高壓柔性直流換流站控制保護系統的設計與研究

鄧柱鋒

摘要：柔性直流輸電因其在新能源并網方面具有特殊優勢，近年來在國內外發展迅速。柔性直流換流站作為該技術的核心，研究其平面布置優化，對減少占地面積和投資成本具有重大意義。針對超高壓柔性直流換流站換流區的平面布置，提出換流變閥側匯流母線采用高位跨線布置于主變防火墻聯合構架上、啟動回路區開關設備采用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，減少了換流站的占地面積，提高了圍墻內的用地系數，對柔性直流換流站的設計和工程建設具有參考意義。

關鍵詞：高壓柔性直流換流站;控制保護系統;設計與研究

引言

柔性直流輸電的送端、受端均可與弱電網或無源電網連接，運行方式靈活，非常適合風電和光伏等新能源的大規模匯集和送出。柔直換流站內復雜的控保系統、監控系統、換流閥及換流變的冷卻系統等均離不開站用電系統的交直流供電。與常規變電站相比，柔直換流站的站用電系統具有規模大、容量大、供電分散、可靠性要求高等特點。柔直換流站站用電系統均配置有備自投功能，以提高站用電系統的安全穩定性，與常規變電站配置獨立備自投裝置不同，換流站備自投功能集成在站用電控制系統中，因此備自投功能受站用電控制主機程序影響，考慮不全面就可能造成備自投裝置誤動，產生嚴重后果。

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。±350kV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。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3m、對C相管母校核4m，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?？紤]三相平行布置的管母間至少間距5m，初步布置下來，常規方案換流變區的長度為36.5m?？紤]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。考慮風偏的影響，C相跨線到構架梁控制在5m，相鄰跨線間距控制在7m，整個換流變區的長度可優化為33m。

2換流站技術監督信息管理系統設計

特高壓直流輸電系統的核心為換流站，特高壓換流站實現交直流轉換的核心元件是換流閥，正常工況下通態平均電流高達3750A，長期運行時將產生大量熱量。閥冷系統是換流站最重要的輔助系統，若閥冷系統運行異常，不僅易引起閥片損壞，而且可導致直流輸電系統發生閉鎖事故，嚴重影響影響設備安全和系統穩定運行。換流站閥冷系統正常運行后的日常運維及技術監督顯得尤為重要。換流閥為換流站的核心設備，其在運行中通過的大電流會產生大量的熱量，會導致晶閘管和電抗器等閥組件元件的溫度上升，這就需要有閥水冷卻系統對換流閥進行冷卻，因此閥水冷系統是一個換流站內最核心、技術含量最高、造價也最昂貴的部分。換流閥運維狀況的好壞關系著換流站運行的質量與安全。國內所有換流站的閥水冷系統均由閥內冷系統和閥外冷系統兩部分組成。閥內冷系統是一個密閉的循環系統，它通過冷卻介質的流動帶走換流閥產生的熱量。從大方面分，閥內冷水系統可以分為主水回路和水處理回路兩部分。實際工程中區分的更細致，一般將閥內冷水系統拆分為以下幾個部分：主循環冷卻回路、水處理回路、氮氣穩壓回路和換流閥冷卻回路。結合換流站運行情況、閥冷卻系統的組成結構和影響閥冷卻系統正常工作的主要因素，開發的數據庫重點對閥冷卻系統的水質和垢樣數據進行信息管理，水質包括內冷水、外冷水、SVC系統等各類水樣的檢測指標、檢測類別、檢測時間等，垢樣主要是閥冷系統電極結垢情況進行監督信息管理，包括形貌、元素分析等，保存歷年歷次的分析數據，便于閥冷系統的監督、運維工作。同時，數據庫對換流站內涉及的工業水、調相機化學水、外排廢水的數據均進行管理，對站內主設備的振動、噪聲、直流合成場強、工頻電磁場、絕緣油、六氟化硫氣體、污穢等重要且關鍵指標進行管理。本系統的設計對換流站閥冷系統重要水質資料及站區主要設備的關鍵數據進行管理，實現了對數據的統計分析、歷年數據的對比、各類數據和報告的保存，為換流站安全穩定運行提供數據保障。

3運行維護策略

為做好蓄電池日常運行維護，避免因維護不到位造成蓄電池的非正常容量衰減，主要采取如下運維措施。（1）做好蓄電池組的初充電及交接驗收試驗;每組蓄電池投運前均要抽樣進行蓄電池解剖，合格后方可投運。（2）針對不同廠家蓄電池性能要求，優化蓄電池的浮充、均充電壓，保證電池的最佳運行電壓和運行狀態，防止長期欠充或過充電。（3）做好蓄電池室環境溫度和濕度的維護控制，確保溫度控制在25℃，濕度控制在合理范圍內，避免因溫度過高，使得蓄電池組壽命下降。（4）蓄電池核對性充放電試驗時，應避免蓄電池長時間脫離直流母線或充電機空置，及時對已進行放電試驗的蓄電池充電，防止極板活性物質結晶，逆反應失敗。（5）嚴格按照定檢周期對蓄電池組開展核對性放電試驗，并對試驗結果做好數據歸檔和趨勢分析，根據蓄電池放電數據有針對性的加強日常巡視，并適當調整放電試驗周期，確保準確及時發現蓄電池容量不足或滲液、漏液問題，并及時更換。（6）對蓄電池巡檢參數按照直流系統技術規范進行整定，確保定值合理，可準確可靠反映蓄電池組的運行情況。（7）蓄電池極柱接線處線耳與巡檢儀壓接后，再用熱縮管包裹，加大拉伸韌度，降低機械應力或人為拉扯造成斷線的風險。（8）蓄電池單體電壓采集線采用低阻抗的一體式保險盒，保證蓄電池電壓采集正確?？紤]從低壓直流母線處接取蓄電池電壓巡檢儀的電源，減少蓄電池出口處負載。（9）根據日常消缺情況及時采購備品，調整并修編蓄電池、蓄電池巡檢裝置、蓄電池巡檢模塊、蓄電池采樣線的備品定額，確保儲備足夠數量的備品。（10）修編蓄電池組特巡指導書，重點開展電池殼體、電池極柱、電池導軌/電池架、蓄電池間連接導體緊固程度檢查，蓄電池內阻、電壓的檢查、測試工作，并按照年度運維策略進行專業巡維。（11）將故障頻繁的蓄電池設備的巡檢周期調整至更高頻次。在基建階段把好設備質量關，在技術規范上對產品性能、使用壽命等技術參數提出更高要求。通過電力企業在直流電源系統蓄電池相關技術規范或招標技術規范書中嚴格制定對蓄電池使用壽命的要求，從源頭和政策上，提高廠家生產的蓄電池質量，改善目前蓄電池使用壽命偏短的狀況。

結語

整改和優化的站用電控制系統經測試無誤后投入使用，避免了類似事故的發生，提高了站用電系統的安全穩定水平，為柔性直流換流站的長期穩定運行奠定基礎。

參考文獻：

[1]韓亮，白小會，陳波，等.張北±500kV柔性直流電網換流站控制保護系統設計[J].電力建設，2017，38（3）：42-47.