馬為民，聶定珍，曹燕明
（國網直流工程建設****，北京市東城區100005）
摘要：通過總結向家壩－上海±800kv特高壓直流工程的諮詢研究工作，闡述了該工程的技術方案，包括設計條件(特高壓直流工程接入交流系統的條件、汙穢條件和大件運輸條件)、直流系統設計(電氣主接線、額定值、動態響應、無功配置及可靠性可用率)、絕緣配合及外絕緣、換流站設計及主裝置要求等關鍵技術問題的主要結論，為高壓直流輸電技術的發展和裝置的研發及特高壓直流工程的建設提供借鑑意見。
關鍵詞：換流站；±800kv特高壓直流；換流閥；絕緣配合；直流控制系統
0 引言
向家壩—上海±800kv特高壓直流工程目前已獲國家發展和改革委員會核准，特高壓直流輸電是一項嶄新的技術，在建設過程中必然遇到新的技術問題。受國家電網公司的委託，國網直流工程建設****於2023年1月開始向家壩—上海±800kv特高壓直流工程諮詢研究。本次諮詢工作承擔了國家電網公司科技部下達的8項直流特高壓科研課題，並根據裝置研發和工程建設的需要，開展了25項諮詢專題研究。
其間系統組織召開了國際特高壓工作組會議，成員包括abb公司、siemens公司及西安高壓研究所，充分吸收採納國內外先進技術及理念；與執行等單位聯合召開技術研討會，廣泛徵求執行人員的意見，總結執行經驗；與裝置製造廠進行技術研討，優化技術引數，在此基礎上提出了特高壓直流系統的初步技術規範。
為驗證上述技術規範的合理性，還開展了特高壓直流系統的概念設計，最終確定了本工程的各項技術方案。本文將對特高壓直流工程的設計條件、直流系統設計、換流站設計以及主裝置要求等關鍵技術方案進行深入**。
1 設計條件
1.1 交流系統條件
送端向家壩換流站通過3回4×400mm2的500kv線路接入系統。受端上海換流站接入系統方案為：換流站本期通過3回4km500kv線路接入鄰近的南匯變，其中2回出線導線截面為4×720mm2，1回導線截面為6×630mm2，另外預留1回備用。
並保留南匯換流站遠景2點接入三林變和南匯變的可能性。
根據系統研究的成果和相關工程的經驗，向家壩換流站交流系統正常電壓變化範圍為500~550kv，極端電壓變化範圍為475~550kv；南匯換流站交流系統正常電壓變化範圍為490~525kv，極端電壓變化範圍為475~525kv。
向家壩換流站母線頻率的正常波動範圍為(50 0.2)hz，事故後頻率為49.5~51.
0hz，故障清除後為(50 0.5)hz；南匯換流站母線頻率的正常波動範圍為(50 0.1)hz，事故後頻率為49.
0~50.5hz，故障清除後為49.5~50.
4hz。
向家壩的交流系統容性無功提供能力按1000mvar考慮，而受端交流系統不具備容性無功提供能力。送、受端交流系統的感性無功提供能力分別為0mvar和300mvar。
兩端換流站的最大三相及單相短路電流均取63ka，相應短路容量為57288mva。送端直流滿功率時最小三相短路電流為18.1ka，半功率時最小三相短路電流為11.
7ka；受端最小三相短路電流為26ka。
直流系統按交流系統正常執行方式設計，孤島執行方式不作為考核直流裝置的方式。對於孤島方式下直流系統的執行能力今後將做進一步的研究，以指導執行。
1.2 站地汙穢條件
目前，送端向家壩站址內交流場標準盤形絕緣子的等值鹽密年均值為0.067mg/cm2；未來電廠脫硫及新電廠投運後，計算的平均鹽密值將為0.03mg/cm2。
**使用的交直流積汙比取為2.4，**直流場支柱絕緣子年度等值鹽密約為0.036mg/cm2。
受端南匯站址區域內交流盤形絕緣子表面等值鹽密**值為0.04mg/cm2；計及未來交通與新興工業的汙染及海洋可能的影響，交流盤形絕緣子表面等值鹽密**值可達到0.06mg/cm2，交流場支柱絕緣子表面等值鹽密**值可達到0.
03mg/cm2，直流場支柱絕緣子表面等值鹽密**值可達到0.064mg/cm2。
1.3 大件運輸限制條件
根據實地調研及參考各種相關資料，向家壩－上海 800kv直流輸電工程最大單件的運輸限制條件為：長 13m，寬 4.5m，高 5m；運輸重量 400t，運輸方式採用水路+公路。
2 直流系統技術方案
2.1 電氣主接線及系統執行方式
兩端換流站的交流場電氣主接線均採用常規500kv3/2斷路器接線，交流濾波器分大組，大組作為乙個元件接入3/2斷路器配電串中。 800kv特高壓直流場電氣主接線採用乙個雙極，每極2個12脈動換流閥組串聯並設定旁路開關，電壓按400kv+400kv考慮。換流變壓器採用單相雙繞組型式。
送端3個直流換流站將採用共用接地極接線設計方案。
2.2 直流系統額定值
特高壓直流系統額定電壓 800kv，考慮各種裝置公差和控制誤差後，直流電壓最高不超過816kv，最低不低於784kv。
特高壓直流系統額定功率為6400mw，並至少應具有如下的過負荷能力：連續過負荷能力為額定功率的1.05倍(投入備用冷卻)；2h過負荷能力為額定功率的1.
1倍(不投入備用冷卻)；3s過負荷能力為額定功率的1.4倍(不投入備用冷卻)，對5s和10s的暫時過負荷能力目前暫不作明確規定。
整個直流系統應能在70%~100%的直流電壓下連續執行，但單極金屬迴路的接線方式下，允許完整單極降壓執行的最低電壓為70%~75%額定直流電壓。
2.3 直流系統響應要求
直流系統響應時間按以下標準執行：
（1）電流階躍響應。
當直流功率輸送水平處於最小功率至額定功率之間時，直流極電流對電流指令的階躍增加或階躍降低的響應應滿足如下要求：當電流指令的變化量不超過直流電流餘裕時，響應時間不得大於90ms(考慮到電流控制迴路的誤差，允許電流指令的最大變化比直流電流餘裕小額定電流的2%)。當電流指令變化量超過直流電流餘裕時，響應時間不得大於110ms。
（2）直流功率指令響應。
當直流系統在最小功率到額定功率之間的任意功率水平下執行時，直流功率控制器對功率指令階躍增加或降低的響應必須使得90%的直流功率變化能在整定值變化後150ms內達到，這個時間還應包括電流指令的往返確認時間。
（3）交流系統故障後響應。
在整流側和逆變側的交流系統發生故障時，直流系統的輸送功率從故障切除瞬間起分別應在120ms和140ms內恢復到故障前的90%。
2.4 無功配置方案
向家壩換流站和南匯換流站無功分組投切引起的動態電壓變化應不大於2.0%和1.5%，穩態電壓變化不大於1.0%。
送端換流站無功小組容量220mvar，共14個小組，分為4個大組，每大組3~4個小組；受端換流站無功小組容量為260mvar，共15個小組，分為4個大組，每大組3~4個小組。
送端向家壩換流站可按裝設180mvar可投切高抗配置感性無功。，在換流站內不考慮裝設高抗等感性無功補償裝置。
2.5 可靠性可用率
根據我國現有直流系統的執行經驗，並結合特高壓直流系統本身的技術特點，特高壓直流系統合理的可靠性指標如表1所示。
2.6 過電壓及絕緣配合
依據對向家壩—上海 800kv直流輸電工程絕緣配合的研究，並考慮到abb、siemens等國外製造商的絕緣配合方案，基本確定了絕緣配合的方案和各點的絕緣水平。高壓端保護水平已確定為1600/1800kv，絕緣裕度如表2所示。
根據絕緣配合方案確定了裝置絕緣試驗水平，如換流變壓器閥側套管直流試驗電壓應比相應繞組的試驗電壓提高15%；對於交流耐壓試驗，套管試驗電壓應比相應繞組試驗電壓提高10%；對於衝擊試驗，套管試驗電壓應比相應繞組試驗電壓提高5%。
3 換流站設計
3.1 可聽雜訊的控制
換流站的雜訊控制是換流站設計時的重點之一，要求兩端換流站產生的可聽雜訊在廠界外20m處不大於50db。上海側換流站附近有民房，是雜訊控制的敏感點，敏感點處雜訊水平不大於45db。
3.2 換流站閥廳布置方案
送、受端換流站閥廳布置都採用面對面方案，如1所示。即換流閥選用二重閥，高、低壓閥廳「面對面」排列，2個低壓閥廳背靠背挨在一起，每個閥廳前6臺換流變壓器一字排列布置在閥廳的一側。這種布置對降低可聽雜訊有一定的效果。
3.3 直流場方案及外絕緣
換流站直流場可採用戶內場方案和戶外場方案，如採用戶內直流場，平波電抗器和直流濾波器宜採用戶內布置。
800kv特高壓直流工程的外絕緣是在特高壓直流工程實施中令人特別關注的問題：①直流絕緣子的積汙特性導致其要求的爬距遠大於交流絕緣子；②電壓等級的進一步提高導致對爬距的要求更加嚴酷，能滿足要求的裸瓷產品難以生產，沿用以往的外絕緣設計思想工程將難以實現。因此，如採用戶外直流場，可採用合成套管和絕緣子，或裸瓷套管和絕緣子加塗rtv。
如採用戶內直流場，可採用裸瓷絕緣子。
爬電比距應以換流站在正常執行條件下對地的最高直流執行電壓計算。直流裝置的爬電比距應不小於以下值：閥廳，包括閥的外絕緣和套管為14mm/kv；戶內直流開關場裝置所有絕緣為25mm/kv；戶外非純瓷支柱絕緣子為45mm/kv。
關於絕緣子的傘形(特高壓用絕緣子傘形如圖2所示)，如採用深稜型絕緣子，最小傘距應不小於95mm，傘距與傘伸出長度的比值不小於1。如採用大小傘型絕緣子，傘間距與傘伸出的比值不小於0.9，當垂直安裝時，建議傘型關鍵引數選擇如下：
大傘間距s 65mm；大小傘伸出差p-p1應大於交流瓷絕緣子採用的距離，盡量採用更大的傘伸出差，如20mm。上傾角a>10 ，下傾角b>10 。不宜採用過小的下傾角，以防止雨水回流，也不宜採用過大的下傾角，以防止傘下積汙。
不建議採用傘下加稜的方案。
4 主裝置要求
4.1 閘流體換流閥
特高壓直流閘流體換流閥採用6英吋閥片，閥結構為雙重閥。換流閥最大短路電流最小應不低於46~50ka，換流閥冷卻水的處理採用反滲透的方法，同時考慮到防噪，原則上要求採用低雜訊的設計。
4.2 換流變壓器
換流變壓器的短路阻抗為(18.0 0.9)%，冷卻方式採用強迫油導向迴圈風冷或強迫油迴圈風冷的冷卻方式均可。
工廠試驗中換流變壓器的可聽雜訊水平應不大於75db(a)，同時現場應採取改進的全封閉結構的安裝方式，有效消除變壓器本體產生的雜訊。換流變壓器有載分接開關的分接級數按照不超過目前有載調壓開關的最大能力的原則確定，具體的級數將在今後的研究工作中進一步核實。
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