Shen-wei2

（1. State Grid Shanghai Economic Research Institute, Shanghai 200233, China

2. East China Electric Power Design Institute Co., Ltd of China Power Engineering Consulting Group, Shanghai 200001, China）

Abstract: Recently, the successful development of 5000A IGBT devices requires urgent research on the corresponding electrical layout of ±800kV VSC-HVDC converter stations. Based on the principles of construction scale, electrical main wiring, and electrical overall layout, while considering reducing land occupation, saving construction costs, and reducing the impact on the surrounding environment, the electrical overall layout of a ±800kV 8GW VSC-HVDC converter station project is optimized, which can provide reference for subsequent projects.

Key words：ultra-high voltage; VSC-HVDC; converter station; general layout

0  引言

特高压柔直换流站电气总平面布置是一项综合性、系统性设计工作。合理的总平面布置能提高土地利用率、降低建设成本、方便运维检修[1]。某±800kV特高压柔直受端换流站工程规划采用双极±800kV、8000MW、柔性直流技术方案[3]。受IGBT器件通流能力的限制，若要满足上述直流电压、容量的要求，以往工程需采用并联的方式来实现[1-2,4-5]，增加了占地和投资。近期5000A IGBT器件已研发成功，使得特高压柔直换流站能大幅减小占地面积。本文将基于5000A IGBT器件，对新型特高压柔直换流站的电气接线、各配电装置区域的布置展开初步研究。

1  建设规模及电气主接线

1.1  工程规模

某±800kV特高压直流受端换流站工程建设是提升所在地区外受电能力，保障“十五五”期间电力供需平衡，实现双碳目标的重要途径。本工程拟采用柔性直流技术路线，额定换流容量为8000MW，额定直流电流为5000A，建设规模如表1所示。

表1某±800kV特高压直流受端换流站工程建设规模

1.2  电气主接线

由于目前已研发出5000A的IGBT器件，满足本工程通流能力的要求，因此，本工程不再采用阀组并联方案，全站共设置4个阀组，每极高、低端阀组串联接线，阀组的电压配置按“400+400kV”考虑。柔直换流器考虑采用模块化多电平换流器（MMC），每个换流器由三相组成，每相分为上、下两个桥臂，通过换流变接于交流电网。

结合厂家调研、本站址大件运输条件，经技术经济比较，确定本工程高、低端柔直换流变均采用单台750MVA工厂组装方案。换流变压器采用单相双绕组型式，接线组别采用YNd11接线，以隔离两端零序分量的相互影响。

直流场接线采用双极直流典型接线型式，为提高能量可用率，采用双极带接地极接线，并按每个阀组装设旁路断路器及隔离开关回路。直流场按极分开对称布置，每极设置4台限流电抗器，分置于极线和中性线上。为限值短路电流对IGBT器件的影响，考虑将桥臂电抗器设置在换流器的直流侧，每个桥臂上设置1台桥臂电抗器，每极12台。

启动回路布置于换流变交流侧，以节省占地及投资，并减小变压器励磁涌流。

500kV交流侧采用3/2断路器接线，远景出线共12回、换流变压器进线4回、高压站用变进线2回、远景幅相校正器进线2回，共组成10个完整串，母线设分段断路器，共安装32台断路器。本期出线共10回、换流变压器进线4回、高压站用变进线2回，共组成7个完整串+2个不完整串，母线设分段断路器，共安装27台断路器。

换流站电气主接线示意图如图1所示。

图1  受端换流站直流侧电气主接线示意图

2电气总平面布置优化

换流站平面布置规划涉及到多个区域的布置与优化。根据换流站总平面布置“直流场－阀厅、换流变、启动回路－交流场”的流线型布局特点，对各区域的布置方式及其特点做进一步的论述。

2.1  换流区域布置

换流站内换流阀、换流变压器与启动电阻回路的安全运行是保障工程发挥效益的关键。同时换流区域的投资占了换流站建设总投资的绝大部分，因此该区域的布置应优先考虑保证换流变及阀厅的安全运行，其次也要兼顾投资与占地。

2.1.1  阀塔型式选择

本工程采用4500V/5000A的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor ，IGBT），经过初步调研，各个厂家换流阀尺寸主要技术参数如表2所示：

表2柔直换流阀塔的主要参数（4500V/5000A  IGBT）

由上表可以看出，双塔型式中的两个阀塔的总长度已超过了单塔长度，再考虑到双塔之间还需留有3~4m的空间，整个长度尺寸远大于单塔型式；而在宽度尺寸上，两种型式基本一致，因此，采用双塔型式换流阀的阀厅尺寸远大于单塔型式，为节省占地和投资，推荐采用单塔型式。

单塔型式分为4层或5层结构方案。从上表可以看出，5层结构方案在长度上可以减小3~3.5m，宽度上基本一致，高度上增加1.8~2m。两种方案阀厅的造价基本相当，但5层结构方案可以进一步减小换流站的纵向尺寸，相应减少征地费用，因此，从节省占地和投资角度考虑，换流阀塔推荐采用单塔型式5层结构方案。

对于推荐的单塔型式5层结构方案，为确保方案的适应性，按照最严苛条件进行考虑，高端换流阀塔尺寸暂按17860×6860×20000mm（长×宽×高）选取，低端换流阀塔尺寸暂按17860×6860×15391mm（长×宽×高）选取。

2.1.2  阀厅空气间隙

阀厅空气间隙与换流站的绝缘配合密切相关。因此，首先需要明确换流站的避雷器配置和绝缘配合，确定各点雷电冲击耐受电压和操作冲击耐受电压，然后据此和环境条件进行计算。根据雷电冲击耐受电压和操作冲击耐受电压（由绝缘配合研究决定）以及电极形状系数得到的空气净距，取两者中的较大者作为最小空气净距要求值。然后根据求得的最小空气净距，再乘以合适的安全系数作为工程实际的空气间隙进行阀厅设计。

本工程阀厅各点操作冲击耐受电压的取值及对应的最小空气间隙取值（按阀厅内极端最高温度60℃，无海拔修正）如表3所示。

表3阀厅空气净距计算取值表

2.1.3  阀厅尺寸

（1）阀厅长度

柔直阀厅长度主要由阀塔宽度、阀塔对地距离、阀塔相间距离决定[9]。根据不同相序阀塔布置顺序的差异，提出两种换流阀塔的布置方案。

方案一：换流阀塔由西到东依次呈C＋、C－、B－、B＋、A＋、A－排列，其中＋表示上桥臂，－表示下桥臂，下同。如图2所示。

图2  方案一换流阀塔布置示意图

方案二：换流阀塔由西到东依次呈C＋、A＋、B＋、B－、A－、C－排列。如图3所示。

图3  方案二换流阀塔布置示意图

根据上述阀塔尺寸选取结论，高、低端阀塔宽度W均为6860mm。根据上述空气间隙计算结论，高、低端阀塔上/下桥臂相间距离W1均为3600mm，高、低端阀塔上桥臂对下桥臂相间距离W2均为5000mm。

对于方案一，横向尺寸为6×W＋3×W2＋2×W1=63360mm；

对于方案二，横向尺寸为6×W＋W2＋4×W1=60560mm。

方案二横向尺寸比方案一减小2800mm。

对于纵向尺寸，由于方案二在阀塔交流侧换相，在完成上、下桥臂阀塔连线时需跨越不同相，为满足电气距离，即使采取悬吊、支撑绝缘子相结合的方案，纵向尺寸要比方案一增加1500mm。

由于本工程采取4个阀厅一字型布置，方案二中每个阀厅宽度减小2800mm，整体宽度减小11200mm。相较于方案一仅纵向尺寸减小1500mm，方案二在节省占地面积上更有优势。另外，方案一还需在阀塔直流侧换相，需在直流场桥臂电抗器处设置汇流母线塔，通过上跨线来实现换相接线，进一步增加了投资和占地。

综上所述，推荐柔直阀塔布置顺序采用方案二，即“C＋、A＋、B＋、B－、A－、C－”排列。

另外，根据上述空气间隙计算结论，高、低端阀塔两侧对地距离分别为7100mm、3400mm。高、低端阀厅主立柱中心至柱脚法兰外缘的距离分别为1800mm、1500mm。

因此，高端阀厅长度：60560＋2×7100＋2×1800＝78360mm，考虑一定的裕度，取80000mm；低端阀厅长度：60560＋2×3400＋2×1500＝70360mm，考虑一定的裕度，取73000mm。

（2）阀厅宽度

阀厅宽度主要由以下因素确定[6]：1）换流变阀侧套管对墙距离L11；2）阀侧套管与换流阀之间接线间隙及设备布置L12；3）换流阀塔本体长度L；4）换流阀与直流侧穿墙套管之间接线间隙及设备布置L22；5）直流侧穿墙套管对墙距离L21。如图4所示。

图4  推荐方案阀厅布置断面示意图

根据上述阀塔尺寸选取结论，高、低端阀塔长度L均为17860mm。经向换流变厂家收资，高、低端换流变阀侧套管对墙实际净距分别约为7500mm、5200mm；高、低端换流变套管均压环纵向外径分别约1800mm、1300mm。为完成△接线，在套管外侧~1000mm处设置支撑/悬吊绝缘子。高、低端阀厅主钢立柱中心至墙面内侧的距离约1900mm、1700mm。

因此，高端阀厅L11： 7500＋1800＋1000－1900＝8400mm，考虑一定裕度，取8500mm；低端阀厅L11：5200＋1300＋1000－1700＝5800mm，考虑一定裕度，取5900mm。

阀侧套管与换流阀之间接线间隙及设备布置L12主要取决于阀塔交流侧换相接线所需空间[6-8]。根据上述空气间隙计算结论，换流变阀侧相间所需净距为2300mm，高、低端阀桥抗阀侧对高端换流变阀侧（同相）所需净距为3200mm，高、低端阀桥抗阀侧对高端换流变阀侧（不同相）所需净距为3600mm。

由于阀塔交流侧连接线存在不同相之间的交叉跨越，为减小纵向尺寸，考虑采用支撑和悬吊绝缘子相结合的方式。在满足上述净距要求的情况下，兼顾金具均压球尺寸，并考虑一定裕度，高、低端阀厅L12均取11000mm。

对于直流侧穿墙套管对墙距离L21，高端阀厅受控于800kV穿墙套管、低端阀厅受控于400kV穿墙套管。为满足套管对周边主钢立柱的电气净距，厂供套管的实际长度会比要求值有所增加。经向穿墙套管厂家收资，800kV穿墙套管户内侧端部（含均压环）至墙面的距离约为10000mm，400kV穿墙套管户内侧端部（含均压环）至墙面的距离约为5400mm。

为满足套管连线需求，从套管端部至支撑绝缘子的水平距离约为1000mm。高、低端阀厅主钢立柱中心至墙面内侧的距离分别约1900mm、1700mm。

因此，高端阀厅L21：10000＋1000－1900＝9100mm；低端阀厅L21：5400＋1000－1700＝4700mm。

根据接线要求，在直流侧穿墙套管至阀塔之间布置有避雷器、接地开关、电流测量装置等设备。考虑一定裕度，高、低端阀厅L22分别取8000mm、4500mm。

综上所述，高端阀厅宽度（两侧柱中心间距）：17860＋8400＋11000＋9100＋8000＝54360mm，考虑一定裕度，取54500mm；低端阀厅宽度（两侧柱中心间距）：17860＋5900＋11000＋4700＋4500＝43960mm，考虑一定裕度，取44000mm。

（3）阀厅高度

根据图4所示，阀厅高度主要由以下因素确定[10]：1）换流阀本体的高度H；2）悬吊绝缘子至阀塔顶部的距离H1；3）悬吊绝缘子至屋架的距离H0。

根据上述阀塔尺寸选取结论，高、低端阀塔高度H分别为20000mm、15391mm。

悬吊绝缘子至阀塔顶部的距离H1主要取决于阀塔交流侧换相接线所需空间。结合空气净距要求及L12的取值，兼顾金具均压球尺寸，并考虑一定裕度，确定高、低端阀厅H1取2500mm。

根据上文空气间隙计算结论，兼顾悬吊绝缘子花篮螺栓长度及安装工字钢的高度，并考虑一定裕度，确定高、低端阀厅H0分别取8000mm、4500mm。

综上所述，高端阀厅净高：20000＋2500＋8000＝30500mm；低端阀厅净高：15391＋2500＋4500＝22391mm。考虑地面设备支架高度和一定裕度，确定高、低端阀厅净高分别取31000mm、23000mm。

（4）阀厅尺寸总结

综上所述，本工程阀厅尺寸总结如下：

表4阀厅尺寸总结

图5  阀厅布置示意图

2.1.4  换流变及启动回路布置

柔直换流变的布置型式取决于启动回路的布置位置。经咨询各设备厂家，若将启动回路设置于阀组与换流变之间，由于要承受交、直流叠加的电压，且回路电流较大，厂家需重新研制新设备，特别是断路器，可能需采用1000kV的4断口开关设备来替代，大幅增加了造价及占地。为节省占地及投资，本工程考虑将启动回路布置于换流变的交流侧。

如图5所示，换流变压器采用阀侧套管插入阀厅的布置方式，每个阀厅对应的3台换流变压器一字排开布置于阀厅一侧，中间用防火墙隔开，换流变阀侧套管在阀厅内完成Y、△连接。两相换流变防火墙之间的场地用于布置启动回路设备。换流变网侧先接至相邻布置的启动回路，再通过上跨线接入组装场地对侧的500kV交流配电装置。

2.1.5  换流区域布置

全站共设4个阀厅，采用“一”字型布置。每极设高、低端阀厅各1座，高、低端阀厅相邻脱开布置。每个阀厅旁各布置1座辅控楼。每座阀厅需配置3套阀外冷设备，布置于阀厅与辅控楼旁的空闲场地上。

如图6所示，换流变压器及启动回路紧靠阀厅一字排开，在阀厅及换流变前设置换流变运输和组装场地。

优化后整个换流区域的总尺寸为445m×118.5m（长×宽）。

图6  换流区域布置示意图

2.2  直流场区域布置

由于阀厅整体横向尺寸较大，为便于接线，直流场需采用扁平化布置与阀厅相匹配。直流中性线设备和接地极出线设备布置在中央，直流极线设备布置在两侧。极线设备区域呈3排式布置，第1排（靠近阀厅侧）主要布置有桥臂电抗器、第2排主要布置有旁路回路（呈“口”字形布，之间设有极出线塔）、中性线限流电抗器等、第3排布置有极母线回路（含极线限流电抗器）、金属回路母线等。如图7所示。

优化后整个直流场的总尺寸为399m×70.75m（长×宽）。

图7  直流场平面布置示意图

2.3  500kV交流配电装置区域布置

500kV交流配电装置采用户内GIS。通过分析研究，确定GIS室宽度16.6m、高度15.5m可以满足不同厂家、不同断路器型式的设备布置及检修空间要求。结合线路走向及按高、低端分层的接入方案，优化配串方案、各进出线的位置及GIS管线的布置方案，最大程度减少GIS管线的交叉、减少GIS母线长度和GIS室长度。

另外，在500kV GIS室两侧布置500kV降压变、远景幅相校正器、站外电源配电装置及2台备用换流变，使得整个区域布置合理、紧凑。如图8所示。

优化后整个交流场的总尺寸为438.5m×59m（长×宽）。

图8  500kV交流配电装置平面布置图

2.4  电气总平面布置

电气总平面布置总体布局上体现“直流开关场－阀厅、换流变、启动电阻回路－交流配电装置”的流线型布置特点，并结合站址地形、交直流出线方向以及配电装置型式等条件进行综合设计，尽可能做到工艺流程畅顺，技术先进，运行、施工、维护、检修、扩建方便以及经济优化等。

本工程阀厅和辅控楼及换流变压器、启动回路区域布置在直流场和交流场之间，换流站的中间位置。直流场采用户外布置于站区西侧，直流极线及接地极线路从西侧进线。500kV交流配电装置位于站区东侧，采用户内GIS方案，500kV交流线路向东出线。500kV降压变、远景幅相校正器、备用换流变及站外电源配电装置布置在500kV GIS室南、北两侧。进站道路从北侧引接进站，正对换流变运输道路。辅助生产及附属建筑物按功能要求和运输方便分散布置，主要集中在站区北部。

优化后的电气总平面布置具有接线顺畅、分区清晰、便于运维、扩建方便、布置紧凑、围墙规整等优点，围墙内占地面积为12.447公顷。

图9  受端换流站电气总平面布置示意图

3结语

换流站总平面布置的科学性与合理性，直接关系到工程投资、设备与人员安全、运行维护等许多工程关键要素，是换流站设计的主要内容。5000A IGBT器件的研发成功，对±800kV 8GW柔性直流换流站的电气平面布置带来了颠覆性的变化。本文对电气平面布置的优化研究，可为后续±800kV 8GW柔性直流换流站的布置优化提供借鉴参考。

参考文献

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第一作者简介：宋天立（1992-），男，汉族，安徽芜湖人，中级工程师，研究方向为多能源电力系统，现从事电网规划工作。

联系方式：上海市黄浦区河南中路99号4楼，200001，中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，邓申玮（收），021-22017362，dengsw3371@ecepdi.com