Research on Application of Double-Layer Shielding Cage for Valve Hall in HVDC Converter Station

现有高压直流输电工程，阀厅内巡视走道均采用单层屏蔽网设计^[1-3]。由于直流换流站阀厅电压水平很高且其内部空气间隙结构非常复杂，为了确保在阀厅内进行维护和操作的人员安全，一般均要求巡视走道与阀厅内换流阀及其他带电设备之间具备足够的安全距离，从而导致阀厅高度和宽度方向均较大，增加了阀厅的投资费用^[4-7]。

文章借鉴1 100 kV昌吉—古泉特高压直流输电工程首次应用双层屏蔽巡视走道的成功经验^[8-13]，并在国内科研单位开展的试验结果基础上，开展了阀厅内不同巡视走道方案的经济性对比，并提出了一种高压直流换流站阀厅采用双层屏蔽巡视走道的方案，并在某工程的阀厅中得以应用，确保了工程安全的同时减少了造价。

在常规高压直流换流站中，阀厅内巡视走道一般采用单层屏蔽，为了保证巡视人员的绝对安全，在计算带电部分对巡视走道的空气净距时一般取5σ^[14-15]。在±1 100 kV昌吉—古泉特高压直流输电工程中，所有±1 100 kV直流设备均布置于户内直流场建筑内，室内空间紧凑，电极型式复杂，且空气净距要求大，为确保运维人员带电进入户内直流场检修作业的安全，首次引入了双层巡视走道设计方案^[9,12]。当采用双屏蔽巡视走道时，在计算带电部分对巡视走道的空气净距时取2σ（该取值和对地的空气净距一致），可有效降低巡视走道对带电部分的距离，并确保安全。

在1 100kV昌吉—古泉特高压直流输电工程中，结合户内直流场设备布置情况，对户内直流场内部1 100kV隔离开关（含接地开关）、550kV隔离开关机构箱可能需要带电时进行巡检维护的区域设置双层巡视走道，如下图1所示。

Figure 1.  Layout arrangement of double-layer shielding cage in indoor HVDC switchyard

为了确认双层巡视走道的安全性，验证其性能，确认内外层巡视走道的放电路径，中国电科院针对双层巡视走道开展了一系列的操作冲击放电特性试验。

图2所示为设计的试验方案。空间中的四面连接良好的金属网构成了第一层屏蔽笼，其屏蔽网格大小为15 cm×15 cm，棒电极处于屏蔽金属网的正上方；在屏蔽金属网内部，放置一个模拟横担，用来模拟第二层屏蔽笼。实现对双层屏蔽笼的模拟。两层模拟屏蔽笼之间的距离为20 cm。

Figure 2.  Test layout arrangement of double-layer shielding cage

试验中使用冲击电压发生器，通过棒电极对试验装置放电，记录放电电压和放电路径；改变不同的放电电压记录放电路径的变化；改变试验装置的接地方法，记录相应的放电情况。

针对内外屏蔽笼不同接地方式，开展了一系列模拟试验，双层屏蔽笼泄流通道如图3所示，结果如下：

Figure 3.  Discharge path of double-layer shielding cage under different grounding patterns

1） 两层屏蔽笼均接地

由于外层屏蔽金属网接地良好，形成了一个等势体，电流经过外层屏蔽网流向大地。电弧并不会穿过外层屏蔽网打到金属横担，从而可以认为在接地良好的情况下，外层屏蔽网能够有效的保护网内人员和设备的安全。

2） 外层屏蔽笼不接地，内层屏蔽笼接地

由于外层屏蔽金属层不接地，会感应出一个电压，该电压将会击穿内外层屏蔽金属网的20 cm间隙并放电。

3） 内外层屏蔽笼均不接地

由于内外层屏蔽金属网都不接地，感应电压直接击穿了外层屏蔽金属网对地放电，内层屏蔽网不会被电击。

通过对中国电科院开展的双层屏蔽笼的模拟试验，可以得到以下结论：

1） 如果外层屏蔽笼接地良好，电流将会被引入大地，并不会影响到内层屏蔽笼；

2） 若外层屏蔽笼非良好接地或不接地，感应电压可能会击穿内外层屏蔽笼的间隙进行放电，是否击穿在于内外层屏蔽笼间的间距和接地情况；

3） 若内外层屏蔽笼都不接地，电弧只会击穿“最短”的路径，对地放电；

4）如果外层金属屏蔽网接地良好，直接能够起到屏蔽作用，并不会影响到内层屏蔽网；如果外层金属屏蔽网接地较差，内外层屏蔽网间隙可能击穿。

以某±800 kV特高压直流换流站为例，对高端阀厅巡视走道开展不同技术方案的对比研究。如下图4所示为典型的“一字型”±800 kV高端阀厅布置图。阀厅内巡视走道最外廓一般按2 000（宽） mm×2 500（高） mm考虑，悬吊在阀厅下弦或设置在上弦屋架处。

Figure 4.  Typical layout of valve hall in ±800 kV HVDC converter station

1） 方案一：单层屏蔽巡视走道方案，设置在屋架下弦采用单层屏蔽巡视走道，为了保证巡视人员的绝对安全，在计算带电部分对巡视走道的空气净距时一般取5σ，阀厅高度主要由D10、D13决定；阀厅宽度主要由D5、D6决定，其中D5为巡视通道与直流穿墙套管的距离，D6为巡视通道与六脉动阀中点的距离。D5、D6均按14.1 m考虑，阀厅宽度为36.0 m，高度为30.5 m。

Figure 5.  Proposal 1: Schematic layout of single-layer shielding cage

2） 方案二：单层屏蔽巡视走道方案，设置在屋架上弦，穿屋架设置阀厅高度和宽度的计算原则、决定因素同方案一。由于巡视走道在屋架内部，有效节省空间，但巡视便利性较差。阀厅宽度为35.0 m，高度为28.5 m。

将巡视走道置于屋架内部，需增高屋架高度，并调整屋架腹杆布置，采用人字形腹杆。屋架高度增加后,高度将远大于屋架的经济高度，用钢量将增加。

Figure 6.  Proposal 2: Schematic layout of single-layer shielding cage

3） 方案三：双层屏蔽巡视走道方案，设置在屋架下弦采用双层屏蔽巡视走道，在计算带电部分对巡视走道的空气净距时取2 σ，阀厅高度主要由D10、D13决定，阀厅宽度由D7决定。D7按9.8 m考虑，阀厅宽度为35.0 m，高度为28.5 m。

以宽度为35.0 m，高度为28.5 m的单个阀厅为基准，对采用上述三个不同的屏蔽巡视走道方案导致增加的投资费用进行对比，如表1所示：

方案一和方案二为传统的单层屏蔽巡视走道方案，目前已在国内常规直流工程中广泛应用。可以看出，文章中提出的方案三，采用设置在屋架下弦的双层屏蔽巡视走道方案，相比较于方案一和方案二具备一定的经济优势。

结合中国电科院的模拟试验结论，以及不同巡视走道方案的经济对比，在某直流工程中推荐应用的阀厅双层巡视走道设计方案如下：

室内巡视走道侧面及顶部采用方钢管或圆钢管作支撑柱、底板采用 H 型钢和花纹钢板、屏蔽网采用 4@30×30 钢丝网。

内外层底部用 6 kV 支柱绝缘子隔离，支柱绝缘子结构高度≥150 mm，弯曲破坏荷载≥7.5 kN，扭转破坏荷载≥7.5 kN。内外层侧面及顶部空气隔离，净空距离200 mm。

巡视走道接地干线考虑采用铜排，屏蔽网与钢柱采用铜绞线连接，钢柱与巡视走道接地干线采用铜绞线连接，接地干线两端与阀厅内环房接地干线相连。

文章借鉴1 100 kV昌吉—古泉特高压直流输电工程首次应用双层屏蔽巡视走道的成功经验，并在国内科研单位开展的试验结果基础上，开展了阀厅内不同巡视走道方案的经济性对比，并提出了一种采用双层屏蔽巡视走道的方案，并在某工程的阀厅中得以应用。主要结论如下：

1） 相对于传统的单层屏蔽巡视走道方案，采用设置在屋架下弦的双层屏蔽巡视走道方案可以节省钢材用量，具备一定的经济优势。

2） 结合相关单位开展的模拟试验结论，提出了可适用于高压直流换流站阀厅双层屏蔽巡视走道的工程实施方案。