超高壓柔性直流換流站換流區優化布置研究

（中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，杭州 310012）

0 引言

國家能源局“十四五”規劃已明確規定要大力發展風電、太陽能等可再生能源，實現2030 年非化石能源消費占比達20%的戰略目標[1]。可再生能源具有間歇性、不穩定性等特點，高比例接入對電網的安全穩定運行提出了挑戰，而柔性直流輸電是解決新能源并網問題的最優技術方案[2]。

近年來，國內已有數條柔性直流輸電工程投運，包括南澳±160 kV 柔性直流輸電示范工程[3]、舟山±200 kV 五端柔性直流工程[4]、張北±500 kV柔性直流示范工程[5]等。隨著電壓等級的提高，換流站的占地面積也呈比例增長，工程建設過程中一直在探索減少換流站占地面積的課題。一方面是新設備的應用，如緊湊型配電裝置GIS（氣體絕緣開關設備）的推廣，但往往需要數十年相關技術領域的重大突破；另一方面是設備的靈活布置，通過合理規劃設備布局及接線，如以空間換平面等，短期內在設計領域更易實現。

國內已有相關文獻對柔性直流換流站的平面布置進行了優化，文獻[6-7]介紹了換流閥同相上下橋臂相鄰布置（AABBCC）和同極橋臂三相相鄰布置（ABCABC）的閥廳結構，通過閥塔布置結構的對比分析優化了閥廳占地面積。文獻[8]針對星形/星形單相換流變閥側套管伸入閥廳內的結構，提出換流變壓器（以下簡稱“換流變”）中性點采用氣體絕緣管型母線連接，節省了3 只閥側穿墻套管的投資成本，但對減少換流變占地面積的效果不大。文獻[9]對±800 kV 柔性直流換流站的換流變區域進行了整體布置優化，換流變采用閥側套管伸入閥廳內的結構，閥側套管接線布置與常規直流相同，通過懸吊絕緣子和支撐絕緣子完成閥側星形和三角形接線，但對換流變與閥廳脫開的布置方案不具有明顯的參考價值。為此，亟須研究超高壓柔性直流換流站的平面布置優化，對工程的建設和設計都具有重大意義。

本文針對±350 kV 柔性直流換流站的換流區平面布置，以換流站常規布置方案為對照組，提出了換流變閥側匯流母線采用高位跨線、啟動回路區開關測量設備采用HGIS（混合式氣體絕緣組合電器）、橋臂電抗采用二合一油浸式穿墻伸入閥廳內的優化方案，減少了換流區的占地面積，優化比例達26%，可為今后柔性直流換流站的工程設計提供參考。

1 柔性直流換流站

柔性直流換流站按照功能可劃分為交流場、換流區、閥廳和直流場。換流區一般位于換流站的中心位置，銜接著網側交流和閥側直流。

1.1 換流區主接線

柔性直流換流站的換流區包括換流變、啟動回路和橋臂電抗，典型主接線如圖1 所示。個別工程還有接地電抗[10-11]，如舟山±200 kV 柔性直流輸電工程。

圖1 柔性直流換流站換流區主接線

本文研究±350 kV 柔性直流換流站的換流區平面布置，換流變采用星形和三角形接線，網側接入500 kV 交流大電網，啟動電阻設在換流變閥側，橋臂電抗設在閥塔網側，單極輸送容量為500 MW。

1.2 換流區典型總平面布置

換流區典型總平面如圖2 所示，從網側到閥側依次是換流變、啟動回路和橋臂電抗。換流區寬度與閥廳匹配，一般由一字形排列的換流閥控制，可優化空間不大。長度則由換流變、啟動電阻和橋臂電抗的布置決定，可通過合理設計電氣設備的擺放位置和搭接方式進行優化。

圖2 ±350 kV 柔性直流換流站換流區典型總平面

1.3 換流區空氣凈距

空氣凈距是決定電氣設備布置的基礎，工程上柔性直流換流站空氣凈距的計算一般采用g 參數法。由于空氣凈距不是本文的研究重點，暫參考國內某同類工程確定，換流區相對地空氣凈距取3 m、相間空氣凈距取4 m。

2 換流區平面布置優化

±350 kV 柔性直流換流站采用換流變與閥廳脫開布置。換流變選用單相雙繞組，網側星形中性點直接接地，閥側三角形接線。3 臺單相變為一組，閥側套管需要在換流變外通過匯流母線連接成三角形，合理設計電氣設備搭接方式、減少換流變區占地面積成為關鍵。

2.1 換流變區

換流變按照結構可分為三相三繞組、三相雙繞組、單相三繞組和單相雙繞組。對于容量較小的柔性直流輸電工程，可采用三相換流變，在換流變內部實現閥側繞組星形或三角形聯結，變壓器制造工藝成熟，每臺換流變在閥側僅3 個出線套管，如南匯和舟山柔性直流輸電工程。對于大容量柔性直流輸電工程，一般采用單相雙繞組換流變，每臺換流變閥側有2 個套管出線，需要在換流變外完成繞組星形或三角形接線。單相三繞組多用于單極12 脈動接線的直流輸電工程，換流變閥側1 組繞組需接成星形，另1 組接成三角形，目前還少有工程應用。

±350 kV 柔性直流工程輸送容量較大，換流變采用單相雙繞組結構，閥側套管需通過匯流母線連成三角形。常規接線方案中，閥側常采用三相支撐式匯流管母平行布置，換流變閥側套管通過支撐絕緣子跨接至匯流管母，完成三角形接線（見圖3）。此方案接線靈活，可適應不同接線組別。但換流變閥側B/A 相出線需同時對散熱片校核3 m、對C 相管母校核4 m，其只能從2 個安全距離校核線的夾縫中穿過，需設置一列額外的支撐式支柱絕緣子助其過渡，增加了換流區的長度。考慮三相平行布置的管母間至少間距5 m，初步布置下來，常規方案換流變區的長度為36.5 m。

圖3 換流變區常規斷面布置

考慮到常規方案中換流變閥側出線匯流困難，可考慮將三相支撐式匯流管母改為高位跨線，雖然遠處的A/B 相出線同樣需要支撐絕緣子過渡，但無須設置額外的過渡支撐絕緣子。此外，三相匯流采用高位跨線后，可不受散熱片的空間限制，進一步朝換流變網側移動，充分利用換流變正上方空間（如圖4 所示）。考慮風偏的影響，C 相跨線到構架梁控制在5 m，相鄰跨線間距控制在7 m，整個換流變區的長度可優化為33 m。

圖4 換流變區優化后斷面布置

相較常規三相支撐式管母匯流，本文提出的高位跨線匯流方案在占地長度上減少了3.5 m，支撐絕緣子減少了18 只，同樣能滿足各種接線組別，且抗震性能更好。

此外，匯流母線還有采用兩列式支撐布置，一列布置在地面、一列布置在防火墻上，這種布置方式占地面積小，但接線組別受搭接方式的限制，變壓器在生產時需要配合接線組別來確定副邊同名端及引出位置，且抗震性能不好。

2.2 啟動回路區

啟動回路主要包括啟動電阻和與之并聯的旁路斷路器，用以限制換流閥子模塊電容器充電過程中的過電流[12-13]。相較于常規直流，啟動電阻是柔性直流換流站的獨有回路。啟動回路區常規布置方案如圖5 所示，直線型接線簡潔順暢，但相間空隙較大，空間浪費嚴重。初步布置下來，常規方案啟動電阻區的長度為40.8 m。

圖5 啟動回路區常規平面布置

為此，可以考慮將啟動電阻及旁路開關外的其他設備，包括電壓電流測量裝置和開關設備等，全部封裝進HGIS 里，然后配合啟動電阻回路轉角布置。HGIS 具有體積小的顯著優勢，可大大縮減這些敞開式開關測量設備造成的占地浪費。初步布置下來，啟動電阻區采用HGIS 設備后的長度為22 m（如圖6 所示），較常規方案減少了18.8 m。

圖6 啟動回路區優化后平面布置

2.3 橋臂電抗區

橋臂電抗也是柔性直流換流站的獨有設備，起到抑制換流閥輸出電流和電壓中開關頻率諧波量、抑制系統短路電流上升率和峰值的作用。六橋臂電抗呈一字形排列，考慮接線方便，多采用同相上下橋臂相鄰（AABBCC）布置結構。

橋臂電抗區常規平面布置如圖7 所示，采用干式空心電抗器和穿墻套管組合的方式。近幾年投產的柔性直流輸電工程中橋臂電抗也多采用干式空心電抗器，其安裝維護簡單、無須設置額外的二次保護。但為滿足散熱要求，其外徑尺寸一般較大，且周圍MC2（一般MC2 為1.5 倍線圈外徑）范圍內不得有金屬閉合回路，故實際占地面積較大。初步布置下來，常規方案橋臂電抗區的長度為24 m。

圖7 橋臂電抗區常規平面布置

相較干式空心電抗器，油浸鐵芯式電抗器外形尺寸更小，且制造工藝成熟、運行可靠性更高。考慮采用套管伸入閥廳的布置結構，相較干式空心電抗器和穿墻套管的組合方案，占地面積會更小。此外，考慮到同相上下橋臂電抗網側進線為同一端，可將相鄰同相上下橋臂電抗封裝成二合一油浸電抗器。相較于2 臺獨立油浸電抗器，至少可節省1 只高壓套管、1 組高壓跨線和1 面防火墻的投資。

圖8 分別是向國內某廠家調研的75 mH 干式空心電抗器和二合一油浸鐵芯式電抗器的外形圖。干式空心電抗器線圈直徑為3.4 m，周圍1.5倍直徑范圍內不得有金屬閉合回路，等效于本體直徑修正為10.2 m。二合一油浸鐵芯電抗器本體器身尺寸為6 m×5 m（長×寬），裝上散熱片和套管后的外廓尺寸為12 m×11 m（長×寬）。

圖8 75 mH 干式空心和油浸鐵芯電抗外形

橋臂電抗采用二合一油浸鐵芯式，閥側套管直接插入閥廳內布置，網側進線采用高位跨線，平面布置如圖9 所示。油浸鐵芯式電抗本體器身寬5 m，考慮一定裕度，運輸軌道兼消防環道可按6 m 寬控制。防火墻考慮凸出散熱片外沿2 m，可按9.5 m 控制。初步布置下來，采用二合一油浸鐵芯式電抗器方案，橋臂電抗區的長度為20 m，較常規干式空心電抗器方案減少了4 m。

圖9 橋臂電抗區優化后平面布置

3 換流區優化方案比較分析

在常規布置的基礎上，提出了換流變閥側匯流母線采用高位跨線、啟動回路區開關測量設備采用HGIS、橋臂電抗采用二合一油浸式穿墻伸入閥廳內的優化方案，優化后換流區的總平面布置如圖10 所示。

圖10 優化方案中換流區總平面布置

優化前后換流區的占地面積對比情況如表1所示，通過上述對換流變、啟動回路和橋臂電抗的布置優化，相較于常規布置方案（圖2），換流變區長度尺寸減少了3.5 m、啟動回路區減少了18.8 m、橋臂電抗區減少了4 m。整個換流區的長度減少了26.3 m，每極的占地面積減少了1 315 m2，優化比例達26%。

表1 優化方案與常規方案占地面積對比

換流區的寬度尺寸并未優化，主要受限于閥廳內換流閥塔的布置，若拋開與閥廳的布置匹配單獨優化換流區，對工程設計并無參考價值。優化方案中，換流變區的優化比例最小，因為換流變閥側采用高位跨線匯流，雖然可利用換流變上方空間壓縮平面，但高位跨線需考慮風偏影響，相間距比常規支撐管母要大一些，故實際可優化空間不大。相較之下，啟動回路區和橋臂電抗區更多從設備本體尺寸入手，通過設備旋轉布置和選型上優化占地面積，可優化空間更高。

工程設計中應更多地從設備選型和接線布置上優化，綜合考慮經濟造價和征地紅線，根據工程實際特點，選擇最適合的平面布置優化方案。

4 結語

本文研究了超高壓柔性直流換流站換流區的平面布置優化方案。從典型±350 kV 柔性直流換流站換流區主接線切入，以換流區常規布置方案為對照組，提出了換流變閥側匯流母線采用高位跨線、啟動回路區開關測量設備采用HGIS、橋臂電抗采用二合一油浸式穿墻伸入閥廳內的優化方案。通過上述布置優化，整個換流區的長度減少了26.3 m，每極占地面積減少了1 315 m2，優化比例達26%，為柔性直流換流站的優化設計和工程建設提供借鑒。