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长距离、大容量、低损耗的特高压直流输电是我国电网发展的必然选择，是实现我国能源资源优化配置的有效途径[1,2,3]。±1 100 kV是在±800 kV直流技术基础上的又一次突破，电压等级的提高对直流设备提出了更高的要求。目前关于1 100 kV直流输电已经开展了大量的研究工作[4,5,6,7]，当电压达到1 100 kV时，部分设备制造工艺无法满足户外设计要求，则需要考虑直流开关场户内方案。直流开关场采用户内布置方案一方面可以降低对高压设备的耐污秽要求，降低设备爬电比距离；另一方面可以适当降低设备高度，兼顾当前设备制造能力，进而提高抗震性能；户内布置还有利于噪声控制。此外，厂房设计可以使直流场设备适应各种极端气候，有效保护设备不受高温、低温、潮湿或大风等影响，并延长设备使用寿命。
户内设计方案会增加换流站的投资主要体现在：大型工业厂房、户内检修设施虑、高压穿墙套管、占地面积等。本文针对1 100 kV户内直流场设计展开研究，提出直流场设计流程，考虑设备适应性，通过相应电气计算，从安全性、经济性、适用性角度提出三种户内直流场的设计方案，最大限度节省投资，为准东—华东±1 100 kV直流工程实施提供参考。
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参考准东—华东±1 100 kV直流工程，方案采用双极、每极双12脉动换流阀组串联接线，每极(550 kV＋550 kV)电压组合。额定电流5 455 A，输送功率12 GW。接线方式与典型的±800 kV接线基本相同[7]，其主要设计原则如下：
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户内开关场采用封闭运行模式，设备布置满足电气距离要求、导体选型合理、满足抗震、防火等要求。户内布置设备主要针对1 100 kV母线设备，其他电压等级采用户外布置，减少建筑面积，降低高度。
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电气设备布置整齐、紧凑，合理利用地上、地下空间位置。工艺布局简单，建筑形状方正，结构设计简单、受力合理。
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厂房考虑微正压防尘防潮设计，提高室内清洁度，以降低室内污秽，配置空调机、温湿度控制器。温度范围在0～40 ℃，湿度控制相对在60%。考虑大型吊装机械的进入，方便对每个设备的检修和维护。
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户内直流场应在电气设计基础上，协同考建筑、结构等设计，综合运维的考虑，主要包括：(1)电气设计：直流设备特性研究、过电压绝缘配合方案研究、空气净距计算、导体选型及布置等形成初步布置方案；(2)结构设计：大件运输、设备安装、运维方案、屋盖结构形式、受力分析；(3)其他设计：建筑设计、消防设计、暖通计算、总图设计等。
各专业之间需要形成良好的反馈，结构设计、建筑设计后电气重新对布置进行调整和修改，通常形成多方案比对，最终给出推荐方案。
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直流场1 100 kV户内电气设备有：穿墙套管、平波电抗器、旁路断路器、隔离/接地开关、RI滤波器、直流电压、电流测量装置、避雷器、直流滤波器、支柱绝缘子等。现将关乎设备外绝缘的主要设备进行论述：
1)直流穿墙套管：采用复合套管时，目前生产能力可以达到45 mm/kV。国外已有1 100 kV穿墙套管型式试验，国内企业与国外公司合资的1 100 kV穿墙套管型式试验已完成，直流穿墙套管能满足工程户内和户外绝缘爬距的要求。1 100 kV户内-户内极线穿墙套管长度可达30 m，户内-户外长度约32 m。
2)支柱绝缘子：由于采用常规瓷支柱绝缘子由于爬电比距要求大而高度过高，其机械强度和生产工艺几乎无法实现[8]。瓷涂耐污闪涂料和复合支柱绝缘子均是可行方案，这种绝缘子有很好的机械和防污性能。国产某公司1 100 kV复合支柱绝缘子的长度为15.275 m。
3)隔离开关：用在800 kV换流站隔离开关目前主要有两种：双柱折臂式和三柱水平旋转式，采用三柱水平旋转式结构有更好的机械动作的稳定性，双柱折臂式结构更加节省占地，且已形成国产化成熟产品。考虑到本工程1 100 kV直流场采用户内设计方案，采用双柱折臂式更加经济。
4)直流滤波器高压电容器：可采用悬吊式或支撑式。本体高度约24 m，户内布置时可不考虑大风等因素考虑，推荐采用支撑式结构单塔布置以降低高度。低压侧可采用两根100 kV直流穿墙套管与户外滤波器连接。
5)干式平波电抗器。1 100 kV平波电抗器已完成研发，有3×50 mH或2×75 mH两种配置方案，50 mH方案线圈体积稍小，适用于交通运输限制地区。平波电抗器是直流场布置最大设备且需考虑吊装、散热等因素，直接关系到建筑体量大小，因此必须给予重点考虑。国内某公司50 mH平波电抗器线圈高度4.3 m，总高度22 m，重量8.1 t，外径4.87 m，采用户内布置后无需考虑防雨和降噪装置。
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目前，1 100 kV科研单位已有换流站过电压与绝缘配合的初步研究成果[9]。国内高校也有相应的仿真结论[5,10]。参考以上研究结果，1 100 kV直流场额定操作冲击保护水平和额定雷电冲击保护水平up取1 830 kV和2 100 kV。550 kV直流场额定操作冲击保护水平和额定雷电冲击保护水平up取1 195 kV和1 375 kV。
由于直流电压的静电吸尘作用、直流叠加过电压强度、谐波电压以及避雷器性能偏差等其他安全因素的影响，换流站中交直流侧设备气隙的耐受电压要求要相应地提高，以避雷器的冲击保护水平为准，并考虑一定裕度系数。
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户内直流场空气净距的计算方法同阀厅空气净距计算相同，目前多选用IEC 60061-1明确提出了带外绝缘海拔修正的g参数法[11,12]。
计算公式如式(1)所示：
((1)) 式中：u50为间隙的冲击电压波形下的50%的闪络电压；Kq为气象修正系数；K1为裕度系数，现有工程一般取1.15～1.25[13]；up为避雷器相应的过电压冲击保护水平；σ为间隙的冲击放电电压变异系数，操作、雷电冲击放电电压变异系数分别取6%和3%。
最小净空距离公式(2)、式(3)计算得到：
((2)) ((3)) 式中：d为最小空气净距；Kj为表示电极形状特性的间隙系数，导线对板Kj取1.15，导线对导线Kj取1.3，棒对棒Kj选1.4。式(1)中的气象修正系数Kq由式(4)得到：
((4)) 式中：σ为相对空气密度；Kx为绝对湿度与相对空气密度共同确定的一个修正系数。σ和Kx按照式(5)、式(6)进行计算。
((5)) ((6)) 式(5)中：h为计算环境的绝对湿度；Pa为环境气压；P为标准大气压；t为环境温度，t0为标准温度(20 ℃)。参数g定义为：
((7)) 式(6)中：u50和d的定义同式(2)和式(3)。式(4)中m和w是g的函数，通过IEC 60061-1-2010提供的g与m和w明确的分段函数表达式(如表1所示)确定m和w的值。最后，将所得值代入式(1)、式(2)和式(3)，就可以计算出u50以及d。
表 1 g参数法中m和w与g的分段函数式
Table 1.
Exponent m and w as a function of parameter g g m w <0.2 0 0 0.2～1 g(g-0.2)/0.8 g(g-0.2)/0.8 1.0～1.2 1 1 1.2～2.0 1 (2.2-g)(2-g)/0.8 >2.0 1 0 由式(7)和式(2)、式(3)经过迭代计算即可得到空气净距d。本文计算时考虑了户内直流场所有可能的温度T(0～60 ℃)和相对湿度R(5%～60%)组合，结果如图1、图2所示。
图 1 K＝1.15, 1 100 kV空气间隙随温度湿度变化曲线
Figure 1. K＝1.15, 1 100 kV the air clearance curve with the temperature and humidity
图 2 K＝1.15 550 kV空气间隙随温度湿度变化曲线
Figure 2. K ＝ 1.15 550 kV the air clearance curve with the temperature and humidity
由计算结果可见，温度在54.5 ℃，湿度在5%时空气净距计算值最大，1 100 kV空气净距为11.2 m，550 kV空气净距为4.6 m，间隙系数Kj的取值会变大时，空气净距计算值会变小。因此，对于一般的间隙形状，按11.2 m设计能够满足1 100 kV户内导体对地的要求。
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户内导体选型及高度的控制因素为导体电晕特性决定[14,15]。直流导体起晕电场由皮克公式得到。
((8)) 式中：E0为导体起晕场强，kV/cm；r为导体半径，cm；δ为空气相对密度系数；m为导体表面的粗糙系数。导体的最大表面场强由式(9)计算得到。
((9)) 式中：V为导体电压，kV；H为导体对地高度，cm；d为管母线导线直径，cm。
选取现有的管母线外径350 mm、400 mm、450 mm三种形式进行比较计算。首先，通过式(8)计算得到三种导体表面起晕场强，然后通过(9)计算在Emax小于起晕场强的情况下四种导体的最小高度，计算结果如图3所示，不同管径的管母线在各种安装高度时的导体表面最大场强，从结果可以看出，导体选择LDRE-400/380或LDRE-450/430，安装高度在16.5 m以上均可以满足电晕要求。
图 3 ϕ350、ϕ400及ϕ450不同高度管母线表面最大场强
Figure 3. Emax of ϕ350，ϕ400，ϕ450 busbar at different height
由于±1 100 kV直流场操作过电压决定了设备外绝缘才长度，户内直流场管母线高度等于管母线下设备最大长度与设备支架最低高度之和，再考虑一定的金具安装空间。由于设备高度在15～15.5 m之间，设备支架最低高度2.5 m，因此户内直流场管母线高度要求高于18 m，户内直流场导体机械条件校验可不需要考虑大风、覆冰等工况，LDRE-400/380与LDRE-450/430管母线均满足要求，考虑到LDRE-400/380更加经济，且满足导体选型要求，因此户内导体按LDRE-400/380考虑。
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户内直流场采用单层厂房结构，按照工艺流程对设备进行布局。采用支撑式管母线和支撑式滤波器电容器即有更好的稳定性，又可降低建筑结构设计难度。设计按照所有1 100 kV直流场设备户内布置考虑，主要电气设备数量基本相同，因此投资差价主要是设备户内外型式不同引起总图、建筑、结构及其他设施的差价。
在满足安全条件下，方案的经济型主要从以下三个方面考虑：
1)结构上易于实现，如减小建筑内场地的跨度，建筑外形方正。
2)建筑面积少，体积小。由于550 kV和中性线设备占地面积较少，对于1 100 kV换流站中，户内直流场建筑长度直接决定了整个直流开关场的占地面积。
3)建筑高度在满足安全距离的情况下尽可能低，则结构上更经济，容易实现。
根据考虑侧重点不同，提出了三个方案。
方案一：如图4所示，极线设备采用线性布置，三台平抗三角形布置，1 100 kV出线套管从厂房侧面引出，利用厂房结构作为出线挂点，减少厂房长度距离。由于C1电容器、平波电抗器是户内直流场最高设备，采用基坑下沉布置，且仅在重量最重的平波电抗器区域设置吊车，其余部分不设置吊车，这些措施可降低对厂房高度要求。考虑平波电抗器和C1本体高度、安全净距、吊车要求、基坑深度并考虑安全裕量得到厂房最终高度为35 m。方案一占地面积9.705×103 m2，直流场占地为：6.57×104 m2。
图 4 直流场户内布置方案一
Figure 4. Option 1 of the indoor DC yard
方案二：如图5所示，为了节省1 100 kV换流站直流场的占地面积，尽量将户内直流场长度减小到最小。方案将连接出线侧套管的两个隔离开关垂直方向布置，增大建筑宽度以减少长度，这样将建筑长度控制在143 m，宽度增加到70.5 m。为了降低大跨度结构上的造价，在出线隔离开关和C1电容器侧设一个过渡用结构柱，实现桥式吊车对平波电抗器的吊装。由于梁跨电容器塔，建筑物高度需提高到37 m，户内直流场建筑面积9.186×103 m2，直流场总面积为：6.22×104 m2。
图 5 直流场户内布置方案二
Figure 5. Option 2 of the indoor DC yard
方案三：如图6所示，在方案一基础上进行优化，精简了极线设备布置，平波电抗器采用单体下放。安装与检修考虑采用汽车联合吊方案，预留足够的吊车转弯空间。由于不考虑桥式吊车，结构高度可降低到32 m，户内直流场建筑面积9.600×103 m2，直流场总面积为：6.49×104 m2。
图 6 直流场户内布置方案三
Figure 6. Option 3 of the indoor DC yard
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各方案建筑及占地指标比较如表2所示。从表2中可以得出，方案三结构高度最低，结构难度和建筑面积最小，直流场总面积增加相对不多。方案二在建筑面积和总占地指标上最好但结构上代价较大，跨距达到70 m以上，结构设计投资会大幅度增加。
表 2 各方案各项指标比较
Table 2.
Comparison of the indicators of the layouts 指标参数 建筑高度/m 建筑面积/m2 总面积/ha 方案1 35 9.705×103 6.57 方案2 37 9.186×103 6.22 方案3 33 9.600×103 6.49 干式平波电抗器吊装目前有三种方案：桥式吊车，龙门吊和汽车吊三种方案。
桥式吊车：安装和检修使用方便，维护范围大，但结构设计难度大，一次投资大。
龙门吊车：结构难度小，需增加轨道，但维护范围小，一次投资大，需要增加吊车的吊装轨道，因此占地面积大。
汽车吊：维护量小，一次投资小，结构上易于实现，节省占地，结构高度低，但施工需两台吊车联合起吊，如图7所示，操作难度较大。
图 7 汽车吊联合吊装方案示意图
Figure 7. Joint lifting work by double-crane
三种吊装方案各有优缺点，由于平抗的吊装特点是一次吊装到位，再次吊装和更换概率极低的特点，推荐汽车吊相对更加经济适用，桥式或龙门吊车一次投资和后期维护费用较高且特种设备定期检查，这需要站内停电检修时间相配合，采用汽车联合起吊方案降低了固定资产的投资，与吊装公司签订联合维护协议则吊车使用更加及时也省去维护费用。
以上方案均可在工程实际中实施，各有优缺点。但综上考虑，从工程适用性考虑方案三指标更优。
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针对1 100 kV户内直流场设计展开研究，主要结论如下：(1)1 100 kV直流场户内设计方案可降低设备制造难度，适应各种极端气候，从降低设备高度提高抗震性能、电磁环境和噪音治理等方面都有很好改善；(2)户内直流场空气净距计算可采用g参数法，通过对户内各种温湿度组合的工况计算得最小空气净距按照11.2 m考虑；(3)提出直流场设计流程，考虑设备特性，从安全性、经济性、适用性角度提出三种户内直流场设计方案，推荐采用汽车联合起吊方案可最大限度节省投资，设计方案为1 100 kV换流站工程实施提供参考。
Research on Indoor Design of DC Switch Yard for 1 100 kV Converter Substation
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摘要:
针对±1 100 kV直流开关场户内设计方案展开论述，提出了户内直流场设计原则、设计流程及方法，对户内直流场设计的主要电气参数进行计算，并给出计算结果。结合1 100 kV设备特点进行户内设计，给出了三种户内设计方案并进行了比较，提出了汽车吊联合起吊方案。研究表明：汽车吊联合起吊方案不仅可以节省一期设备和厂房建设投资，还可以节省后期维护费用和时间。 -
关键词:
- ±1 100 kV换流站 /
- 户内直流场 /
- g参数法 /
- 空气净距
Abstract:The design study of 1 100 kV DC switch yard for 1 100 kV converter substation was given in this paper. In this study, we proposed an indoor DC yard design principle, design processes and design methods. The main electrical parameters of the indoor DC yard were calculated and recommended results were shown. Three indoor designs and comparison were given considering 1 100 kV equipment characters, air clearance, installation and maintenance. It is proposed joint lifting work by double-crane can not only save investment on the construction of station and equipment, but also can save time and maintenance costs in the future. -
Key words:
- 1 100 kV converter station /
- indoor design of DC yard /
- parameter g /
- air clearance
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图 1 K＝1.15, 1 100 kV空气间隙随温度湿度变化曲线
Fig. 1 K＝1.15, 1 100 kV the air clearance curve with the temperature and humidity
图 2 K＝1.15 550 kV空气间隙随温度湿度变化曲线
Fig. 2 K ＝ 1.15 550 kV the air clearance curve with the temperature and humidity
图 3 ϕ350、ϕ400及ϕ450不同高度管母线表面最大场强
Fig. 3 Emax of ϕ350，ϕ400，ϕ450 busbar at different height
表 1 g参数法中m和w与g的分段函数式
Tab. 1.
Exponent m and w as a function of parameter g g m w <0.2 0 0 0.2～1 g(g-0.2)/0.8 g(g-0.2)/0.8 1.0～1.2 1 1 1.2～2.0 1 (2.2-g)(2-g)/0.8 >2.0 1 0 
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表 2 各方案各项指标比较
Tab. 2.
Comparison of the indicators of the layouts 指标参数 建筑高度/m 建筑面积/m2 总面积/ha 方案1 35 9.705×103 6.57 方案2 37 9.186×103 6.22 方案3 33 9.600×103 6.49
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