搜索
第四章换流站及其设备4.1换流站概述在高压直流输电系统中，为了完成将交流电变换为直流电或者将直流电变换为交流电的转换，并达到电力系统对安全稳定及电能质量的要求换流站的一次设备有：换流阀及其相关设备、换流变压器、平波电抗器、交流开关设备、交流滤波器、交流无功补偿装置、直流开关设备、直流滤波器、交直流避雷器等。换流站的二次设备有：测量、控制与保护装置以及远程通信系统等。4.1换流站概述1、换流阀：将交流电力变换成直流电力或将直流电力变换成交流电力。2、换流变压器：向换流器提供交流功率或从换流器接受功率的变压器。3、交流断路器：将直流侧空载的换流装置投入到交流电力系统中或从其中切除。当换流站主要设备发生故障时，在直流电流的旁路形成后，可用它将换流站从交流系统中切除。4、直流电抗器（平波电抗器）：抑制直流过电流的上升速度，并用于直流线路的滤波，同时对于沿直流线路向换流站入侵的过电压也起缓冲作用。5、阻尼器（并联于换流器阀）：用来阻尼阀关断时引起的振荡，抑制过电压；线路阻尼器用于阻尼线路在异常运行情况下发生的振荡。4.1换流站概述6、滤波器（交流滤波器、直流滤波器）：对交流侧和直流侧进行滤波。交流滤波器还可为换流站提供一部分无功功率。7、无功补偿装置(并联电容器、同步调相机、静止补偿器)向换流器提供无功功率；逆变站的无功补偿装置，还供给部分受端交流负载所需要的无功功率；可兼作电压调节用。8、过电压保护器：保护站内设备（特别是换流器）免受雷击和操作过电压之害。4.1换流站概述9、电压互感器和电流互感器：用于测量、保护、控制等。10、接地电极：连接大地（或海水）回路、固定换流站直流侧的对地电位。11、控制调节装置：根据系统的运行情况，自动控制换流器的触发相位，调节直流线路的电压、电流和功率。12、继电保护装置：检测换流站内设备（特别是换流器）和直流线路的故障，并发出故障处理的指令。13、高频阻塞装置：抑制换流器在换相过程中所引起的无线电干扰。4.1换流站概述换流站主要设备布置在四个区域里：交流开关场区域换流变压器区域阀厅控制楼区域直流开关场区域4.1换流站概述交流开关场区域主要包括：按主接线要求进行连接的换流站交流侧开关设备、交流滤波器及无功补偿设备、防止设备免遭过电压侵害的交流避雷器，为了对交流侧的电流、电压等电气量进行监测，在这个区域里还装设有交流测量装置。4.1换流站概述换流变压器区域：大容量高压直流换流站的换流变压器容量大、台数多，占地面积大。为了缩短换流变压器阀侧套管与阀厅之间的引线长度，减少直流侧由于绝缘污秽所引起的闪络事故，一般要求换流变压器靠近阀厅布置。保护换流变压器的交流避雷器靠近换流变压器布置。根据防火要求，在换流变压器区域装设水喷淋灭火系统或其它灭火系统。4.1换流站概述阀厅控制楼区域：阀厅与控制楼大都采用整体建筑结构。阀厅内安装晶闸管换流阀及其相应的开关设备和过电压保护设备。在大多数高压直流换流站中，换流变压器的阀侧套管都直接插入阀厅，以减少套管的污闪几率。采用水作为冷却介质的晶闸管换流阀还安装了冷却水管路。阀厅防火措施：在晶闸管阀的电路中，避免采用充油元件；阀组件中尽量采用阻燃材料；在阀厅中采用火灾探测装置并设置必要的水消防装置。火灾原因：电气连接处的接触不良、充油元件的过热及泄漏、冷却水管渗漏引起的电弧等。4.1换流站概述主控制楼在双极换流站中，主控制楼一般布置在两极阀厅之间，以节省控制电缆，缩短控制室阀控系统至阀厅的光缆长度，减少光信号的衰耗。控制楼内一般布置有阀的冷却设备、辅助电源设备、通信设备以及控制保护设备等。4.1换流站概述直流开关场区域布置有：直流平波电抗器、直流滤波器过电压保护装置直流测量装置用于运行方式切换和故障清除所需的直流开关装置，如：•低压直流高速开关（LVHS）、金属回线切换断路器（MRTB）、大地回线转换开关（GRTS）。4.2换流站主接线直流输电换流站由基本换流单元组成，基本换流单元有6脉动换流单元和12脉动换流单元两种类型，每个基本换流单元主要包括换流变压器、换流阀、交直流滤波器、控制保护设备、交直流开关设备等。本节主要介绍：（一）交流侧电气接线（二）换流器的接线（三）换流变压器与换流阀连接（四）直流侧电气接线4.2换流站主接线（一）交流侧电气接线换流站交流侧的接线方式包括：交流母线的接线方式和交流滤波器的接入方式。交流母线的接线方式与交流变电站的母线接线方式选择原则相同。交流滤波器的分组方式有：1）直接分成若干小组；2）先分成若干大组，再将每大组分成若干小组。交流滤波器接线方式有：1）滤波器小组通过断路器接在交流母线；2）滤波器小组直接接在换流变压器进线；3）滤波器大组按选定的母线连接方式接入交流母线；4）滤波器大组直接接在换流变压器进线。4.2换流站主接线（二）换流器的接线LIdI6脉动换流器4.2换流站主接线LIdI12脉动换流器4.2换流站主接线每极的换流器接线始终是直流输电工程设计前期需要研究和论证的课题。论证的焦点：每极采用几组12脉动换流单元。每极的换流器接线形式：每极1组12脉动换流单元；每极2组12脉动换流单元串联；每极2组12脉动换流单元并联。2组换流单元，一组故障另一组可输送一半的功率每极1组12脉动换流单元每极2组12脉动换流单元串联每极2组12脉动换流单元并联4.2换流站主接线采用几组12脉动换流单元主要与以下因素有关：单个12脉动换流单元的最大制造容量；换流变压器的制造及运输限制；分期建设的考虑；可靠性及可用率；投资考虑；交流系统的要求（当直流系统一组基本换流单元故障时对交流系统带来的冲击）。决定性因素采用每极1组明显优于每极2组，根据对31项每极1组的直流工程和5项每极2组的直流工程比较得出的结论。4.2换流站主接线由于每极1组12脉动换流器的方案具有接线布置简单、可靠性高、投资省的特点，若制造商具备生产制造能力，且运输通道不受限制，则应优选采用这种方案。（三）换流变压器与换流阀连接换流变压器的型式直接影响换流变压器与换流阀的连接及布置。由于三相三绕组换流变压器具有接线布置最简单、投资最省等特点，对于中小型直流输电工程，在条件许可的前提下，总是优先采用。但是受制造能力及运输尺寸的限制，对于大型直流输电工程，三相双绕组变压器、单相三绕组变压器以及单相双绕组变压器也广泛应用。4.2换流站主接线到底采用哪一种型式？1）直流输电工程的容量2）换流器以及换流变的生产制造能力3）换流变运输尺寸的限制换流变的运输方案问题特点：一直是换流站工程建设中的一个难题，它前期调查工作量大、运输措施费用大、运输时间长、影响面广、地方协调工作量大。重要性：工程能否按期投产、建设进度是否受到影响，换流变的运输是一个很关键的因素。确定运输方案需考虑问题：取决于站址周围交通的情况及今后几年当地交通发展的情况。有些方案表面上、客观上可行，但实际操作起来，就不可行，这方面的经验教训实例太多。举例说明：例如：三常线宜昌龙泉换流站的2台换流变（铁路——水路——公路的大件运输方案）；三广线荆州换流站5台换流变（全程公路，后改为半程公路——水运）。站址的选择原则1）站址附近具备水运、铁运及卸货的条件；2）靠近公路；3）避开大型的公路桥梁；4）避开空中障碍物，如立交桥、隧洞等。由设计院来制定大件运输的方案，估算运输的费用。肇庆换流站（山根站址）：2400万元（水运为主）其它站址：3600万元（要加固多座桥梁；经过乡镇及村庄道路——修路及排水工作量大，改造费用高；公路运输距离远——超重车辆道路补偿费用高）4.2换流站主接线（四）直流侧电气接线直流侧电气接线是指直流一次设备的连接方式。换流站直流侧按极装设平波电抗器、直流滤波器、直流电压测量装置、直流电流测量装置、各种开关设备和各种直流避雷器等电气设备。平波电抗器串接在换流阀高压侧出口和直流线路间直流滤波器跨接在极线和中性线间直流电压和电流测量装置装设在极线和中性线对双极直流输电工程，直流开关场的接线通常要适应双极运行方式、单极大地回路方式和单极金属回线方式以及双导线并联大地回线方式等多种运行方式之间的转换，因此需要在中性线上装设相应的转换开关，以便实现各种接线方式的转换。在实际工程中，常常只在某一个换流站（如整流站）中装设。4.3换流阀换流阀——在高压直流输电系统中，为实现换流所需的三相桥式换流器的桥臂，称为换流阀，它是换流器的基本单元设备。功能：整流和逆变具有开关的功能，可利用其快速可控性对直流输电系统的起动和停运进行快速操作。半导体换流阀类型：常规晶闸管阀（简称晶闸管阀，或可控硅）低频门极关断晶闸管阀（GTO阀）高频绝缘栅双极晶闸管阀（IGBT阀）目前绝大多数直流输电工程均采用晶闸管阀，本节主要论述晶闸管阀。4.3换流阀（一）晶闸管换流阀设计基本要求晶闸管换流阀是换流站的核心设备之一，其投资约占全站设备投资的1/4。晶闸管换流阀应能在预定的外部环境及系统条件下，按规定的要求安全可靠地运行，并满足损耗小、安装及维护方便、投资省的要求。（1）系统对换流阀定值的要求连续运行额定值应根据系统要求及对高压直流系统主回路参数研究的结果来确定换流阀的连续运行额定值，应计及诸如最高环境温度等因素的影响。阀的冷却系统及其他辅助系统的设计须满足所确定的连续运行额定值的要求。4.3换流阀（2）对换流阀过负荷能力的要求连续过负荷额定值，可以长期连续运行的过负荷能力；短时过负荷额定值，一般是指0.5至数小时内可连续运行的过负荷能力；暂态过负荷额定值，一般是指数秒种内的过负荷能力。4.3换流阀（3）对运行触发角工作范围的要求触发角工作范围的选择考虑的因素有：满足额定负荷、最小负荷和直流降压等各种运行方式的要求；满足正常起停和事故起停的要求；满足交流母线电压控制和无功调节控制的要求。4.3换流阀（二）阀电气连接晶闸管换流阀是由晶闸管元件及其相应的电子电路、阻尼回路以及组装成阀组件（或阀层）所需的阳极电抗器、均压元件等通过某种形式的电气连接后组装而成的换流桥的一个桥臂。4.3换流阀（1）晶闸管及晶闸管级。由晶闸管元件及其所需的触发、保护及监视用的电子回路、阻尼回路组成。阻尼回路触发脉冲监视脉冲光接受器光发射器阀控制单元（VCU）晶闸管元件晶闸管控制单元（TCU）监视保护触发光纤光纤晶闸管级阻尼回路：限制（抑制）阀关断时引起的电压振荡。对于单阀V1来说，在关断时，两端的电压从0一下变到了Eb-Ea。实际上，阀的极间总存在有微小的杂散电容，因此阀电压不可能突然跃变，它的上升率dU/dt总有一个限值，但可能比允许的数值要高很多；而且阀的杂散电容与换流变的漏抗等参数配合在一起将引起电压振荡，形成过电压。为了避免阀因受到过电压损坏，必须把阀关断时引起的振荡过电压的峰值及其上升速度限制在允许值之内，因此必须在每个阀的两端并联阻尼器（R-C串联的回路）4.3换流阀（2）阀组件。由串联连接的若干个晶闸管级与阳极电抗器串联后再并联上均压（电容）元件构成。均压电容若干个晶闸管级阀组件阳极电抗器阳极电抗器：阻尼阀开通时引起的电流振荡。对于阀V3来说，在它滞后开通期间，有一个正电压加在它的阳极和阴极之间（0~α为：eb-ea)。阀V3两极之间的电容、杂散的和装置的并联电容等就被充到这个电压。一旦阀触发导通，并联电容立刻通过开通的阀元件放电，由于放电回路中必然存在杂散的集中电感，而且电阻又很小，因此放电电流是轻度阻尼的振荡。不良后果：①使刚开通的阀由于di/dt过大而损坏；②产生无线电干扰严重程度取决于阀开通时电压跃变的幅值（就是导通前阀V3上电压的高低）采取措施：与阀串联一个电抗器，可使电流的振荡频率和幅值都减小，称为阀电抗器，也称为阳极电抗器，电感值一般在数mH数量级。如果再用一个电阻器并联于阀电抗器，可使振荡电流的幅值进一步减小，叫做串联阻尼器或简称阀阻尼器。4.3换流阀（3）单阀（或阀臂）。若干个阀组件串联连接组成一个单阀，它构成了6脉动换流器