特高壓換流站站用直流系統配置

蒲皓

（西南電力設計院，成都市，610021）

0 引言

±800 kV特高壓換流站較常規換流站具有工程規模大、占地面積廣、接線復雜、運行方式靈活、控制保護設備配置復雜、直流負荷容量大并且相對分散等特點[1-10]。為保證特高壓換流站控制、保護、監視設備在正常情況下和事故情況下的正確動作，站用直流系統的設計必須可靠，資源利用最有效，設備配置及布置應合理優化。

本文以±800 kV復龍換流站和楚雄換流站站用直流系統為例，對特高壓換流站站用直流系統方案進行詳細的論述。

1 工程概況

1.1 工程規模和接線

復龍換流站和楚雄換流站的建設規模均為1回±800 kV直流出線，采用雙極接線。與常規換流站相比，其接線的最大特點在于每極采用2個12脈動閥組串聯接線，閥組的電壓按“400 kV+400 kV”配置，每個閥組裝設旁路斷路器及隔離開關回路。

1.2 直流控制保護設備配置

復龍換流站和楚雄換流站分別采用南瑞繼保公司和許繼公司成套提供的滿足特高壓直流輸電工程要求的控制保護系統。兩站控制保護系統均以閥組作為最基本的控制保護對象，按雙極、極、閥組分別配置主機。以每個閥組作為基本單元進行配置，可使各閥組控制功能和保護配置保持最大程度的獨立，以利于可以單獨退出1個閥組而不影響其他設備的正常運行。同時，直流控制保護系統均按雙重化或多重化原則冗余配置。

1.3 二次設備布置

復龍換流站的閥廳及換流變采用“面對面”布置，控制樓采用“一主兩輔”布置方案。在極1、極2的低壓閥廳端設有主控樓，在極1高壓閥廳端設有極1輔控樓，在極2高壓閥廳端設有極2輔控樓。在主控樓中布置有各極及其低壓閥組的控制保護設備，在各極輔控樓中分別布置有各極高壓閥組的控制保護設備。

楚雄換流站的閥廳及換流變采用“一字型”布置，控制樓采用“一主一輔”布置方案。在極2的2個閥廳間設有主控樓，在極1的2個閥廳間設有輔控樓。在主控樓中布置有極2及其高、低壓閥組的控制保護設備，在輔控樓中布置有極1及其高、低壓閥組的控制保護設備。

2 站用直流系統

2.1 站用直流系統的電壓等級

換流站站用直流系統一般采用控制負荷和動力負荷合并供電，根據DL/T 5044－2004《電力工程直流系統設計技術規程》的規定，系統標稱電壓可采用110 V或220 V。2種電壓等級在技術上各有優缺點，且在國內已投運的換流站中均有成熟的運行經驗。根據運行習慣，復龍換流站選用110 V電壓等級，楚雄換流站選用220V電壓等級。

在相同操作功率和供電距離情況下，采用220 V電壓時流經電纜的電流比采用110 V小1倍，特別是在遠距離供電時，電纜截面的減小將非常顯著。就特高壓換流站來說，其工程規模大，占地面積廣，直流電源供電距離相對更遠，采用220 V電壓等級在電纜截面選擇上的優勢更為突出。

對于控制保護設備所需的24 V直流電源，可通過110 V（220 V）/24 V直流電源變換器獲得，不設置單獨的24V直流系統。

2.2 站用直流系統方案配置

一般常規±500 kV換流站站用直流系統均采用按極設置方式，即極1、極2、站公用設備、交流場就地繼電器室分別設置1套獨立的直流系統。對±800 kV特高壓換流站來說，站公用直流系統和交流場直流系統的設置與常規換流站相同。針對特高壓換流站每極采用2個閥組串聯，全站共4個閥組的接線方案，其極用直流系統可采用2種不同的配置方案。

2.2.1 按閥組配置直流系統

復龍換流站采用按閥組配置直流系統的方案。全站共設4套閥組用直流系統，用于為各閥組的控制保護設備、閥廳事故照明以及各閥組的斷路器和隔離開關的直流電機等供電。極1、極2高壓閥組直流系統的設備分別布置在極1、極2輔控樓內。極1、極2低壓閥組直流系統的設備分別布置在主控樓內各極低壓閥組輔助設備室內。

對于各極控制保護設備以及各極的斷路器和隔離開關的直流電機等負荷，設置直流分柜供電。各極直流分柜的電源由高、低壓閥組直流系統分別取1回直流電源并通過切換得到。極1如圖1所示，極2同理。

該配置方案與全站控制保護系統按閥組為基本單元獨立配置和站用交流系統按閥組設置站用變是對應一致的，可提高供電可靠性，方便運行人員在閥組檢修時可以同時退出該閥組直流電源檢修而不影響其他設備的正常運行。當某閥組直流系統的一組蓄電池故障退出時，閥組負荷可通過切換母線聯絡開關用另一組蓄電池帶全部負荷，極控制保護負荷可通過極用直流分柜電源進線切換開關自動切換到另一閥組直流系統（雙套蓄電池組）供電。這樣在故障檢修期間將只降低對應閥組的安全運行可靠性，對整個極的可靠性影響不大。

同時，該方案比較適合全站“一主兩輔”的控制樓布置方式，每一極的高、低壓閥組的控制保護設備分別布置在不同的控制樓中，而且2個控制樓之間的距離較遠，按閥組配置直流系統可有效地減少直流電纜長度，是比較合理的一種方案。

圖1 按閥組配置直流系統示意圖Fig.1 DC system configuration based on valves

2.2.2 按極配置直流系統

楚雄換流站采用按極配置直流系統的方案。全站共設2套極用直流系統，用于為各極及其高、低壓閥組的控制保護設備、閥廳事故照明等負荷供電。

極1直流系統的直流主柜布置在輔控樓極1控制保護設備室內，極2直流系統的直流主柜布置在主控樓極2直流屏室內。各極控制保護設備的直流負荷由直流主柜供電。同時在各極高、低壓閥組控制保護室均設置直流分柜為各閥組的控制保護設備、閥廳事故照明供電。極1配置如圖2所示，極2同理。

該配置方案沿用了常規換流站站用直流系統的配置方案，設備相對較少，接線簡單，運行維護工作量小。但對1套極用直流系統來說，其同時對極和2個閥組的控制保護設備供電，只有在整個單極停運時，才能退出整套直流系統進行檢修，運行維護相對不便。當某組蓄電池故障退出時，運行人員可通過聯絡開關用另一組蓄電池帶全部負荷，這樣在故障檢修期間將可能降低整個極的安全運行可靠性。

同時，該方案也符合全站“一主一輔”的控制樓布置方式，同一極所有的控制保護設備均設置在同一控制樓中，考慮到設備及布置的經濟性，采用按極配置直流系統的方案同樣是經濟合理可行的。

2.3 站用直流系統的接線

考慮到特高壓換流站站用直流系統的用電負荷極為重要，對直流系統的可靠性要求亦非常之高，每套直流系統均設置2組蓄電池和3套充電裝置。直流母線采用單母線接線，每段母線接1組蓄電池和1套充電裝置，同容量公共備用充電裝置通過雙投開關可對2組蓄電池進行充電。2段母線之間設有聯絡用刀開關。直流網絡采用輻射狀供電方式，根據負荷分布情況，設置直流分柜，以簡化供電網絡、減少饋線電纜。

2.3.1 復龍換流站直流系統接線

復龍換流站每套直流系統的接線保持了國網換流站工程的習慣，均設3段母線饋電柜，其中A、B段母線分別接入2組蓄電池，C段母線由A、B段母線切換而來，切換為自動切換，由直流接觸器實現，并裝設于C段饋電柜內。直流控制保護設備的雙路工作電源和雙重化的保護裝置及斷路器跳閘線圈的電源分別由A、B段直流母線供電；對單電源供電要求的負荷（如斷路器保護、隔離開關控制電源、事故照明等）由C段直流母線供電。

圖2 按極配置直流系統示意圖Fig.2 DC system configuration based on poles

C段母線的設置提高了單電源負荷供電的可靠性，滿足了控制保護設備的供電要求，但也使得站用直流系統接線更為復雜，故障的幾率加大。站用直流系統不僅分直流主柜和分柜，而且采用A、B、C段母線，其中C段母線由A、B段母線自動切換而來。也就是說，直流主柜的A、B段為一級供電，C段為二級供電；直流分柜的A、B段為二級供電，C段為三級供電。這樣的多級供電方式增加了級差配合難度，在設計中應密切注意饋線開關的保護動作電流和動作時間的上、下級差的配合，保證它們之間的電流級差不小于4級，且應有足夠的靈敏系數。

2.3.2 楚雄換流站直流系統接線

楚雄換流站每套直流系統的接線沿用了南網換流站工程習慣，采用2段母線接線，每段母線接入1組蓄電池，正常時2段母線獨立運行，在2段母線切換過程中允許2組蓄電池短時并列運行。直流控制保護設備的雙路工作電源和雙重化的保護裝置及斷路器跳閘線圈的電源分別由2段直流母線供電；對其他單電源供電要求的負荷（如斷路器保護、事故照明等）則按其容量平均分接在2段直流母線上。

楚雄站站用直流系統雖然未設2段切換后的C段電源，但對站內重要的單電源負荷，如隔離開關的控制電源，采用了由控制柜的2路工作電源切換后供電的方式，也就是將電源切換回路下放到下一級設備中。對斷路器保護、事故照明等單電源回路，采用按容量均分在2段直流母線上的供電，當1組蓄電池故障時，可以通過聯絡開關手動切換至另1組蓄電池供電。

楚雄站站用直流系統的接線與南網常規換流站、變電站以及特高壓變電站的供電方式是一致的，符合設計習慣，有良好的運行經驗。

3 2種方案比較

綜上所述，復龍換流站和楚雄換流站站用直流系統的技術總結如表1所示。

特高壓換流站站用直流系統設計應以系統安全穩定、方便運行維護、經濟合理為原則。

考慮到±800 kV直流換流站每極采用2個12脈動換流閥組串聯接線方案，對于極和閥組用直流系統的設置可采用“按極配置”和“按閥組配置”2種方案，這2種方案各有優缺點，設計可根據工程的具體情況和運行管理要求以及二次設備的布置等進行方案比較予以確定。

表1 2種方案技術比較Tab.1 Technical comparison of 2 schemes

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