直流换流站电气总平面布置设计是一项系统性、综合性的设计工作,设计方案的优劣会直接影响到工程占地和造价。本文结合锡盟±800 kV特高压换流站近、远期的建设规划,参考同类型工程设计方案,分别对交流500 kV配电装置区域、交流滤波器区域、直流开关场区域、换流区域(阀厅、换流变压器及控制楼区域)、站前辅助功能区域5个方面进行了电气总平面布置设计优化,使工程总平面布置占地更为合理,造价最优。 1 锡盟±800 kV特高压换流站工程概况 1.1 工程简介

锡盟-江苏±800 kV特高压直流输变电工程北起锡林郭勒盟换流站,南至江苏泰州换流站,输电容量为10 000 MW,直流额定电压为±800 kV,直流额定电流按6250 A设计,输送距离约1630 km。锡盟换流站是该工程的送端站,是电力外送的起点,建设规模见表 1所示^[1]。换流站位于内蒙古自治区锡林郭勒盟锡林浩特市境内(市中心东北方向约50 km),所处地形属于微丘地貌,相对平坦,稍有起伏,土地性质为草地。

表1(Table 1)

表 1 锡盟±800 kV特高压换流站建设规模

表 1 锡盟±800 kV特高压换流站建设规模

±800 kV直流侧接线方式为双极直流带接地极出线回路;换流变压器采用12台单相、双绕组型式、Y/Y接线变压器以及12台单相、双绕组型式、Y/△接线变压器;换流阀组接线方式为每极由2个12脉动阀组串联(400+400) kV接线^{[2, 3, 4, 5]}。

500 kV交流侧采用一个半断路器接线方式,500 kV交流线路单侧向北出线,近期工程2号母线预留1组并联高压电抗器位置,2台站用变压器分别接入500 kV母线,组成10个完整串和2个不完整串;远期工程规划14回500 kV交流出线、4回换流变压器进线、6大组交流滤波器(共由24个交流滤波器小组组成)电气元件接入500 kV交流串中,组成12个完整串、3个不完整串;500 kV交流滤波器接线采用大组交流滤波器进串接线。1.3 电气总平面总体布置原则

锡盟±800 kV特高压换流站电气总平面布置按照500 kV交流开关场-阀厅及换流变压器广场-直流开关场的工艺流向由北向南布置^[6]。500 kV交流配电装置采用户内气体绝缘金属封闭组合开关设备(GIS),布置在站区北侧,本期及远期规划向北出线;阀厅和换流变压器、控制楼布置在站区中部;±800 kV户外直流开关场布置在站区南侧,向南出线;6大组交流滤波器采用改进田字形布置方式集中布置在站区的东、西两侧,东侧4组,西侧2组。通过GIS管道方式引接进串;备班楼、备品备件库、综合消防泵房、车库等布置在站区西南侧;进站道路从站区南面进站,备品备件库和综合水泵房布置在备班楼北侧,可阻挡交流滤波器组产生的噪声,为备班楼创造良好的工作环境。2 电气总平面布置设计优化

本工程直流换流站总体布局按功能分区设计,整个换流站划分为5个功能区域:交流500 kV配电装置区域、交流滤波器区域、直流开关场区域、换流区域(阀厅、换流变压器及控制楼区域)、站前辅助功能区域^[7]。设计力求做到每个功能分区设置合理、结构简洁,使每个功能分区在满足各自功能的前提下占地最小,各功能分区的衔接应合理、规整、节约占地、技术先进、整齐美观、投资经济。2.1 交流500 kV配电装置区域

目前,换流站中的交流500 kV配电装置的布置型式主要有2种,即敞开式(AIS)和GIS布置型式。AIS设备具有运行经验丰富、造价低的优点;GIS设备具有可靠性高、使用GIS管道母线接线灵活、占地小的优点。对于特高压直流换流站,500 kV交流配电装置具有多回交流电源、负荷出线以及换流变压器、交流滤波器大组进线回路,如采用AIS布置型式无法实现灵活配串接线。结合锡盟换流站的建设规模、出线规划、地形特点等因素,考虑设备的检修、维护方便性,推荐500 kV配电装置采用户内GIS设备^[8]。GIS布置型式采用高位斜连单列式布置,可将500 kV出线间隔宽度由28 m优化为25 m,纵向尺寸由16 m优化为15 m,最终GIS室整体尺寸为361 m×15 m (长×宽)。该布置方式与常规GIS和AIS布置方式相比,具有以下优点。

(1) 节省了GIS的占地面积,减小了GIS室的整体尺寸。

(2) 弯头及伸缩节的使用数量较少,设备造价较低。

(3) 易于实现交叉接线,出线方向灵活,设备检修维护方便。

(4) 与出线门形架构配合最合理,减少了不必要的占地。2.2 交流滤波器区域

交流滤波器区域是换流站内占地较大的区域,合理优化交流滤波器区域的平面布置方案,对于节省整个换流站占地作用较大。2.2.1 交流滤波器组平面布置尺寸设计优化

根据本工程的实际情况,按改进田字形布置方案将6大组交流滤波器集中布置于站区东、西两侧。该方案设计了高架进线方式,2大组母线平行伸入交流滤波器区域,下层设置小组间联络母线,滤波器小组采用单柱式隔离开关。在滤波器侧母线架下及小组开关回路相间设置检修道路。大组母线避雷器及电压互感器设置在2小组开关回路的隔离开关之间,经小组间联络线与大组母线相连。由于2平行大组母线距离较短,需设置大组母线接地刀闸,布置在相邻的2小组开关回路之间。面对面2小组滤波器采用铝管母线接地,可采用临时挂地线的方案,优化了交流滤波器组尺寸。

布置尺寸设计优化原则是考虑换流站整体布局方正、合理,减少不必要的占地。本工程东侧布置4大组、西侧布置2大组交流滤波器。首先将交流滤波器小组的布置尺寸与常规设计尺寸相比进行优化,对于HP3型交流滤波器小组,常规尺寸为32 m×43 m (横向×纵向),优化后尺寸为30 m×43 m;BP11(13)型交流滤波器小组,常规尺寸为30 m×43 m,优化后尺寸为29 m×43 m;HP24(36)型交流滤波器小组,常规尺寸为30 m×35 m,优化后尺寸为29 m×33.5 m;SC型并联电容器小组,常规尺寸为28 m× 23 m,优化后尺寸为28 m×20 m。其次是对交流滤波器组纵向布置尺寸进行优化。在以往工程设计中,交流滤波器组的光电电流互感器(OCT)采用支持绝缘子支撑,支柱绝缘子与接地开关之间采用跨路管母线连接,滤波器环形道路布置在支柱绝缘子和接地开关之间。本工程取消OCT及支持绝缘子,采用改进田字形布置方式,缩减了交流滤波器组的占地,其中,4大组交流滤波器配电装置纵向尺寸由317 m优化为310 m;2大组交流滤波器配电装置纵向尺寸由164.5 m优化为158.5 m;滤波器环形道路布置在断路器(本工程选用罐式断路器)与接地开关之间。2.2.2 优化后特点 2.2.2.1 交流滤波器组采用改进田字形方式布置

改进田字形布置方式解决了必须每大组含偶数个小组的问题(否则将会形成1个缺角,不利于节约占地),同时还可以节省管道母线(GIL,即GIS管道)用量,相比常规的一字形和田字形布置,滤波器大组GIL长度分别缩短120 m和180 m。本工程设计将滤波器在东侧布置4大组、西侧布置2大组,与常规设计的东、西侧各布置3大组方案相比,可节约GIL长度85 m (三相)。2.2.2.2 交流滤波器、断路器和隔离开关型式优化

考虑锡盟地区极端最低气温为-42℃,本工程设计时不选用瓷柱式断路器,而采用已在内蒙古500 kV工程设计应用较为成熟的罐式断路器。罐式断路器与接地开关之间采用跨路管母线连接,滤波器环形道路布置在断路器与接地开关之间。在以往工程设计中采用田字形布置的交流滤波器组,母线需向2侧分别引出,2组背靠背布置的滤波器各需设置1组单接地的隔离开关,引线比较复杂。本工程采用垂直伸缩式隔离开关,简化了接线形式,同时减小了占地面积。2.2.2.3 交流滤波器巡视小道设计优化

针对以往工程设计中滤波器之间未设计巡视小道,不方便巡视的问题,在滤波器小组的前、后区域均设置运输、检修道路,方便检修车辆通行;在2个交流滤波器小组之间利用电缆沟作为巡视通道。2.2.3 小结

综合以上的设计优化结果,本工程4大组交流滤波器配电装置尺寸为310 m×147 m (道路中心线-道路中心线),2大组交流滤波器配电装置尺寸为158.5 m×147 m (道路中心线-道路中心线),同时可节约GIL长度85 m (三相)。2.3 直流开关场区域

直流开关场布置按极分开,基本对称布置。每极±800 kV设备包括直流旁路开关回路设备、800 kV干式平波电抗器、直流极线高压设备、直流滤波器、±800 kV直流滤波电容器(PLC)等,每组12脉动阀组的1台旁路断路器、3台旁路隔离开关,设计为回字形布置,放在平波电抗器和阀厅之间,紧靠阀厅安装,通过穿墙套管与阀厅设备连接。2.3.1 直流开关场区域横向尺寸优化 2.3.1.1 直流开关场检修道路优化

针对其他工程中直流开关场检修道路比较凌乱且检修不便的问题,对检修道路进行优化设计,形成完整的环形道路并在主要设备如平波电抗器、高压电容器塔和高压隔离开关等处设置检修道路,方便运行检修。

另外,统筹考虑电缆沟及检修小道设计,将电缆沟作为隔开开关和断路器等设备的检修通道,对于利用电缆沟作为检修通道检修不便的设备,可设置独立的检修通道。2.3.1.2 直流开关场尺寸优化

考虑到本工程直流开关场大部分设备可能会采用国产设备,设备外形尺寸(隔离开关断口等)较大,本着合理优化的原则,对直流开关场尺寸进行优化。经查阅相关国内、外设备生产厂家的资料,并参考哈密南-郑州±800 kV特高压直流输电工程设计方案,对直流开关场横、纵向尺寸进行了设计优化。通常户外直流开关场横向尺寸随换流变压器及阀厅区域尺寸变化,由于换流区域占地较大,直流开关场内设备相对较少,换流变压器及阀厅区域的布置方式对整个直流开关场内设备布置基本无影响。2.3.1.3 直流开关场检修、巡视通道优化

(1) 在阀厅端部套管下部增加了1条贯穿直流开关场的检修道路,方便运行单位检修套管、监测箱等设备。

(2) 为高压出线隔离开关及直流滤波器组高压开关设置了1条检修道路,该道路一直通至直流滤波器高压电容器塔,方便对高压开关和直流滤波器高压电容器塔的检修。

(3) 利用电缆沟和专设的检修通道对直流开关场内断路器和其他隔离开关进行检修。2.3.2 小结

综合以上的设计优化结果,换流站直流开关场横向尺寸为303 m (道路中心线-道路中心线);纵向尺寸由户外场内的电气设备布置及接线方式决定,同时考虑设备日常运行、维护、检修的需要,经优化,换流站直流开关场纵向尺寸为120 m (道路中心线-道路中心线)。2.4 换流区域(阀厅、换流变压器及控制楼区域)

该区域是换流站的核心区域,位于站区中部,主要布置有高端、低端阀厅,24台换流变压器,主控制楼,空调设备间,极1、极2阀厅各自的交、直流汇流母线,换流变压器运输通道及组装场地。因此,该区域的设计优化主要从阀厅、换流变压器、换流变压器组装场地、高端阀厅空调设备间区域布置并衔接直流开关场和交流500 kV配电装置方面综合分析。2.4.1 阀厅布置优化

由于本工程输送容量较大,为提高供电可靠性,减少阀厅内复杂接线,降低了阀厅高度,因此换流阀选用了悬吊式二重阀。借鉴了以往±800 kV特高压直流输电工程换流站的阀厅尺寸设计经验,并结合变压器生产厂家提供的换流变压器外形尺寸以及本工程自身特点,进行高、低端阀厅尺寸设计优化,优化后尺寸分别为88 m×35 m×25.6 m (长×宽×高)和76.5 m×23.1 m×15.75 m (长×宽×高)。

全站共有高、低端阀厅各2个,两极的低端阀厅采用背靠背布置方式,同极的高、低端阀厅采用面对面布置方式。低端阀厅位于该区中部,高端阀厅位于该区东、西两侧。该布置方式,即高、低端阀厅面对面布置方式相对于一字形布置方式,具有以下优点。

(1) 高、低端阀厅能阻挡和吸收换流变压器产生的噪声,有利于换流站围墙外区域的噪声控制。

(2) 换流变压器进串更加顺畅,汇流母线至交流GIS进线的角度适宜。

(3) 在换流变压器防火墙上空完成换流变压器的汇流后,经过交流PLC设备直接进串,连接线短、布置紧凑;换流变压器组装场地上方设计安装一字形布置的高跨线,布置更加美观、清晰。

(4) 辅助设备按阀厅功能分区布置,单元体系清晰,功能分区明确。

(5) 换流变压器组装场地设计考虑了同极的高、低端换流变压器可同时背靠背安装检修,运行检修非常灵活。2.4.2 换流变压器布置优化

本工程换流变压器采用紧靠阀厅的布置方式,即每个阀厅对应的6台换流变压器采用一字形布置方式布置于阀厅一侧,中间用防火墙隔开,换流变压器阀侧的12支套管一同插入阀厅,在阀厅内部完成Y、△形连接,其优点为:

(1) 可利用阀厅内良好的运行环境来减小换流变压器套管的爬距;

(2) 减小了阀厅和换流变压器区域的横向尺寸;

(3) 防止换流变压器套管的不均匀湿闪;

(4) 每极可节省24支单独的穿墙套管;

(5) 阀厅内、外的电气接线均较为简单。2.4.3 换流变压器组装场地优化

根据阀厅的布置形式,换流变压器组装场地共有2处,每处组装场地内布置有12台工作换流变压器^[9]。换流变压器汇流母线设置于换流变压器上方,通过软导线接入500 kV GIS配电装置。这样设计组装场地是为了允许同时组装布置在同一侧的换流变压器,并留出其他换流变压器的运输通道。组装场地的横向尺寸最终优化为84.5 m。由于本工程设备还未招标,后期可根据中标换流变压器生产厂家提供的设备资料进一步优化设计方案。本次组装场地设计优化后,其优点是12台换流变压器具备同时安装、试验的条件,换流变压器的进场顺序与布置位置无关,对施工组织的要求较低。2.4.4 高端阀厅空调设备间布置优化

本工程取消了高端阀厅的外置空调设备间,将空调室内机放置在辅控楼内,室外机放置在辅控楼的屋顶,使得阀厅与主控楼从同一侧面看呈1条直线,较以前的布置方案更美观;同时根据空调的用途合理布置风管长度,减少风管转弯,保证整体效果。优化后减小了直流开关场及换流区域的横向尺寸,节约了用地。2.4.5 小结

综合以上阀厅、换流变压器等区域设计优化结果,高、低端阀厅面对面布置方式有利于阻挡、吸收换流变压器发出的噪声;交流GIS进线配串更加顺畅,安装、运行、检修非常灵活;减小了阀厅和换流变压器区域的横向尺寸,每极可节省24支单独穿墙套管;换流变压器组装场地具备设备同时安装、试验的条件,对施工组织的要求低;高端阀厅侧的空调设备间搬至辅控楼内,减小了直流开关场及换流区域的横向尺寸。优化后的阀厅、换流变压器、组装场地区域尺寸为303 m×147.5 m (横向×纵向),极大地节约了占地。2.5 站前辅助功能区域

站前辅助功能区域(以下简称站前区)主要生产建筑设施有综合楼、备件备品库、综合水泵房、蓄水池、堆放场地以及汽车库等^[3]。结合本工程的站区总平面布置方案,将站前区设计为正方形布置方式,由南侧道路进站,综合楼、汽车库布置在站前区南侧,北侧布置有备件备品库、综合水泵房、蓄水池,露天堆放场地置于站前区最西南角。

站前区设计原则应以人为本,通过将站前区入口处的建筑空间合理组合,使该区域形成交通方便,环境优雅、宁静的办公区,同时兼顾电气设备布置合理、顺畅。

站前区布置方案可使综合楼不受滤波器组设备影响,综合水泵房及检修备品库阻挡了滤波器组发出的噪声,具有综合楼受噪声影响小、大件设备运输方便、进站道路短等优点^[10]。3 工程优化设计结论

锡盟±800 kV特高压换流站电气总平面布置设计图见图 1所示。总结本工程优化设计方案,主要有以下几方面特点。

图1(Figure 1)

图 1 锡盟±800 kV特高压换流站电气总平面布置设计图

本工程GIS布置型式采用高位斜连单列式布置,500 kV出线间隔宽度为25 m,纵向尺寸15 m,GIS室整体尺寸为361 m×15 m。3.2 滤波器组采用改进田字形布置方式

滤波器大组和小组均采用改进田字形布置方式,将各交流滤波器大组和并联电容器分别布置在滤波器大组母线两侧,以减少滤波器占地。优化了GIL布置,节约GIL长度85 m (三相)。采用垂直伸缩式隔离开关,简化了接线形式,同时压缩了占地面积。在滤波器小组的前、后位置均设置运输检修道路,方便检修车辆通行。在2个交流滤波器小组之间利用电缆沟作为巡视通道。3.3 合理布置各区域道路和电缆沟

根据电缆数量核实电缆沟截面,减少分置电缆沟数量,取消部分小断面支沟,改为电缆埋管,非跨道路电缆沟盖板采用成品复合盖板。3.4 直流开关场开关采用共用静触头方式

结合《国家电网公司输变电工程通用设计110(66)~500 kV变电站分册》^[7]、"两型一化"、全寿命周期设计等标准化建设要求,创新设计思路,采用直流开关场极线隔离开关与旁路隔离开关共用静触头、2组背靠背布置的交流滤波器小组隔开开关共用静触头等设计方案。3.5 阀厅、换流变压器、组装场地区域优化

阀厅、换流变压器等布置区域的设计优化方案有利于控制噪声;交流GIS进线配串顺畅;安装、运行、检修灵活;换流变压器紧靠阀厅布置,减小了横向尺寸,并且每极可节省24支单独穿墙套管;换流变压器组装场地具备设备同时安装、试验的条件;空调设备间搬至辅控楼内,减小了直流开关场及换流区域的横向尺寸。最终优化后的阀厅、换流变压器、组装场地区域尺寸为303 m×147.5 m。3.6 站前区布局紧凑合理

在滤波器组与综合楼之间放置备品备件库及综合消防水泵房,有效降低了滤波器组噪声对综合楼的影响。备班楼南北朝向,保证职工生活和工作环境舒适。4 结语

本工程是内蒙古电网首座特高压±800 kV直流输变电工程,依据工程的特点,同时结合电气工艺要求,设计中参考同类型工程设计方案,通过设计优化提出电气总平面布置最优方案,为今后特高压换流站设计提供借鉴。

鉴于本工程电气总平面的设计优化经验,建议在设备选型时尽量选择无油设备和检修工作量少的设备,便于运行维护;直流配电装置考虑户外场布置方案;辅助生产建筑尽可能采用联合建筑,减少建筑面积,尽量少占用地;出线方向应适应交、直流线路走廊要求,尽量减少出线转角塔及避免线路交叉;阀厅及换流变压器区域采用二重阀塔;高、低端阀厅及换流变压器采用面对面布置方案;优化站址位置及方位,充分重视与当地环境的协调;站区位置及布置方位选择充分考虑合理用地,减少土方工程量,同时将换流建筑物布置在地质条件较好的地段;备班楼南北朝向,保证生活和工作环境舒适。