基本介紹
- 中文名：背靠背換流站
- 外文名：Back to back
- 優點：常規高壓直流輸電
- 完成：將交流變直流
- 特點：控制簡單，調度管理方便
- 學科：電力工程
直流背靠背換流站主要技術設計方案,背靠背換流站的優點,設計模式和接口關係複雜,主要直流設備多樣化,換流閥廳結構型式,換流變壓器場地的布置,換流閥廳內布置,閥冷系統室外換熱設備方式,換流變套管伸入閥廳後的封堵,
直流背靠背換流站主要技術設計方案
直流背靠背換流站工程直流聯網功率為360MW，其主要技術設計方案如下：
(1)背靠背換流站直流接線採用單極12脈動閥組、兩個6脈動閥組橋間不接地；330kV和220kV交流接線均採用單母線接線；每組交流濾波器直接接入單母線。
(2)可控矽換流閥採用四重閥懸吊安裝方式；晶閘管閥採用光電觸發和光觸發各1組；閥冷卻系統室外換熱設備採用空氣冷卻方式。
(3)換流變壓器採用單相三繞組型式，330kV和220kV側各設3+1台單相換流變。
(4) 330kV和220kV側換流閥之間連線一台平波電抗器，採用油浸式，不設定備用。
(5)背靠背換流站設定1個閥廳，兩側換流閥之間不設定防火隔牆。兩側換流閥共用一套冷卻水處理系統和一套機械通風系統。
(6)根據系統研究和成套設計審查會議紀要的要求，控制保護系統採用以轉讓引進技術為基礎的兩個完整套方案，即許繼電氣集團公司和南瑞繼保公司各一套，定期切換運行。保護裝置集中布置在主控綜合樓內。
(7)閥廳和主控綜合樓牆體採用鋼筋混凝土結構，閥廳屋頂採用鋼析架結構。
(8)背靠背換流站工業及生活用水水源在站區內打井取水。
(9)換流變檢修場地不設定搬運軌道。
背靠背換流站的優點
背靠背換流站具有常規高壓直流輸電的最基本的優點，可實現異步聯網，較好地實現不同交流電壓的電網互聯，將2個交流同步電網隔離，能有效地隔斷各互聯的交流同步網間的相互影響，限制短路電流，且聯絡線功率控制簡單，調度管理方便。與常規直流輸電比較，其優點更突出：（1）沒有直流線路，直流側損耗小；（2）直流側可選擇低壓大電流運行方式，以降低換流變壓器、換流閥等有關設備的絕緣水平，降低造價；（3）直流側諧波可全部控制在閥廳內，不會產生對通信設備的干擾；（4）換流站不需要接地極，無需直流濾波器、直流避雷器、直流開關場、直流載波等直流設備，因而比常規的高壓直流輸電節省投資。
設計模式和接口關係複雜
國內已運行和在建的高壓直流工程，其設計模式都是由國外承包商作為工程的總承包單位，整體負責工程的核心部分(如閥廳、換流變、直流場、交直流濾波器、控制保護等)的設計、供貨及調試，中方設計院在工程設計階段，主要負責工程的土建部分和交流部分以及全站輔助部分的設計工作。因此主要是與外方總承包商聯繫，需要協調、接口的單位較少，關係比較簡單。
對於直流背靠背換流站工程，為推進直流輸電工程國產化工作，從工程開始，國家電網公司就要求按照自主研究、自主設計、自主製造、自主建設、自主調試和運行的國產化管理模式。在這一指導思想下，工程的系統研究和成套設計以及主要設備規範書由北京網聯諮詢公司負責，工程設計由中南電力設計院負責，所有設備均由業主分別招標採購，國內不同的製造廠家提供。對於設計單位，所需接口的單位比較多:即主要設備製造廠家的技術要求由網聯諮詢公司提供，設計資料需網聯公司和設計院分別確認，設計院要面對眾多的設備廠家，要與網聯諮詢公司協調，各種設備之間的技術接口問題也需要諮詢公司、設計院和廠家共同協調解決。
實踐證明，直流背靠背換流站工程的設計模式是行之有效的，在今後直流背靠背換流站工程中，其設計模式和接口關係仍然可以採用直流背靠背換流站工程的設計模式。
主要直流設備多樣化
為了實現直流設備國產化，做到國內有兩個設備製造廠掌握同一直流設備的製造能力，並能在實際工程中得到驗證，直流背靠背換流站工程作為第一個示範性和試驗性工程，其主要直流設備的技術性和供貨方均呈現雙重化。
直流背靠背換流站工程的所有設備由國內製造廠供貨。可控矽換流閥由西安整流器廠生產，並且分別採用了引進ABB公司技術電觸發和西門子公司技術光觸發的產品。換流變壓器分別採用西安變壓器廠(引進ABB技術)和瀋陽變壓器廠(引進西門子技術)的產品。交流濾波器採用錦州電容器廠的產品。直流控制保護分別採用南瑞繼保公司(引進ABB技術)和許繼集團公司(引進SmVIENS技術)兩套監控系統。
兩種技術的可控矽換流閥和換流變在技術要求(包括閥外冷卻要求)、安裝方式等存在著許多不同，設計過程中要針對兩種型式的產品特點分別進行設計。特別是採用不同技術的直流控制保護系統進行分時運行，在現有的其他直流工程中，還沒有採用不同的技術體系進行交叉控制的先例，在直流背靠背換流站工程中，為了國產化的需要，可控矽換流閥採用光觸發和電觸發兩種技術，必須實現直流控制保護系統在不同技術體系之間的交叉控制。為此，在設計中經與各有關單位認真分析和論證，確保了既定方案的實現。由於採用了不同技術的直流控制保護系統，分別配有南瑞和許繼兩套監控系統及兩個操作箱，而每台斷路器機構箱僅有一個，因此在二次設計中增加了很多切換和重動迴路，造成了設計和施工的工作量和難度成倍增加。
在背靠背直流換流站工程設計中，由於背靠背換流站的特殊性，換流閥和換流變壓器數量較多，而國內能夠提供的設備製造廠家較少，其生產能力有限，容易造成在背靠背直流換流站中的不同單元採用不同型式和不同廠家的主要直流設備，類似於直流背靠背換流站工程的主要直流設備多樣化的特點仍然存在。
換流閥廳結構型式
在國內已建的換流站工程中，由於設備成套進口，換流建構(築)物上部結構均由國外廠家負責設計。國外廠商的設計僅僅考慮他們的設計、施工和供貨條件，採用國外常用的鋼結構標準化設計，即閥廳的結構型式均採用雙面壓型鋼板內襯鋼絲網，在布置有換流變壓器的一面採用鋼筋混凝土防火牆。較少考慮工程所在地的國情和地方習慣，採用的設計標準也是美國標準或歐洲標準，其結果勢必造成結構不夠合理，投資過多，施工難度較大等缺點。
在直流背靠背換流站工程設計中，結合國內常規變電所的習慣，同時考慮到背靠背換流站其閥廳長度方向的兩側均布置有換流變壓器，需設定防火牆的特點，對閥廳的結構型式進行了技術經濟比較，認為閥廳主體承重結構採用鋼筋混凝土結構方案和換流變與平波電抗器防火牆採用以加氣混凝土砌塊為填充牆的框架結構方案，在技術上是可行的，在投資上也是節省的。
在閥廳施工圖設計過程中，考慮到直流背靠背換流站是第一個國產化工程，換流閥和直流控制保護均由國內提供，經協商有關各方，並諮詢國外公司的意見，採取在磚混結構的內牆面加襯一層鋼板，以進一步提高閥廳的禁止效果。
換流變壓器場地的布置
在高壓直流工程中，換流變壓器容量比較大，一般均採用單相雙繞組變壓器，單台變壓器的重量較大，在換流變壓器場地均布置有安裝軌道和檢修場地及軌道，不僅占地面積大，而且由於整個場地均需承受換流變壓器的荷載，造成場地的鋼筋混凝土量大量增加，從而使得投資較大。
在直流背靠背換流站工程設計中，我們結合本工程特點換流變壓器容量較小，採用單相三繞組變壓器，其單台變壓器重量與常規交流500kV變壓器重量相當。考慮到本工程主要是用於聯網和直流設備國產化試點的特點，即使換流變出現故障時斷開聯網對兩側交流系統不會造成較大的影響，而且專用的搬運軌道整體造價非常高，因此在設計中未考慮設定搬運軌道。在換流變檢修和更換時，考慮採用千斤頂和滾筒的方式，從而節省了占地面積和工程投資。
在今後的直流背靠背換流站工程中，隨著背靠背換流站容量的增加，單相三繞組換流變壓器的體積和重量加大，直流背靠背換流站工程性質的改變，對換流變壓器場地前是否設定安裝和檢修專用軌道，可根據工程的具體情況來確定。
換流閥廳內布置
背靠背換流站閥廳內的布置包括兩側閥本體、兩側換流變壓器閥側Y和△連線、平波電抗器的連線、閥側接地開關等的連線。在直流背靠背換流站閥廳內布置時，考慮到閥廳內的換流閥本體、換流變套管、接地刀、連線金具等分屬於涉不同的設備製造廠家供貨，為了減少由於配合所引起的問題，在設備端子之間儘量採用軟導線連線，綜合考慮電氣接線和安全淨距要求以及兼顧運行檢修方便等因素，將閥廳接地刀採用固定在牆上的安裝方式，對閥廳的總體布置尺寸進行了最佳化。
當換流站閥廳內的設備間採用軟導線連線時，由於導線截面較大，設備端子之間距離不大，給施工過程帶來了一定的困難，且施工後，閥廳內整體布置不是很清晰。如要解決這一矛盾，可以參照國外公司在高壓直流輸電工程中所採取的方式，即三相換流變套管之間、換流變套管與換流閥本體之間等均採用管母線連線，這樣就必須協調好各設備端子的形狀、角度以及受力要求，同時配備相應的金具，使之滿足管母線連線要求。
在今後的背靠背換流站工程中，閥廳內的設備間究竟採用何種導線連線為好，需要根據設備製造的實際情況，綜合各方面因素後確定。
閥冷系統室外換熱設備方式
在國內已投產運行和正在建設的高壓直流輸電工程中，換流閥冷卻系統的室外換熱設備在經過綜合比較後採用的是水冷卻方式。在直流背靠背換流站工程中，由於市屬於缺水地區，難以提供兩路可靠水源，根據當地的氣象條件，結合本工程換流容量較小的特點，
閥冷系統室外換熱設備採用了風冷方式，這在國內現有的換流站中屬於第一次，採用風冷方案既免除了尋找兩路可靠水源的難題，又省除因採用水冷換熱設備而必須使用的一套水處理設備，從而使閥冷系統得以簡化，給運行、維護帶來了方便，另外，風冷方案與水冷方案相比，沒有廢水的排放，避免了因排水而對換流站周圍環境的影響。
由於第一次採用風冷方案，對室外風冷設備及其管道的某些技術要求制定得不是很嚴謹，導致在現場施工時出現返工等現象，但這些並不能否認風冷方案的優越性。只要在技術規範中，換流閥和閥冷卻系統設備廠家與設計院共同對室外換熱設備提出全面的、合理的、嚴謹的技術要求，現場所發生的問題是完全可以避免的。
在今後的背靠背換流站工程中，所要考慮和探討的問題是，隨著背靠背換流站容量的加大，換流閥的熱量交換加大，室外風冷設備要完全能滿足技術要求，就必須增加其設備體積、占地面積、年運行費用等，這樣，就存在著與室外水冷卻方式進行綜合技術經濟比較的問題。
因此，在具體工程中，需結合當地水源和氣象等條件並綜合考慮運行的要求通過技術經濟比較後來確定換流閥冷卻系統的室外換熱設備型式。
換流變套管伸入閥廳後的封堵
由於換流變安裝的特殊性，換流變套管一般是插入閥廳內的。換流閥運行時要求閥廳內維持微正壓，同時閥廳建築物要具備很好的禁止效果，這樣就存在安裝完後需對閥廳的孔洞如何進行封堵的問題。
在已運行的高壓直流換流站，閥廳的總體設計是國外承包商完成的，閥廳孔洞的封堵設計及材料供貨均由國外承包商承擔。在直流背靠背換流站工程中，由於有關各方未能提出換流閥運行時所產生的干擾源有多大，對閥廳的禁止效能按多少考慮合適，我們曾就封堵材料採用何種材質向ABB、西門子公司諮詢過，也到正在施工的肇慶換流站了解過情況，但仍未弄清國外供貨的封堵材料的材質。在此情況下，經現場多方討論後最終採用鋁合金作為主要封堵材料進行了施工，運行以來情況尚可。
雖然直流背靠背換流站工程已經採用了上述封堵方式，實際上關於換流閥廳封堵的問題，我們認為對其認識得並不充分，建議有必要在今後直流背靠背換流站工程中通過進行專題研究後確定。
