±1100kV换流站直流金具结构分析

    李俊辉　卢鹏旭　王文豪　赵重阳

    

    

    

    摘 要：该文根据以往±500 kV、±660 kV和±800 kV换流站阀厅和直流场金具的调研情况，结合±1 100 kV换流站特点，对±1 100 kV阀厅和直流场极线金具屏蔽模块及通流模块的结构进行分析，提出设计建议。

    关键词：±1 100 kV换流站;直流金具;模块设计

    中国分类号： TM723? ? ? 文献标志码：A

    0 引言

    换流站阀厅和直流场设备众多，连接方式多种多样，连接金具一般由固定支撑金具、伸缩导流金具及均压屏蔽金具组合而成，组合金具从功能上可以分为通流部分、屏蔽部分和机械支撑部分三大模块，电流和电压等级的提升对金具通流模块和屏蔽模块提出了更高的要求，该文根据对以往±500 kV、±660 kV和±800 kV换流站阀厅和直流场金具调研情况，结合±1 100 kV换流站特点，提出±1 100 kV换流站阀厅和户内直流场极线金具通流模块及屏蔽模块的设计方案。

    1 直流金具调研

    换流站直流金具的主要类型有屏蔽金具、通流金具等。在电压等级较低时，如中性线、接地极区域，金具主要考虑采用外部倒角的方法防电晕，不需要增加专门的均压装置[2]。随着电压等级的提升，金具主要采用均压环和均压球屏蔽结构，均压环由直径80 mm增大到300 mm，均压球直径从直径1 000 mm增加到1 800 mm。通流金具随着输电容量的增加，考虑到电流的增大和导线防电晕要求，分裂数从四分裂增加到八分裂，导线规格也从JL-630提高到JL-1250。±800 kV/5 000 A、±800 kV/6 250 A换流站阀厅二通、三通金具通流软导线选择了8×JL-900或6×JL-1120铝绞线。

    2 ±1 100 kV特高压直流工程特点

    电压由±800 kV提升到±1 100 kV，相应极线操作冲击耐受电压也由1 600 kV 提升至2 100 kV。由于放电特性曲线的饱和特性，操作冲击条件下要求安全空气净距会有极大增加。以棒板间隙为例，操作冲击耐受电压1 600 kV条件下，最小安全空气净距为9 m左右，操作冲击耐受电压2 100 kV条件下，最小安全空气净距增加了100%为18 m左右。在±1 100 kV直流工程中，由于输电电压的提升，直流场极线部分由户外安装改为户内安装，电气布置更加紧凑。电压和设备安装环境的变化对均压装置的尺寸和外形设计提出了更高的要求。均压装置尺寸增大，结构更加复杂，加工难度也随之增大，加工精度和表面质量都难以保证。所以，不能简单通过放大均压装置尺寸来满足±1 100 kV工程的要求，必须要对金具外形进行优化设计，例如从单一球结构变化为复杂的空间曲面结构，以降低均压装置的表面场强。

    3 ±1 100 kV直流金具屏蔽模块设计分析

    从对以往直流工程的调研情况来看，±800 kV换流站阀厅金具防电晕措施一般采用在通流金具和支撑金具外面设计屏蔽球的方法，直流场金具一般采用加装均压环的方法。±1 100 kV换流站相比±800 kV换流站电压等级更高，相应极线操作冲击耐受电压也由1 600 kV 提升至2 100 kV，而且直流场极线部分采用了户内布置的形式，相对应的阀厅和直流场金具屏蔽模块结构也应有较大的优化设计，以满足±1 100 kV直流工程的电气性能的要求。对于±1 100 kV直流工程来说，直流场极线金具与阀厅金具连接形式及防电晕特性相似，对户内直流场和阀厅金具屏蔽模块进行优化设计，支柱绝缘子、悬垂绝缘子及换流变、穿墙套管及避雷器等设备连接金具的屏蔽模块均采用鼓形屏蔽罩、鼓形和球形组合屏蔽罩（上半部分为鼓形，下半部分为球形，或者上半部分为球形，下半部分为鼓形的组合屏蔽罩）代替±800 kV换流站的球形屏蔽罩。

    分别对2 m球形屏蔽金具和2 m鼓形金具建立三维模型，模拟球形金具和鼓形金具距地、距墙和屋顶都为12 m，加载直流电压为±1 100 kV进行电场仿真计算。计算结果如图1、图2所示。从仿真计算结果可以看出，屏蔽球对地的最大场强通常位于屏蔽球距离地面最近位置，如果采用支柱绝缘子或者悬吊绝缘子时，需在该位置进行开洞和倒角处理，进一步加剧该部位电场强度分布的劣化，对比同尺寸的球形屏蔽金具和鼓形屏蔽金具，鼓型金具该位置的电场场强明显低于球形金具，可有效降低屏蔽装置该区域的表面电场[3]。由于±1 100 kV极线上设备及金具表面电场处于深度飽和状况，极易发生放电，为了改善均压装置的表面场强，增大设备的安全系数，建议±1 100 kV极线上的屏蔽装置采用鼓型金具。

    4 ±1 100 kV直流金具通流模块设计分析

    该文选取典型的管母接续金具通流模块二通、三通金具进行设计。二通、三通金具由管母抱箍和铝绞线焊接而成，管母抱箍大小主要取决于管母线直径及额定电流[1]。针对±1 100 kV换流站，额定电流6 250 A，二通金具通流模块的设计包括管母抱箍和通流软导线选择及布置方式设计。考虑到通流软导线的变形难易程度、布置的美观性以及经济性，选择8根铝绞线作为通流软导线，充分考虑通流裕度，该文设计中选择8×JL-1000铝绞线作为通流软导线，管母直径为Φ350。绘制二通通流金具三维模型如图3所示。

    设计3套金具模拟YY侧换流变套管金具、悬吊金具和上阀塔金具组成串形。如图4所示，YY侧换流变套管金具和悬吊金具通流模块软导线采用8×JL-1000铝绞线，上阀塔金具通流模块软导线6×JL-1120铝绞线，对组装成串形金具进行温度场仿真计算，对比8×JL-1000铝绞线与6×JL-1120铝绞线温度场情况。从图5和图6计算结果中可以看出上阀塔金具的6×JL-1120铝绞线的电流密度较大，温升最高，通流能力远远没有8×JL-1000铝绞线组成的换流变套管金具和悬吊金具的通流能力强。

    5 结论

    对于屏蔽模块，建议±1 100 kV极线上的屏蔽装置采用鼓型金具。

    对于通流部分建议采用8×JL-1000铝绞线作为通流导线。

    参考文献

    [1]丁永福，王祖力，张燕秉，等.±800 kV特高压直流换流站阀厅金具的结构特点[J].高压电器，2013，49（9）：13-18.

    [2] 刘小刚，王茂忠，种芝艺，等.±500 kV阀厅电气连接及金具设计特点[J].电力建设，2011，32（9）：24-29.

    [3] 刘士利，王泽忠，孙超.应用伽辽金边界元法的直流换流站屏蔽罩表面场强计算[J].电网技术，2011，35（5）：223-227.