特高壓換流站中500kV站用變應用GIL連接方案研究

摘要：特高壓換流站中， 500kV交流站用變採用GIL管道連接方案可以在套管和GIL管道等設備上節省投資，並且優化了交流場佈置，提高了連接可靠性，減少了維護工作量。

本文還提出應用有源式電子式互感器來解決GIS常規互感器價格偏高的問題，力求在保證可靠性的前提下降低工程造價，並且有效解決特高壓換流站站用變高壓側小變比CT的飽和問題，為特高壓換流站GIS設備應用電子式互感器作出有益的嘗試。

關鍵詞：換流站；變壓器油-SF6套管；過勵磁保護；電子式互感器

1  概況

直流輸電主要應用於遠距離大功率輸電和非同步交流系統的聯網，換流站是直流輸電系統的核心，完成交流和直流之間的變換。800kV換流站是目前國內電壓等級最高的換流站，站用電一般考慮站內引接2回站用電源，站外引接1回站用電源。站內2回站用電源接至站內交流GIS，電壓等級為500kV，設置兩台站用變壓器，低壓側電壓等級為10kV。

特高壓換流站中500kV交流站用變與GIS連接的方式可採用架空連接和GIL連接等多種方式。

架空連接方式考慮GIS設備套管與站用變採用軟導線或管母線連接，避雷器和電壓互感器採用AIS設備，佈置尺寸偏大。GIS設備與站用變之間有明顯的斷開點，各類試驗相對簡單，檢修方便。

GIL連接方式考慮變壓器採用油-SF6氣體套管與GIS設備通過氣體絕緣母線(GIL)連接，不出現裸露的導體和引線，佈置靈活緊湊，有利於提高設備的可靠性；但避雷器和電壓互感器均需採用GIS設備，造價較高，因無明顯的斷開點，各類試驗相對複雜，檢修不便。

油-SF6氣體套管根據電容芯子的材料可以分為兩大類：OIP和RIP兩類。

油紙（OIP）套管的主絕緣為油浸紙電容芯子，電容芯子經真空乾燥後由變壓器油真空浸漬而成；OIP套管具有優良的電氣性能，但由於該類套管在運行中可能出現油色譜超標、瓷件爆炸傷人、漏油污染環境及維護費用高等缺點，使OIP套管的應用受到了一定的影響；因此，上世紀60年代國外開始研究RIP乾式套管，已克服了OIP套管的缺點。

環氧樹脂浸紙（RIP）乾式套管起主絕緣作用的電容芯子，是一個圓柱形電容器。它是用絕緣紙和鋁箔纏在套管的導電杆上，經真空乾燥後浸漬環氧樹脂，固化而成。RIP乾式套管的製造和測試均達到或超過了IEC60137和GB/T4109的要求。

油-SF6套管大規模應用於核電站、水電站、抽水蓄能電站等工程中，在交流500kV户內變電站中也有應用經驗。

GIS與站用變壓器採用GIL連接後，該回路避雷器和電壓互感器由AIS改為GIS設備，造價增加，以下重點論述該回路避雷器（MOA）和電壓互感器（VT）的配置要求，同時結合國內某特高壓換流站交流場地整體佈局，對GIL連接方案和架空連接方案進行充分的技術經濟比較。

3.1  電壓互感器與避雷器配置

本工程交流500kV為一個半斷路器接線，兩台站用變分別直接上IM和IIM母線。

3.1.1  站用變500kV側電壓互感器配置

根據國家標準的要求，與三相電壓量相關的變壓器保護主要有過勵磁保護和複合電壓起動的過電流保護或複合電流保護。

（1）過勵磁保護

對高壓側為交流330kV及以上的變壓器，為防止由於頻率降低和/或電壓升高引起變壓器磁密過高而損壞變壓器，應裝設過勵磁保護。過勵磁保護由電壓與頻率的比值構成，因每相均要進行判別，需引入三相電壓。

結合工程情況，特高壓換流站中站用電負荷為10MVA，但考慮到500kV交流變壓器額定容量最小不宜低於40MVA，故一般按40MVA選擇。所以，換流站中的站用變運行在低負荷，鐵芯等金屬構件及變壓器油温度較低，有利於提高變壓器的過勵磁能力。此類變壓器的正常工作磁通密度一般在1.5~1.6T，飽和磁通密度為1.8~2T。本工程作為受端換流站，經計算，工頻穩態過電壓1.09p.u，考慮到所連接系統頻率基本不變，故可以認為工作磁通密度1.09倍正常磁通密度，在1.635~1.744T，不會導致鐵芯飽和。根據變壓器過勵磁特性曲線，此類運行方式下的變壓器在過電壓倍數1.1p.u時，可以連續運行。故本工程站用變不會出現過勵磁情況，可不裝設過勵磁保護，無需引入三相電壓。

對於某些交流500kV變壓器低壓側帶有低壓無功補償裝置的特高壓換流站，配置的交流變壓器額定容量一般為120~240MVA。考慮到變壓器需要運行在滿負荷狀態，此類變壓器過勵磁能力一般為1.05p.u時能連續運行，若要提高過勵磁能力，則需增大鐵芯截面或增加繞組匝數，需提高設備投資，故建議仍然裝設過勵磁保護，不提高站用變過勵磁水平。

對於工頻穩態過電壓水平超過1.1p.u的特高壓換流站，交流站用變壓器也建議裝設過勵磁保護。

（2）複合電壓起動的過電流保護或複合電流保護

交流110kV～500kV降壓變壓器、升壓變壓器和系統聯絡變壓器，相間短路後備保護用過電流保護不能滿足靈敏性要求時，宜採用複合電壓起動的過電流保護或複合電流保護。複合電壓由引入三相電壓產生。

經校驗，本工程站用變高壓側相間短路過電流保護靈敏係數為11.89，滿足靈敏性要求，無需配置復壓啟動。

由上分析可得，本工程站用變保護不需要配置高壓側VT。同時，計量測量點可以設置在站用變低壓側，故站用變計量測量也不需要配置高壓側VT。

（3）小結

綜上所述，結合本工程的實際情況，站用變保護和計量測量系統可不配置高壓側電壓互感器。

3.1.2  站用變500kV側避雷器配置

根據變電站設備實際佈置情況，對線路雷電進波對設備的過電壓影響，採用電磁暫態計算程序，進行了計算分析，計算結果見表1。

表1 線路雷電過電壓電磁暫態計算結果分析

由上表可知，站用變處的過電壓達到了1326kV，絕緣裕度為16.9%，低於最小絕緣配合係數25%；如站用變採用油氣套管，站用變處的過電壓為1263kV，絕緣裕度為22.7%，仍低於最小絕緣配合係數25%。因此，需要採取措施降低其過電壓，而在母線上安裝一組避雷器可滿足要求，母線避雷器應儘量靠近站用變側；或者可以將站用變的雷電衝擊絕緣水平提高到1675kV，同樣可以滿足絕緣裕度的要求。

根據以上分析，推薦在站用變前安裝一組避雷器的配置方式。

3.2  換流站500kV交流場地佈置

對於GIL管道連接方案，站用變500kV側迴路避雷器宜採用GIS設備，故站用變回路省去了空氣套管和架空線所要求的電氣距離要求，站用變佔地尺寸大幅降低，可以直接利用GIL管道區域的空餘場地佈置，不單獨增加站用變佈置區，使得換流站交流場區域佈置更加清晰合理。

油-SF6套管為減小安裝法蘭的受力，傾斜角度不宜大於30，故推薦豎向安裝油-SF6套管。

3.3  技術經濟比較

站用變回路選用GIL連接方案與架空連接方案在500kV套管、避雷器及GIL等設備型式及數量上存在不一致，見表2。

表2  GIL連接方案和架空連接方案相關設備配置差異表

經比較設備配置差異，全站兩組站用變採用GIL連接方案共節省投資23.64萬，並且使得交流區域佈置更加合理，節省了獨立的站用變場地，同時提高了連接的可靠性，減少了維護工作量。

4  GIL連接方案互感器的選擇

在第三章論述中，該換流站站用變回路可以取消迴路VT；同時，也提到某些特高壓換流站不能取消過勵磁保護，則站用變回路VT不能取消，由於常規GIS VT比AIS VT每相需增加投資31.8萬，故GIL管道連接方案總體投資反而需要增加。

電子式互感器的應用可以降低工程造價，同時由於羅氏線圈線性度好，抗飽和能力強，能有效解決站用變高壓側小變比CT的飽和問題，所以站用變回路應用電子式互感器很有意義。但是由於處在應用初期，需深入論述方案的可靠性。

為更全面的分析GIL管道連接方案，以下按設置迴路電壓互感器方案對應用GIS電子式互感器進行方案探討。

4.1 原理

電子式互感器根據其高壓部分是否需要工作電源，可分為有源式和無源式兩大類。

對於GIS設備，現階段選擇應用線圈型電子式電流互感器(ECT)和分壓型電子式電壓互感器(EVT)在技術上比較可靠，在投資上比較節省，以下按此類型電子式電流和電壓互感器進行分析。

4.2  站用變回路應用電子式互感器探討

4.2.1  應用方案

站用變採用GIL管道連接，站用變500kV側應用GIS型式的ECT和EVT；為考慮站用變各側互感器特性的一致性，站用變10kV及中性點側也應用ECT和EVT。

對於電子式互感器方案，對應兩種VT設置方式，進行應用探討。

Ø 方式一：500kV母線設置單相VT，站用變500kV側設置三相VT

500kV母線單相VT採用常規型式，站用變500kV側採用三相ECT、三相常規CT和三相EVT；站用變保護、測量、計量及故錄採用ECT和本回路EVT，500kV母差保護採用常規CT。

Ø 方式二：500kV母線設置三相VT，站用變500kV側不設置VT

500kV母線三相VT採用EVT，站用變500kV側採用三相ECT和三相常規CT；站用變保護、測量、計量及故錄採用ECT和母線EVT，500kV母差保護採用常規CT。

4.2.2  方案比較

母線VT對於除站用變外的間隔，僅需提供單相同期用電壓，不影響主保護功能，故應用EVT帶來的互感器特性不一致方面擔憂對於控制保護系統影響不大。故上述兩種方式均較為穩妥。

方式一比方式二影響範圍更小，可靠性更高，對於除站用變外的其他間隔控制保護系統沒有影響，也不存在互感器特性不一致問題，故GIL連接方案應用電子式互感器考慮推薦採用方式一。比方式二需增加2台500kV常規GIS電壓互感器，約增加投資80萬元。

站用變保護、測控、計量及故錄等裝置均接入來自ECT和EVT的電流電壓數字量，500kV母差保護及斷路器保護仍接入常規電流互感器的電流模擬量。

以下就GIL連接方案應用電子式互感器，與架空連接方案應用全常規互感器進行綜合比較，相關設備配置差異見表3。

表3  GIL連接方案和架空連接方案設備配置差異表

經比較設備配置差異，站用變GIL連接方案應用電子式互感器後比架空連接方案應用全常規互感器節省投資約36.84萬。本方案考慮到電子式互感器的可靠性問題，儘可能的減小應用電子式互感器所帶來的影響範圍，僅站用變回路的保護測控、電能表和故障錄波裝置採集來自電子式互感器的電流電壓採樣值，其他控制保護設備均保持不變。

5  結論

特高壓換流站中，500kV交流站用變採用GIL管道連接方案可以在套管和GIL管道等設備上節省投資，並且優化了交流場佈置，提高了連接可靠性，減少了維護工作量，但是也會帶來試驗和檢修的不便。隨着GIS設備的普及，GIL連接方案會更多的應用到各種類型的換流站及變電站中，這就需要相關規程規範針對油-SF6套管的特點，調整試驗和檢修要求，以利於該設備的推廣應用。

同時，由於GIL連接方案要求避雷器和VT改用GIS型式，需要增加設備投資。本換流站經論證，可以取消站用變過勵磁保護和復壓啟動迴路，取消站用變500kV側迴路VT，因此該工程採用GIL連接方案可以節省投資。

本文還提出應用有源式電子式互感器來解決GIS常規互感器價格偏高的問題，力求在保證可靠性的前提下降低工程造價，並且有效解決特高壓換流站站用變高壓側小變比CT的飽和問題，為特高壓換流站GIS設備應用電子式互感器作出有益的嘗試。