[ 摘要] ±800 kV 直流输电工程的电压等级高、输送容量大, 出现故障时对交流系统的影响较大, 在电力系统中的地位非常重要, 对可靠性要求很高。因此, 分析影响直流系统可靠性的关键环节和关键设备, 研究提高直流输电系统可靠性及可用率的措施, 在即将建设的±800 kV 直流输电工程中加以应用就显得十分必要。在总结以往直流工程经验的基础上, 结合±800 kV 特高压直流输电工程实际情况, 提出提高特高压直流输电系统可靠性及可用率的措施。

0 引言

高压直流输电具有传输功率大, 线路造价低,控制性能好等优点, 是目前世界上发达国家作为高电压、大容量、长距离送电和异步联网的重要手段。在我国也因“西电东送, 南北互供, 全国联网”而成为电力建设的热点。直流输电工程是一个复杂的工程系统, 且多数情况下承担大容量、远距离输电和联网任务, 尤其对于±800 kV 直流输电工程而言, 其电压等级高、输送容量大, 在电力系统中的地位十分重要, 因此对直流输电工程的可靠性要求很高。直流系统可靠性直接反映直流系统的系统设计、设备制造、工程建设以及运行等各个环节的水平。通过直流系统可靠性分析, 可以提出改善工程可靠性的具体措施, 对新建工程提出合理的指标要求。本文在总结以往直流工程经验的基础上, 结合±800 kV特高压直流输电工程实际情况, 从工程实际角度出发, 提出了提高特高压直流输电系统可靠性及可用率的具体措施。

1 直流系统的可靠性指标介绍

可靠性是一个系统无故障连续运行能力的一种考量。直流输电工程的可靠性是指在规定的系统条件和环境条件下, 在规定的时间内传输一定能量的能力。直流输电系统的可靠性指标总计超过10项, 这里只介绍停运次数、降额等效停运小时、能量可用率、能量利用率等4 项主要可靠性指标[1]。

停运次数: 包括由于系统或设备故障引起的强迫停运次数。对于常用的双极直流输电系统, 可分为单极停运, 以及由于同一原因引起的2 个极同时停运的双极停运。对于每个极有多个独立换流器的直流输电系统, 停运次数还可以统计到换流器停运。不同的停运代表对系统不同水平的扰动。降额等效停运小时: 直流输电系统由于全部或者部分停运或某些功能受损, 使得输送能力低于额定功率称为降额运行。

降额等效停运小时是: 将降额运行持续时间乘以一个系数, 该系数为降额运行输送损失的容量与系统最大连续可输送电容量之比。

能量可用率: 衡量由于换流站设备和输电线路(含电缆)强迫和计划停运造成能量传输量限制的程度, 数学上定义为统计时间内直流输电系统各种状态下可传输容量乘以对应持续时间的总和与最大允许连续传输容量乘以统计时间的百分比。

能量利用率: 指统计时间内直流输电系统所输送的能量与额定输送容量乘以统计时间之比。

以上可靠性指标是衡量直流输电系统可靠性的主要技术指标。

2 影响直流输电系统可靠性指标的主要因素直流输电系统整体的可靠性是和组成整个系统的各个元件、系统的接线方式、控制保护、运行方式息息相关的。在对以往的直流输电工程可靠性分析的基础上可以看到影响直流输电系统可靠性的因素主要有以下几个。

2.1 控制保护系统

高压直流输电与交流输电相比较的一个显著特点是可以通过对两端换流站的快速调节, 控制直流线路输送功率的大小和方向, 以满足整个交直流联合系统的运行要求, 也就是说直流输电系统的性能,极大地依赖于它的控制系统。提高控制系统的可靠性是提高直流输电系统可靠性的关键。提高直流输电控制系统可靠性的首要任务就是加强自检覆盖率和准确率、采用多重化和分布式设计; 克服目前换流技术易换相失败的弊病, 避免多回直流落点相对集中时威胁极大的换相失败; 发展远方控制或无人值守的控制保护和通信技术, 提高效率、增强统一调度和各直流工程间的协调配合, 进一步加强系统稳定性[2]。

2.2 换流站主接线

现代高压直流工程中均采用12 脉动换流器作为基本换流单元, 以减少换流站所设置的特征谐波滤波器。每个12 脉动换流单元通常由2 个交流侧电压相位差30°的6 脉动换流单元在直流侧串联而在交流侧并联所组成的, 换流变阀侧绕组, 一个是Y接线, 一个是△接线。换流阀通常有以下几种接线型式( 图1) : 型式1, 每极1 个12 脉动阀组; 型式2, 每极由多个12 脉动阀组串联; 型式3, 每极由多个12脉动阀组并联; 型式4, 每极由多个12 脉动阀组串联和并联的组合。

从系统可靠性及系统可用率看, 型式1 两端换流站整个双极系统两极两端的4 个换流单元, 任何一个因故障停运, 将使系统损失一半输送能力; 型式2 每个换流单元可以单独控制, 实现不平衡运行, 任一个换流单元因故障退出运行, 仅失去25%的可用率。如果可控硅元件的制造水平可以满足每个极1个换流单元的要求, 那么, 分成2 个换流单元后, 不会大量增加元件数量, 在不考虑配套的换流变压器和开关的故障率的情况下, 极换流器故障次数增加很少。而且, 可以减少检修次数和时间。因此, 即使考虑增加设备的故障率, 系统的可用率还是相对增加,可靠性增强。

2.3 换流变主接线

换流变压器的接线方式主要是根据换流器的接线方式, 结合换流变的制造、安装和运输能力确定每个换流单元所对应的换流变压器类型及接线。每个换流单元连接的换流变压器的类型有以下几种[3]:

( 1) 1 台三相三绕组变压器, 接线型式为Y/Y/Δ。

( 2) 2 台三相双绕组变压器, 一台为Y/Y 型接线, 另一台为Y/Δ接线。

( 3) 3 台单相三绕组变压器, 接线型式为Y/Y/Δ。

( 4) 6 台单相双绕组变压器, 其中3 台接线型式为Y/Y, 另外3 台接线型式为Y/Δ。

从可靠性及可用率角度看, 假定不同类型的换流变压器的故障率和平均修理时间是相同的, 则由于采用三相三绕组变压器台数最少, 因此对于一个换流单元, 它的能量可用率和可靠性最高。换流变压器的4 种类型接线中, 类型( 1) 可靠性最高, 类型( 2)及( 3) 次之, 类型( 4) 较低。因此, 在换流变的制造、安装和运输能力具备的条件下, 应优先采用类型( 1)以提高系统的可靠性及可用率。对于±800 kV 特高压直流输电工程, 换流变电压等级高、容量大, 考虑到换流变的制造、安装和运输能力, 采用以上类型( 1) 、( 2) 或( 3) 均具有相当大的难度, 采用类型( 4) 是最为现实的, 因此, 为提高±800 kV 特高压直流输电工程的可靠性和可用率, 要求这种变压器有较低的故障率和较少的修理时间。