特高压换流站中站用变应用连接方案研究
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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压侧小变比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换流站是目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10kV。
特高压换流站中500kV交流站用变与GIS连接的方式可采用架空连接和GIL连接等多种方式。
架空连接方式考虑GIS设备套管与站用变采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GIS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：OIP和RIP两类。
油纸（OIP）套管的主绝缘为油浸纸电容芯子，电容芯子经真空干燥后由变压器油真空浸渍而成；OIP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OIP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与站用变压器采用GIL连接后，该回路避雷器和电压互感器由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IM和IIM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压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330kV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。过励磁保护由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电负荷为10MVA，但考虑到500kV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压器油温度较低，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1.5~1.6T，饱和磁通密度为1.8~2T。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500kV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1.1p.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110kV～500kV降压变压器、升压变压器和系统联络变压器，相间短路后备保护用过电流保护不能满足灵敏性要求时，宜采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敏系数为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VT。
（3）小结
综上所述，结合本工程的实际情况，站用变保护和计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情况，对线路雷电进波对设备的过电压影响，采用电磁暂态计算程序，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MOA
站用变侧不装MOA, 母线装MOA
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
51/53
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
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，需要采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1675kV，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500kV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
500kV油-空气套管
20
12ֻ
/
500kV油-SF6套管
19
/
6ֻ
500kV AIS避雷器
5.5
6ֻ
/
500kV GIS避雷器
24
/
6ֻ
500kV 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
在第三章论述中，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，由于常规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压侧小变比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。但是由于处在应用初期，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EVT。
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。
Ø方式一：500kV母线设置单相VT，站用变500kV侧设置三相VT
500kV母线单相VT采用常规型式，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。
Ø方式二：500kV母线设置三相VT，站用变500kV侧不设置VT
500kV母线三相VT采用EVT，站用变500kV侧采用三相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，500kV母差保护采用常规CT。
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压，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GIS电压互感器，约增加投资80万元。
站用变保护、测控、计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
500kV油-空气套管
20
12ֻ
/
500kV油-SF6套管
19
/
6ֻ
500kV AIS避雷器
5.5
6ֻ
/
500kV GIS避雷器
24
/
6ֻ
500kV GIS常规CT
18
6ֻ
/
500kV GIS ECT
6
/
6ֻ
500kV AIS常规VT
8.2
6ֻ
/
500kV GIS常规VT
40
2ֻ
2ֻ
500kV GIS EVT
12
/
6ֻ
500kV GIL
1
134m
130m
中性点套管ECT
0.5
/
6ֻ
中性点套管常规CT
0.5
6ֻ
/
10kV开关柜ECT
0.5
/
6ֻ
10kV开关柜EVT
0.5
/
6ֻ
10kV开关柜常规CT
0.5
6ֻ
6ֻ
10kV开关柜常规VT
0.5
6ֻ
6ֻ
合并单元
2.5
/
12ֻ
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围，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型的换流站及变电站中，这就需要相关规程规范针对油-SF6套管的特点，调整试验和检修要求，以利于该设备的推广应用。
同时，由于GIL连接方案要求避雷器和VT改用GIS型式，需要增加设备投资。本换流站经论证，可以取消站用变过励磁保护和复压启动回路，取消站用变500kV侧回路VT，因此该工程采用GIL连接方案可以节省投资。
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压侧小变比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。