[ 摘要] ±800 kV 直流輸電工程的電壓等級高、輸送容量大, 出現(xiàn)故障時對交流系統(tǒng)的影響較大, 在電力系統(tǒng)中的地位非常重要, 對可靠性要求很高。因此, 分析影響直流系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和關(guān)鍵設(shè)備, 研究提高直流輸電系統(tǒng)可靠性及可用率的措施, 在即將建設(shè)的±800 kV 直流輸電工程中加以應(yīng)用就顯得十分必要。在總結(jié)以往直流工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上, 結(jié)合±800 kV 特高壓直流輸電工程實際情況, 提出提高特高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性及可用率的措施。

0 引言

高壓直流輸電具有傳輸功率大, 線路造價低,控制性能好等優(yōu)點, 是目前世界上發(fā)達(dá)國家作為高電壓、大容量、長距離送電和異步聯(lián)網(wǎng)的重要手段。在我國也因“西電東送, 南北互供, 全國聯(lián)網(wǎng)”而成為電力建設(shè)的熱點。直流輸電工程是一個復(fù)雜的工程系統(tǒng), 且多數(shù)情況下承擔(dān)大容量、遠(yuǎn)距離輸電和聯(lián)網(wǎng)任務(wù), 尤其對于±800 kV 直流輸電工程而言, 其電壓等級高、輸送容量大, 在電力系統(tǒng)中的地位十分重要, 因此對直流輸電工程的可靠性要求很高。直流系統(tǒng)可靠性直接反映直流系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備制造、工程建設(shè)以及運行等各個環(huán)節(jié)的水平。通過直流系統(tǒng)可靠性分析, 可以提出改善工程可靠性的具體措施, 對新建工程提出合理的指標(biāo)要求。本文在總結(jié)以往直流工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上, 結(jié)合±800 kV特高壓直流輸電工程實際情況, 從工程實際角度出發(fā), 提出了提高特高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性及可用率的具體措施。

1 直流系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)介紹

可靠性是一個系統(tǒng)無故障連續(xù)運行能力的一種考量。直流輸電工程的可靠性是指在規(guī)定的系統(tǒng)條件和環(huán)境條件下, 在規(guī)定的時間內(nèi)傳輸一定能量的能力。直流輸電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)總計超過10項, 這里只介紹停運次數(shù)、降額等效停運小時、能量可用率、能量利用率等4 項主要可靠性指標(biāo)[1]。

停運次數(shù): 包括由于系統(tǒng)或設(shè)備故障引起的強(qiáng)迫停運次數(shù)。對于常用的雙極直流輸電系統(tǒng), 可分為單極停運, 以及由于同一原因引起的2 個極同時停運的雙極停運。對于每個極有多個獨立換流器的直流輸電系統(tǒng), 停運次數(shù)還可以統(tǒng)計到換流器停運。不同的停運代表對系統(tǒng)不同水平的擾動。降額等效停運小時: 直流輸電系統(tǒng)由于全部或者部分停運或某些功能受損, 使得輸送能力低于額定功率稱為降額運行。

降額等效停運小時是: 將降額運行持續(xù)時間乘以一個系數(shù), 該系數(shù)為降額運行輸送損失的容量與系統(tǒng)最大連續(xù)可輸送電容量之比。

能量可用率: 衡量由于換流站設(shè)備和輸電線路(含電纜)強(qiáng)迫和計劃停運造成能量傳輸量限制的程度, 數(shù)學(xué)上定義為統(tǒng)計時間內(nèi)直流輸電系統(tǒng)各種狀態(tài)下可傳輸容量乘以對應(yīng)持續(xù)時間的總和與最大允許連續(xù)傳輸容量乘以統(tǒng)計時間的百分比。

能量利用率: 指統(tǒng)計時間內(nèi)直流輸電系統(tǒng)所輸送的能量與額定輸送容量乘以統(tǒng)計時間之比。

以上可靠性指標(biāo)是衡量直流輸電系統(tǒng)可靠性的主要技術(shù)指標(biāo)。

2 影響直流輸電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的主要因素

直流輸電系統(tǒng)整體的可靠性是和組成整個系統(tǒng)的各個元件、系統(tǒng)的接線方式、控制保護(hù)、運行方式息息相關(guān)的。在對以往的直流輸電工程可靠性分析的基礎(chǔ)上可以看到影響直流輸電系統(tǒng)可靠性的因素主要有以下幾個。

2.1 控制保護(hù)系統(tǒng)

高壓直流輸電與交流輸電相比較的一個顯著特點是可以通過對兩端換流站的快速調(diào)節(jié), 控制直流線路輸送功率的大小和方向, 以滿足整個交直流聯(lián)合系統(tǒng)的運行要求, 也就是說直流輸電系統(tǒng)的性能,極大地依賴于它的控制系統(tǒng)。提高控制系統(tǒng)的可靠性是提高直流輸電系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。提高直流輸電控制系統(tǒng)可靠性的首要任務(wù)就是加強(qiáng)自檢覆蓋率和準(zhǔn)確率、采用多重化和分布式設(shè)計; 克服目前換流技術(shù)易換相失敗的弊病, 避免多回直流落點相對集中時威脅極大的換相失敗; 發(fā)展遠(yuǎn)方控制或無人值守的控制保護(hù)和通信技術(shù), 提高效率、增強(qiáng)統(tǒng)一調(diào)度和各直流工程間的協(xié)調(diào)配合, 進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性[2]。

2.2 換流站主接線

現(xiàn)代高壓直流工程中均采用12 脈動換流器作為基本換流單元, 以減少換流站所設(shè)置的特征諧波濾波器。每個12 脈動換流單元通常由2 個交流側(cè)電壓相位差30°的6 脈動換流單元在直流側(cè)串聯(lián)而在交流側(cè)并聯(lián)所組成的, 換流變閥側(cè)繞組, 一個是Y接線, 一個是△接線。換流閥通常有以下幾種接線型式( 圖1) : 型式1, 每極1 個12 脈動閥組; 型式2, 每極由多個12 脈動閥組串聯(lián); 型式3, 每極由多個12脈動閥組并聯(lián); 型式4, 每極由多個12 脈動閥組串聯(lián)和并聯(lián)的組合。

從系統(tǒng)可靠性及系統(tǒng)可用率看, 型式1 兩端換流站整個雙極系統(tǒng)兩極兩端的4 個換流單元, 任何一個因故障停運, 將使系統(tǒng)損失一半輸送能力; 型式2 每個換流單元可以單獨控制, 實現(xiàn)不平衡運行, 任一個換流單元因故障退出運行, 僅失去25%的可用率。如果可控硅元件的制造水平可以滿足每個極1個換流單元的要求, 那么, 分成2 個換流單元后, 不會大量增加元件數(shù)量, 在不考慮配套的換流變壓器和開關(guān)的故障率的情況下, 極換流器故障次數(shù)增加很少。而且, 可以減少檢修次數(shù)和時間。因此, 即使考慮增加設(shè)備的故障率, 系統(tǒng)的可用率還是相對增加,可靠性增強(qiáng)。

2.3 換流變主接線

換流變壓器的接線方式主要是根據(jù)換流器的接線方式, 結(jié)合換流變的制造、安裝和運輸能力確定每個換流單元所對應(yīng)的換流變壓器類型及接線。每個換流單元連接的換流變壓器的類型有以下幾種[3]:

( 1) 1 臺三相三繞組變壓器, 接線型式為Y/Y/Δ。

( 2) 2 臺三相雙繞組變壓器, 一臺為Y/Y 型接線, 另一臺為Y/Δ接線。

( 3) 3 臺單相三繞組變壓器, 接線型式為Y/Y/Δ。

( 4) 6 臺單相雙繞組變壓器, 其中3 臺接線型式為Y/Y, 另外3 臺接線型式為Y/Δ。

從可靠性及可用率角度看, 假定不同類型的換流變壓器的故障率和平均修理時間是相同的, 則由于采用三相三繞組變壓器臺數(shù)最少, 因此對于一個換流單元, 它的能量可用率和可靠性最高。換流變壓器的4 種類型接線中, 類型( 1) 可靠性最高, 類型( 2)及( 3) 次之, 類型( 4) 較低。因此, 在換流變的制造、安裝和運輸能力具備的條件下, 應(yīng)優(yōu)先采用類型( 1)以提高系統(tǒng)的可靠性及可用率。對于±800 kV 特高壓直流輸電工程, 換流變電壓等級高、容量大, 考慮到換流變的制造、安裝和運輸能力, 采用以上類型( 1) 、( 2) 或( 3) 均具有相當(dāng)大的難度, 采用類型( 4) 是最為現(xiàn)實的, 因此, 為提高±800 kV 特高壓直流輸電工程的可靠性和可用率, 要求這種變壓器有較低的故障率和較少的修理時間。

2.4 500 kV 交流濾波器分組及接線

根據(jù)目前直流工程的研究成果, 交流濾波器組可能的接線方案有: ( 1) 交流濾波器分成四大組接入3/2 斷路器接線串中; ( 2) 交流濾波器小組直接接母線; ( 3) 交流濾波器分成兩大組, T 接每極換流變壓器; ( 4) 交流濾波器小組直接接入3/2 斷路器接線串中。從可靠性角度看, 方案( 4) 可靠性最高; 方案( 1)可靠性較方案( 4) 稍低, 該方案濾波器投切靈活, 且便于兩極間的相互備用, 適應(yīng)性好; 方案( 2) 接線會降低主母線的可靠性; 方案( 3) 為交流濾波器按極配置, 在國外一些工程中有運用, 其主要缺點是不便于交流濾波器兩極間的相互備用, 而且增加了換流變壓器進(jìn)線故障的幾率。從可靠性角度看, 首推方案( 4) , 但其投資太大, 目前很少采用。國內(nèi)大多數(shù)直流輸電工程采用可靠性高且投切靈活的方案( 1) 。

2.5 主要設(shè)備對直流輸電系統(tǒng)可靠性的影響

2.5.1 換流器

換流器的故障分為如下3 類:

閥的觸發(fā)失敗和誤導(dǎo)通, 是由控制和觸發(fā)設(shè)備的各種故障造成的。這些故障發(fā)生在逆變側(cè)的概率更高, 并將導(dǎo)致更為嚴(yán)重的后果。

換相失敗, 是由于外部交流或直流電路條件的變化, 加之逆變器熄弧角預(yù)置控制不當(dāng)造成的。交流電壓偏低, 直流電流偏大, 都可能使得換相不能在足夠的時間內(nèi)完成。

換流站內(nèi)部短路, 此故障非常少見, 起因可能是接地開關(guān)誤操作, 或絕緣老化和避雷器失效。

2.5.2 交流系統(tǒng)

(1) 三相短路故障

若故障發(fā)生在整流側(cè), 則不需要采取特殊的控制措施, 而離逆變器足夠近的故障將造成換相失敗。

(2) 不對稱故障

故障時, 通過一系列操作進(jìn)行故障隔離后, 系統(tǒng)可以降低功率繼續(xù)運行。

(3) 交流濾波器

據(jù)統(tǒng)計, 濾波回路中電容器的故障率與時間有關(guān), 用于可用度計算的故障率為一年0.2%, 但期望值為0.05%, 保證值為0.1%。濾波器分組的停運不會導(dǎo)致強(qiáng)迫極停運, 或電能傳輸中斷。因此濾波器對可靠度影響極小。

2.5.3 直流線路

直流線路故障比內(nèi)部短路更為頻繁, 現(xiàn)今幾條重要高壓直流輸電系統(tǒng)的運行經(jīng)驗表明, 直流架空線接地故障是強(qiáng)迫停運的主要原因[4~6]。直流架空線故障的原因有雷擊、滑坡、植物、風(fēng)等。直流濾波器故障不會造成強(qiáng)迫極停運。

2.5.4 控制和保護(hù)系統(tǒng)

由于不會觸發(fā)跳閘信號, 控制設(shè)備故障對傳輸系統(tǒng)沒有直接影響, 因而不加考慮。但為了防止備用耗盡, 控制和保護(hù)系統(tǒng)必須是“熱維修”,“維修”包括故障電路板或插件的替換, 且沒有額外的延時。

2.5.5 開關(guān)設(shè)備

計算開關(guān)設(shè)備的可用度時, 較為困難的是如何計算隔離開關(guān)的故障率。一方面, 絕大多數(shù)故障出現(xiàn)于配件箱和驅(qū)動系統(tǒng), 然而這些故障并不會在正常運行時引發(fā)極停運, 因為此時不需要隔離開關(guān)動作。另一方面, 當(dāng)出現(xiàn)開關(guān)命令而隔離開關(guān)無法遙控時,仍有可能用手動方式執(zhí)行開關(guān)命令, 因而要區(qū)別隔離開關(guān)的靜態(tài)故障率和動態(tài)故障率。動態(tài)故障率是隔離開關(guān)作為一個部件時的故障率; 而低得多的靜態(tài)故障率只計及引起極停運的故障, 如引發(fā)接地故障的瓷套或焊點破裂。計算極停運時, 要考慮開關(guān)設(shè)備的靜態(tài)和動態(tài)故障率。

3 高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性評估

特高壓換流站可靠性評估中, 主要考慮以下因素: ( 1) 考慮到設(shè)備實際運行情況, 模型僅包含雙極正常運行、單極金屬回路、單極大地回路運行方式。( 2) 對有旁路開關(guān)回路接線, 任意一個12 脈動換流單元發(fā)生故障都可以獨立退出而不影響其他設(shè)備的正常運行, 且不考慮設(shè)備過載運行允許增供的容量。但是當(dāng)6 脈動橋故障退出運行時, 與之組成12 脈動換流單元的剩余橋必須同時退出。( 3) 忽略三重及三重以上故障事件。( 4) 考慮設(shè)備維護(hù)時發(fā)生故障情況。( 5) 考慮設(shè)備安裝過程。( 6) 由于正常運行中, 刀閘S, Sp 均不動作, 故不考慮其故障影響。直流側(cè)的濾波器、平波電抗器等設(shè)備可等效為一個極設(shè)備元件。

EDSA 是一面向電力工程應(yīng)用的專業(yè)軟件。它主要由2 部分構(gòu)成: 一是系統(tǒng)仿真圖形繪制, 二是專業(yè)計算仿真分析。從功能上看, EDSA 可以完成各種形式的短路計算、潮流計算、暫態(tài)分析、諧波分析和可靠性分析等諸多方面, 并提供了豐富的幫助文件。其中, 可靠性可以對配電系統(tǒng)、變電站進(jìn)行評估, 采用狀態(tài)空間模型對設(shè)定的可靠性模型進(jìn)行分析計算。通過EDSA 可靠性計算, 可以直接得到某一負(fù)荷點的年故障次數(shù)、停運持續(xù)時間、可靠度、年停電損失等。在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步計算得到其他可靠性指標(biāo)。

3.1 可靠性數(shù)據(jù)和主要的計算結(jié)果

通過EDSA 對換流站主接線的可靠性進(jìn)行了計算。通過綜合分析國內(nèi)運行數(shù)據(jù)及國外設(shè)備可靠性數(shù)據(jù), 本計算采用表1 中數(shù)據(jù)作為計算依據(jù)。

采用EDSA 可靠性軟件包對雙極12 脈動換流單元串聯(lián)情況進(jìn)行了計算, 結(jié)果如表2、3。