換流站閥廳用接地開關的設計*

徐光輝，李宇鵬，胡延濤，王占杰，鐘建英

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001）

1 概述

我國能源資源和經濟社會發展不均衡的基本國情決定了發展特高壓輸電及直流輸電的必要性。根據負荷分布特點，特高壓交流定位于主網架建設和跨大區送電，使特高壓交流電網覆蓋范圍內的大型煤電、水電、風電、核電能就近接入；特高壓直流定位于大型能源基地的遠距離、大容量外送，西南水電基地、西北及新疆等煤電、風電基地和跨國電力通過直流輸送。構建“強交強直”混合電網，可以充分發揮兩種輸電方式的功能和優勢，保證電網安全性和經濟性。2011年，第十一屆全國人民代表大會第四次會議審議通過的《國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》明確提出：“推動能源生產和利用方式變革，發展特高壓等大容量、高效率、遠距離先進輸電技術”，“形成若干條采用先進特高壓技術的跨區域輸電通道”[1]。

2010年6月世界首個±800 kV直流輸電工程——云廣特高壓直流輸電工程雙極竣工投產，這是迄今世界電壓等級最高的直流輸電項目，標志著中國全面進入了特高壓交直流混合電網時代。

圖1 閥廳內接地開關典型電氣布置圖

換流站閥廳接地開關的研制，是基于我國電力建設的布局實現西電東送、南北互供的需要，結合國家電網公司和南方電網公司未來電網建設發展，提出的前瞻性項目。閥廳接地開關是直流工程閥廳內設備的重要組成部分，是閥廳內設備進行檢修的安全保障，是換流站直流場設計布置的重要設備。典型電氣布置圖如圖1所示。

2 產品正常使用條件和基本參數

由于閥廳接地開關安裝在換流站的閥廳內，屬于戶內開關設備，根據使用場所，對其要求如下。

（1）產品正常使用條件

1）周圍空氣溫度：0℃～+40℃；

2）相對濕度：不大于60%（20℃）；

3）地震烈度：不超過AG3；

4）安裝場所無經常性的劇烈震動及易燃、易爆物質和化學腐蝕性氣體等的影響。

（2）產品基本參數

如表1所示。

3 閥廳接地開關總體設計方案

如圖2所示，根據換流站閥廳內設備布置的特點，在換流站的閥廳內，一般安裝有換流閥（三相四重閥）、各類套管、閥組避雷器、電壓分壓器等高電壓設備，以及大量的母線用于四重閥與換流變壓器和避雷器的連接。換流閥與交流系統的連接是由穿過閥廳的套管來實現，它包括穿墻套管、換流變壓器閥側繞組套管（交流）、油浸式平波電抗器靠近閥側的套管（直流）。套管的結構可以是實心的、充氣或油絕緣的[2]。對于這些高壓電氣設備的接地，要求接地開關的布置必須靈活，可以方便地進行接地檢修，而接地開關又必須適合布置在閥廳內，不占用大量閥廳的面積，不然的話必定增加閥廳的建設成本。

表1 基本參數

圖2 閥廳內各種高壓設備典型位置圖

因此，對于閥廳內接地開關采用側墻式安裝結構，接地開關本體直接安裝在閥廳的墻面上，而接地靜觸頭則能方便地安裝在各種高壓設備上，這樣可以方便地對高壓設備提供接地。

閥廳接地開關主要包括安裝在墻面上的本體部分，以及安裝在各種高壓設備套管頂部屏蔽罩上的接地靜觸頭。

在閥廳墻面上安裝的本體部分主要由底座裝配、齒輪箱裝配和操動機構組成，底座裝配上安裝有接地刀桿，通過其運動插入接地靜觸頭來實現對安裝接地靜觸頭設備的接地。齒輪箱內安裝正交的兩個錐齒輪，用以實現對操動機構的運動方向的轉換，通過由齒輪箱內安裝的拐臂和底座裝配的轉動座及拉桿構成的四連桿結構，將操動機構的旋轉變換為接地刀桿的運動。由于不同安裝位置的接地開關承受的電壓不同，其接地刀桿長度也有所不同。為保證不同安裝位置的接地開關均能順利分合閘，在底座裝配上還通過安裝一對正交的錐齒輪來設置了一個平衡裝置，使其與接地刀桿同時進行運動，通過配重塊在接地開關分合閘過程中的重力矩變化來平衡接地刀桿分合閘過程中的重力矩變化，以達到接地開關運動平穩可靠的目的。

為減小閥廳內的電暈，對閥廳接地開關而言，還需加裝屏蔽環。屏蔽環的結構設計是限制產品電暈放電的關鍵元件。電暈放電不僅有能量的損失，同時會對其周圍通訊設備產生無線電干擾。通常，接地開關屏蔽的目的可以不考慮由于電暈放電形成的能量損失，但是，由于閥廳內是一個封閉的環境，對電暈放電所產生的無線電干擾和噪音干擾必須加以限制。電極上的電暈放電與電極上的電壓高低無關，僅與電極上的電場強度有關。因此在接地開關屏蔽環的設計時，考慮在額定電壓下屏蔽環表面的最大場強不超過起始電暈放電場強來設計。由于閥廳接地開關安裝在不同位置時，其額定電壓不同，在換流變壓器的閥繞組側所承受的電壓為直流電壓疊加交流電壓，并且在兩側繞組中均有一系列的諧波電流，而在極線側套管及中性母線側則承受直流電壓。在直流場作用下，經過自由電荷弛豫過程后，不同介質分界面上的自由電荷達到穩定分布后，電流場分布亦達到穩態。此時開關本體不同介質內部的場強按照電阻率來分布，因此直流場條件下采用恒定電流場分析模塊對開關本體進行有限元分析。因此，根據此原則，對安裝在高壓設備的接地靜觸頭加裝均壓球，此時閥廳內的空氣凈距可以達到最小。同時對其底座裝配和齒輪箱、接地開關分閘位置均加裝均壓環，以改善電場，減小電暈。

閥廳接地開關的工作原理為：安裝在墻面上的操動機構動作，通過垂直連桿帶動齒輪箱內的錐齒輪轉動，將機構的水平旋轉動作變換為垂直轉動，然后通過齒輪箱的拐臂、聯桿和接地開關底座上的轉動座構成的四連桿系統帶動接地刀桿轉動，實現接地刀桿上安裝的動觸頭插入或離開接地靜觸頭的動作，從而實現接地開關的分合閘操作。

在合閘狀態時，接地開關能耐受動熱穩定電流。此時齒輪箱的拐臂處于死點狀態，在配重塊的平衡作用下，即使出現短路電流，在短路力、重力、振動、沖擊或者偶然碰到操動機構的傳動桿時，接地開關均不會出現分閘動作。

接地開關的動觸頭采用銅鍍銀處理，在端部設計采用錐度導向，以方便插入接地靜觸頭時減少操作阻力，能夠順暢插入。接地靜觸頭采用環形玫瑰瓣觸指，觸指鍍銀，并安裝環形彈簧，與動觸頭多片接觸，保證電流通過壓緊的銀－銀觸頭流動。觸指外安裝導向罩，在分合閘時對動觸頭進行導向，使接地開關在動觸頭即使出現小范圍的偏差時也能順利插入到靜觸頭中。

接地刀桿通過自重和安裝在底座上的配重塊保持平衡，由于接地刀桿和配重塊均為圓周旋轉運動，故其重力矩變化曲線擬合后能隨時保持平衡，使接地開關操作平穩可靠。

圖3 安裝在換流變壓器上的閥廳接地開關

安裝在換流變壓器上的閥廳接地開關如圖3所示。安裝在均壓罩內的接地靜觸頭如圖4所示。閥廳接地開關實物如圖5所示。

4 產品的型式試驗及運行

根據GB/T 25091-2010高壓直流隔離開關和接地開關的要求，對設計完成的閥廳接地開關進行了相關的型式試驗，包括額定短時耐受電流試驗、峰值耐受電流容量試驗、機械特性試驗、機械操作試驗、機械壽命試驗、接線端子靜拉力試驗、整體抗彎試驗等試驗項目。

圖4 安裝在均壓罩內的接地靜觸頭

2010年7月，閥廳接地開關開始在葛滬二回直流綜合改造工程湖北荊門站進行安裝。葛滬二回直流綜合改造工程是三峽地下電站送電華東電力通道的重要組成部分，是三峽四個直流輸電項目的最后一個工程，它與±500 kV葛-南直流輸電工程（輸送功率為1200 MW）共用現有的輸電走廊，節約了大量的建設用地，是一個典型的資源節約型、環境友好型工程，也是我國第一個同塔雙回、輸送功率達到3000 MW的直流輸電工程。荊門換流站為該工程的送端換流站，楓涇換流站為受端換流站。兩站均為雙極布置，直流電壓為±500 kV，每極采用兩組12脈沖換流器串聯，換流變壓器（單相雙繞組）14臺（其中2臺備用），每臺容量297 MVA；500 kV交流濾波器總容量1900 Mvar；500 kV高壓并聯電抗器2組，容量均為150 Mvar。工程建設±500 kV高壓直流輸電線路1回，接地極線路1回；500 kV交流出線終期6回，本期出線6回（3回至三峽地下電站，3回至荊門特高壓變電站），與晉東南-南陽-荊門1000 kV特高壓交流試驗示范工程構成強交流、強直流相互補充、相互支撐的堅強電網。

圖5 閥廳接地開關

5 閥廳接地開關的發展趨勢

2011年，閥廳接地開關中標葛滬二回直流綜合改造工程，在上海楓涇換流站和湖北荊門換流站進行安裝。2011年3月，葛滬二回直流綜合改造工程完成安裝，開始帶電運行。至今工程運行情況優異，閥廳接地開關的性能穩定、運行良好，通過了工程實踐的考驗。

2011年及2012年，在葛滬二回直流綜合改造工程用閥廳接地開關成功運行的基礎上，又接連中標溪洛渡±500 kV同塔雙回輸電工程昭通站和東北-華北聯網高嶺背靠背擴建工程，目前兩個站的閥廳接地開關都已經安裝調試完畢。

2012年，新疆哈密南至鄭州±800千伏特高壓直流工程開工建設，起自新疆哈密南部能源基地，止于河南鄭州，線路全長2210千米，計劃于2013年9月30日實現低端雙極投運，其設備中有±500 kV閥廳接地開關14臺，±800 kV閥廳接地開關2臺，2014年實現全面投運。在溪浙特高壓工程中，雙龍站使用±500 kV閥廳接地開關10臺，±800 kV閥廳接地開關4臺。

±500 kV閥廳接地開關的完成及其在葛滬二回直流綜合改造工程中的正式運行，表明已經初步掌握了閥廳內開關設計技術，掌握了對閥廳內接地開關的參數確定、選型、設計、制造、裝配、試驗等核心技術，為國家電力工程需要而研制的±800 kV直流工程用閥廳接地開關和±1120kV直流工程用閥廳接地開關提供了寶貴的設計經驗和運行經驗。

［1］國家電網公司.“三華”同步電網知識手冊［M］.北京：中國電力出版社，2011.

［2］趙畹君.高壓直流輸電工程技術［M］.北京：中國電力出版社，2011.