高地震烈度區換流站1 000 kV交流濾波器配電設備選型

鄒家勇，孫梓航，孫東風，吳怡敏

（1.西南電力設計院，成都　610000；2.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南　250021；3.國網山東省電力公司菏澤供電公司，山東　菏澤　274000）

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高地震烈度區換流站1 000 kV交流濾波器配電設備選型

鄒家勇1，孫梓航2，孫東風3，吳怡敏1

（1.西南電力設計院，成都610000；2.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南250021；3.國網山東省電力公司菏澤供電公司，山東菏澤274000）

摘要：根據目前1 000 kV特高壓交流設備生產研發情況，從設備可靠性及投資經濟性兩個方面提出分層接入換流站1 000 kV交流濾波器設備選型推薦方案，考慮該選型方案可能帶來的抗震及電磁環境問題，利用有限元方法校核推薦的設備型式下配電裝置的抗震性能及離地1.5 m處場強，校核結果顯示，該選型方案能夠滿足規程要求的抗震要求及場強限值，證明了該方案的可行性。

關鍵詞：分層接入換流站；交流濾波器；柱式斷路器；配電裝置

0　引言

隨著我國特高壓交、直流輸電技術的發展，為提高多饋入直流系統的電壓支撐能力、引導電網潮流合理分布、解決多饋入直流系統電壓穩定問題、促進交直流電網協調發展［1］，提出了換流站交流側分層接入1000 kV、500 kV電網，交流濾波器及無功補償裝置分別接入1 000 kV及500kV母線。由此換流站內配置了1 000 kV電壓等級交流濾波器及無功補償裝置，其配電裝置存在電壓等級高、設備生產難度大、價格昂貴等問題，而部分分層接入換流站建設在高地震烈度區域，進一步加大了設備選型的困難，根據我國在建±800kV分層接入換流站工程設計經驗，結合1 000 kV交流設備生產制造能力，對分層接入換流站1 000 kV交流濾波器配電裝置設備選型及布置方式進行研究，給出推薦的設備選型及布置方案，校核設備的抗震性能及空間場強，為后續工程提供參考。

1　1 000 kV交流濾波器配電裝置設備選型

1.1斷路器選型

1000kV交流濾波器斷路器技術難點：1）1 000 kV交流濾波器組及電容器組負載特性呈容性，需要斷路器具備開斷較大容性電流的能力；2）由于電容器的儲能效應，斷路器開合過程中所承受的恢復電壓較大，為避免斷口重復擊穿斷路器斷口絕緣介質應具備良好的絕緣恢復能力；3）濾波器斷路器的投切頻率較常規斷路器更高［2］。上述要求造成1 000 kV斷路器制造困難，且價格昂貴。以往1 000 kV交流特高壓工程中，1 000 kV配電裝置大量使用了GIS型式，每臺1 000 kV斷路器造價高達1億元。如果在1 000 kV交流濾波器配電裝置中，繼續使用GIS型式斷路器，由于交流濾波器分組較多，其投資將極為巨大，以一個包含14個1 000 kV交流濾波器小組的換流站為例，若其配電裝置全部使用GIS裝置，則僅1 000 kV交流濾波器配電裝置的投資將高達14億元，若考慮圍欄內高壓電容器、電抗器、電阻器等其他設備，每小組圍欄內設備按2 000萬元估算，則1 000 kV交流濾波器整體投資將高達16.8億元，這將使得直流輸電工程的投資經濟性變得極差，失去了采用分層接入的意義。因此，必須使用投資較低的1 000 kV斷路器型式。

根據以往1 000 kV交流特高壓工程經驗及目前各設備廠家1 000 kV斷路器設備研發進展，除GIS外，1 000 kV斷路器尚有HGIS、罐式斷路器及柱式斷路器3種型式。

1.1.1HGIS方案

HGIS方案與GIS方案的差別僅為去掉了GIS母線，由于采用了SF6氣體作為絕緣介質，具有結構緊湊、體積小、結構重心低、抗震性能好等特點，如圖1所示。

圖1　HGIS斷路器外形

根據國內主要1 000 kV開關設備生產廠家調研結論，目前各大廠家均有較為成熟HGIS方案產品。但由于HGIS產品與GIS產品僅有母線結構不同，因此價格依然較高。

1.1.2罐式斷路器方案

罐式斷路器方案是在HGIS方案的基礎上，去掉了HGIS中的隔離開關，保留了斷路器本體及電流互感器，其結構特點、性能與HGIS產品相似，如圖2所示。

圖2　罐式斷路器

顯然，由于少了隔離開關，罐式方案較HGIS方案尺寸有所減小。目前西安西電開關電氣有限公司、新東北電氣集團有限公司有較為成熟的1 000 kV罐式斷路器產品，河南平高電氣股份有限公司目前尚無罐式斷路器產品，但表示若需要，能夠在已有的GIS方案上進行研發。

1.1.3柱式斷路器方案

1 000kV柱式斷路器是在500 kV瓷柱式斷路器的基礎上進行研發的一種新的結構型式，其結構特點與500 kV瓷柱式設備類似，由斷路器滅弧裝置及絕緣瓷（或復合）柱組成，結構簡單，但由于采用了空氣作為絕緣介質，使得斷路器本體對地距離較高，結構穩定性不如HGIS及罐式斷路器方案。如圖3所示。

圖3　瓷柱式斷路器

由圖3可以看出，柱式斷路器滅弧室置于上部，與HGIS及罐式斷路器有較大不同，整體呈現“頭重腳輕”的結構，因此其抗震性能較差，根據國內主要1 000 kV開關設備生產廠家調研結論，目前西安西電開關電氣有限公司、新東北電氣集團有限公司及河南平高電氣股份有限公司等廠家1 000 kV柱式斷路器產品已進入型式試驗階段，在采用高強度的復合絕緣支柱作為支撐件的情況下，單一設備的抗震性能能夠滿足9度地震烈度的要求。

設備選型主要取決于設備的技術可行性及經濟性，根據上述分析，HGIS、罐式及柱式斷路器方案技術上均能滿足要求，因此需考慮其投資經濟性，根據目前向各廠家詢價，3種方案價格差異較大，HGIS及罐式斷路器方案價格均遠高于柱式方案。因此，在滿足電容器投切技術性能要求及抗震性能的基礎上，推薦選擇柱式斷路器方案。

1.2隔離開關

1 000kV隔離開關主要有水平旋轉式和垂直伸縮式兩種。1 000 kV水平旋轉式隔離開關在晉東南1 000 kV串補站中已經得到了應用，而1 000 kV垂直伸縮式隔離開關目前尚處于研發階段。

水平旋轉式隔離開關方案。1 000 kV水平旋轉式隔離開關高度12.2 m，兩個靜觸頭中心距11.7 m。該設備已有運行經驗且國內主要設備廠均可生產此類型隔離開關，如圖4所示。

圖4　水平旋轉式隔離開關

垂直伸縮式隔離開關方案。1 000 kV垂直伸縮式隔離開關方案主要是延續了500kV垂直伸縮式隔離開關的思路，采用了垂直斷口設計，將靜觸頭固定于開關頂部母線上方，主要優點是可以大大減少1 000 kV隔離開關設備占地，進而使得換流站占地指標更優。1000kV垂直伸縮式隔離開關如圖5所示。

圖5　垂直伸縮式隔離開關

1 000kV剪刀式隔離開關總高22.5 m，隔離開關打開后，伸縮臂寬度5.67 m，隔離開關下部均壓環直徑為3.3 m?？紤]底部支架后，設備總高度達到25m左右，國內主要設備廠家均已設計了1 000 kV處置伸縮式隔離開關，但由于目前尚未進行試驗，其開合的準確性和抗震問題還需要進一步研究?？紤]到水平端口隔離開關已有成功運行經驗，且本體相對較低，抗震性能較好，故推薦采用垂直伸縮式隔離開關。

1.3其他設備

1 000kV交流濾波器配電裝置斷路器、隔離開關外，還有避雷器、接地開關及電流互感器等，其中避雷器及接地開關均在1 000 kV交流特高壓中有成熟應用，并已形成了1 000 kV通用設備標準，且能夠滿足1 000 kV交流濾波器場布置要求，因此可以按通用設備直接選用。對于1 000 kV濾波器回路電流互感器，由于目前國內互感器廠家均無1 000 kV電磁式互感器產品，考慮到目前光電流互感器技術應用較為成熟，而1 000 kV光電流互感器實際對地電壓為相電壓635 kV，小于直流場800 kV光電流互感器對地電壓，目前國內廠家均表示具備該設備生產能力，且結構型式及尺寸與800 kV光TA類似。因此1 000 kV互感器選用光電流互感器。

圖6　1 000 kV交流濾波器配電裝置斷面

2　配電裝置抗震性能校核

根據設備選型結果，可得到1 000 kV交流濾波器配電裝置連接斷面如圖6所示。

圖6虛線框內為濾波器配電裝置部分，可以看出整個配電裝置部分均為支柱式結構，結構穩定性較常規特高壓交流變電站1 000 kV GIS配電裝置差，抗震能力會減弱，雖然各設備廠家通過計算及試驗驗證了單個設備的抗震性能，但當設備通過導體連接后，需考慮地震時對導體、設備端子及金具的影響，因此，尚需進一步進行整體配電裝置的抗震性能驗證。

為驗證其配電裝置整體抗震性能，根據目前國內、外常用的電氣設備抗震能力分析方法［3］，利用ANSYS軟件建立配電裝置模型如圖7所示。

模型考慮了斷路器與隔離開關、斷路器與接地開關及支柱絕緣子的連接，對于隔離開關與上部導線的連接，由于導線柔性較好，且連接線較長，其對設備的影響較小，故可不考慮。按上述模型，以8度地震區為例，設備按9度設防，采用地震反應譜特征周期為0.5 s［4］，地震水平加速度0.4g進行抗震計算，在設備支柱均采用復合絕緣支柱的條件下，計算結果如表1～4所示，其中模型X向為水平回路連接方向，Y向為水平垂直回路連接方向。

圖7　交流濾波器裝置抗震計算模型

表1　設備支撐件應力

表2　設備頂端位移mm

表3　X向金具內力　N

表4　Y向金具內力　N

由上述計算結果可知，1 000 kV交流濾波器設備支柱最大應力為Y方向，應力值為25.65 MPa，而設備廠家提供的支柱破壞應力為80 MPa，此時設備的安全系數為3.12，超過設計安全系數。設備頂端位移最大處為隔離開關支柱3，即隔離開關與斷路器相連處支柱，此支柱的位移達到了857.69 mm，但由于隔離開關與斷路器支架采用了軟連接，設計時，通過加大軟連接處的弧垂，可減少地震時設備的隔離開關端子受力，使得偏移量滿足要求。設備端子連接金具所受應力最大處為接地開關端子應力，達到了6 394.32 N，而以往特高壓工程1 000 kV接地開關設備端子板的受力要求為4 000 N，但由于此要求為持續受力要求，按1.67倍安全系數考慮，其破壞應力為6 680 N，大于地震時的設備應力，因此可認為設備端子板受力能夠滿足9度地震要求。

根據以上分析，在選用柱式設備，采用復合材質絕緣子作為支撐件的情況下，1 000 kV交流濾波器配電裝置推薦選型方案能夠滿足9度地震烈度要求。

3　濾波器配電裝置區域地表場強校核

根據GB 50697—2011《1 000 kV變電站設計規范》規定“1 000 kV屋外配電裝置場地內的靜電感應場強水平（距離地面1.5 m空間場強）不宜超過10 kV/m，但少部分地區可允許達到15 kV/m。”在以往1 000 kV交流特高壓變電站中，一般要求帶電導體對地距離不小于17.5m，但對于1 000 kV交流濾波器場地，由于1 000 kV柱式斷路器的結構穩定性及操作機構決定了其高度僅為15.5 m，提高其高度會導致其結構穩定性變差，抗震能力下降，無法滿足高地震烈度抗震要求，因此，其設備下方距離地面1.5 m處空間場強會較常規1 000 kV變電站增大，為保證1 000 kV交流濾波器配電裝置區域場強滿足規程要求，需對其進行校核。

由于1 000 kV交流濾波器配電裝置設備布置復雜，無法將其簡化為理想模型進行解析求解，因此，考慮采用有限元方法進行區域場強計算［5］，建立1000kV交流濾波器區域三維有限元模型如圖8所示。

圖8　1 000 kV交流濾波器三維有限元模型

考慮斷路器高度為15.5 m，隔離開關高度為17.5 m，計算距地面1.5 m處電場強度分布情況如圖9所示。

圖9　1 000 kV交流濾波器區域場強分布

由圖9可知，1 000 kV交流濾波器配電裝置離地1.5 m處僅有斷路器與隔離開關連接處局部區域場強超過10 kV/m，接近11 kV/m，其他區域場強均小于10 kV/m，而1 000 kV交流濾波器區域巡視分布與相間，該區域不屬于運行人員工作區，可將其定義為GB 50697—2011《1 000 kV變電站設計規范》中規定的少部分區域，其允許場強可達15 kV/m，因此，可認為按目前設備選型進行布置的1 000 kV交流濾波器配電裝置區域離地1.5 m處電場強度可滿足設計規程要求。

4　結語

根據目前特高壓交流1 000 kV斷路器、隔離開關等設備研發情況，從設備可靠性及投資經濟性兩個方面提出了在分層接入換流站中1 000 kV交流濾波器配電裝置設備推薦型式，并對其抗震性能及區域場強進行了校核，校核結論表明設備型式能夠滿足規程規范要求的抗震性能及電磁環境要求，證明了該選型方案的可行性。

參考文獻

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1 000 kV ACF Switchgear Selection of Converter Stations in High Seismic Intensity Area

ZOU Jiayong1，SUN Zihang2，SUN Dongfeng3，WU Yimin1
（1. Cpecc Southwest Electric Power Design Institute，Chenghua District，Chengdu 610000，China；2.Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China；3. State Grid Heze Power Supply Company，Heze 274000，China）

Abstract:In view of the current R&D（research & development）and manufacturing status，and concerning the reliability and economy，a scheme of 1 000 kV ACF equipment selection is proposed. The aseismic performance and field intensity at 1.5 meter above ground level are evaluated by using finite element method considering the aseismic and electromagnetic environment problems of proposed scheme. The result illustrates that the proposed scheme can meet the aseismic requirement and electric field intensity limit of relevant specifications. The feasibility of the recommended scheme is also demonstrated.

Key words:hierarchical connected converter station；ACF；live tank circuit breaker；switchgear

中圖分類號：TM642

文獻標志碼：A

文章編號：1007－9904（2016）05－0047－06

收稿日期：2016-02-20

作者簡介：

鄒家勇（1982），男，工程師，從事防雷與接地、過電壓與絕緣配合方面研究。