換流變壓器是直流輸電工程中最重要的主設(shè)備之一,其成本占整個(gè)工程的1/5多。我國(guó)擁有世界電壓等級(jí)最高的±1100千伏特高壓直流輸電工程,在工程兩端的換流站中,分別布置有28臺(tái)換流變壓器。
一般變電站布置幾臺(tái)甚至十幾臺(tái)變壓器,為何特高壓換流站布置有這么多臺(tái)換流變壓器?
特高壓輸電具有遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗、少占地的綜合優(yōu)勢(shì)。世界首個(gè)±1100千伏特高壓直流輸電工程由我國(guó)自主設(shè)計(jì)建設(shè)的昌吉—古泉±1100千伏特高壓工程,該工程2019年9月投運(yùn),起于新疆昌吉換流站、止于安徽宣城市古泉換流站,途經(jīng)甘肅、寧夏、陜西、河南。
昌吉—古泉±1100千伏特高壓工程線路全長(zhǎng)約3300千米,額定電壓±1100千伏,輸電容量1200萬(wàn)千瓦,是目前世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大、輸電距離最遠(yuǎn)、技術(shù)水平最先進(jìn)的輸電工程。
±1100千伏特高壓直流輸電首次實(shí)現(xiàn)了在3000~5000千米范圍內(nèi)輸送千萬(wàn)千瓦級(jí)電力的能力,是國(guó)際高壓輸電領(lǐng)域的重大技術(shù)跨越和重要里程碑。一個(gè)±1100千伏直流工程的輸電能力即可滿足我國(guó)一個(gè)中等發(fā)達(dá)省份一半左右的用電需求。
換流變壓器只是用來(lái)變換電壓數(shù)值大小,并不改變電壓交流或直流屬性。
換流變壓器作為直流輸電工程中最重要的主設(shè)備之一,其技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)制造運(yùn)輸、絕緣水平是影響直流工程建設(shè)的最重要的因素。
每種換流站主接線對(duì)應(yīng)的換流變壓器的技術(shù)參數(shù)、絕緣水平都不盡相同,由此導(dǎo)致的換流變的設(shè)計(jì)制造成本、運(yùn)輸成本、備品備件、安全可靠性都有所區(qū)別。
±1100千伏昌吉換流站和±1100千伏古泉換流站是特高壓昌吉—古泉±1100千伏特高壓直流輸電工程的送端換流站和受端換流站,共同支撐起世界上直流輸送容量最大、電壓等級(jí)最高、輸送距離最遠(yuǎn)、技術(shù)水平最高的“四最”工程。
±1100千伏昌吉換流站的換流變壓器電網(wǎng)側(cè)接入的電壓為750千伏。±1100千伏古泉換流站的換流變壓器則采用分層接入方案:低端換流變壓器網(wǎng)側(cè)電壓1000千伏,高端換流變壓器網(wǎng)側(cè)電壓500千伏。
換流站配置多少臺(tái)換流變壓器誰(shuí)說了算?主要還是由換流站的電氣主接線形式?jīng)Q定。
目前我國(guó)換流站的電氣主接線形式主要為典型的雙12 脈動(dòng)串聯(lián)方案,在我國(guó)的±800千伏特高壓直流工程中基本全部采用此方案。
±1100千伏特高壓直流換流站由于電壓等級(jí)的特殊性,最開始出現(xiàn)了三種電氣主接線方案。
第一種方案就是采用雙12脈動(dòng)串聯(lián)方案,每個(gè)單12 脈動(dòng)電壓相同均為550千伏,除此以外,運(yùn)行方式、換流站布置等與傳統(tǒng)±800 kV 完全相同,需要24臺(tái)換流變壓器。
第二種方案是3個(gè)12脈動(dòng)均分方案,與傳統(tǒng)±800千伏直流工程相比,每個(gè)12 脈動(dòng)的電壓略低于400千伏,但3 個(gè)12 脈動(dòng)電壓完全相同(對(duì)地電壓不同),運(yùn)行方式更加靈活,任意1 個(gè)和2 個(gè)12 脈動(dòng)可組合運(yùn)行,但換流變壓器數(shù)量多了1/2,需要36臺(tái)換流變壓器。
第三種方案是采用3 個(gè)12 脈動(dòng)方案,下面2 個(gè)12 脈動(dòng)方案完全與常規(guī)±800 kV 一致,最高電壓12 脈動(dòng)方案電壓僅為300 kV,此方案優(yōu)點(diǎn)是下面2 個(gè)12 脈動(dòng)可以完全借鑒常規(guī)±800千伏的設(shè)備和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),且最上12 脈動(dòng)電壓低于±400千伏,設(shè)備容量和端子間絕緣水平相對(duì)降低,這樣制造難度大為降低,但是同樣需要36臺(tái)換流變壓器。
電氣主接線方案選擇需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性等因素。
特高壓換流變壓器均采用單相雙繞組型式。其中高端換流變壓器總重約可達(dá)900噸,低端換流變壓器可達(dá)850噸。特高壓換流變壓器制造一臺(tái)成本接近8000萬(wàn),運(yùn)輸一臺(tái)成本也要100萬(wàn)。
從制造和運(yùn)輸難度來(lái)看,雙12脈動(dòng)主接線難度較大,但運(yùn)行維護(hù)備品備件其他方面和技術(shù)經(jīng)濟(jì)以及絕緣水平,都相對(duì)有利。
因此,考慮到制造成本、絕緣水平、運(yùn)輸成本以及后期改造和檢修運(yùn)維成本等因素,最后選擇了雙12脈動(dòng)的接線方案。
最終,±1100千伏昌吉換流站全站共配置24 臺(tái)運(yùn)行相換流變壓器,4臺(tái)備用相。同樣,±1100千伏古泉換流站全站24 臺(tái)運(yùn)行相換流變壓器,4臺(tái)備用相,其中12 臺(tái)高端換流變壓器,單臺(tái)容量達(dá)到587. 1兆伏安。
由此來(lái)看,±1100千伏特高壓直流輸電也只是技術(shù)上的過渡和積累,一旦±800千伏和±1100千伏技術(shù)成熟,±1650千伏特高壓直流輸電最終會(huì)很快到來(lái)!