由可靠性指標淺析我國超高壓直流輸電新技術

林世治 姜惠英

福建水利電力職業(yè)技術學院 福建 永安 366000

0 引言

可靠性是衡量直流輸電系統(tǒng)運行狀況的重要指標。直流輸電具有迅速而精確的調節(jié)性能可以提高與之并聯(lián)的交流線路的穩(wěn)定性和傳輸容量，可以作為大區(qū)電網間的聯(lián)絡線能提高互聯(lián)系統(tǒng)運行的可靠性和靈活性，直流輸電中間不落點，可將大量電力直送負荷中心，輸電容量大、輸電距離長、節(jié)省架線走廊，有功功率損壞與輸送功率的比值較大，其輸電穩(wěn)定性取決于受端電網結構。一旦發(fā)生故障時，不僅損失的功率巨大，而且會對交流系統(tǒng)產生較大的影響和沖擊。

國內大型超高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性指標如表 1所示［1－3］。 目前已建工程投運后，直流輸電系統(tǒng)故障停運率和強迫能量不可用率基本達到表1中可靠性指標的要求。

1 我國直流輸電系統(tǒng)運行情況

1.1 我國高壓直流輸電系統(tǒng)現(xiàn)狀

南方電網2009年12月28日宣布，云南至廣州±800千伏特高壓直流輸電工程成功實現(xiàn)單極投產，這是世界上首個±800千伏特高壓直流輸電工程。云廣特高壓直流輸電工程線路全長1 373千米，跨越云南、廣西、廣東三省區(qū)，當天輸送容量達到260萬千瓦。2010年雙極投產后，輸送容量將達到500萬千瓦。

表1 超高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性指標

在直流高壓輸電方面，自2005年開始，國家電網公司組織有關科研、高等院校和設計單位，對特高壓直流輸電技術的關鍵技術問題進行研究，在2007年5月在北京建立了特高壓直流試驗基地并投入使用，2008年又在西藏建設了高海拔直流試驗基地，具備進行±1 000 kV直流輸電工程在不同海拔高度下的電磁環(huán)境、空氣間隙放電特性、絕緣子污穢放電特性、直流避雷器等設備關鍵技術的試驗研究能力。目前我國已建成并正式投入運行的超高壓直流輸電工程包括：葛（洲壩）滬（上海）、三（峽）常（州）、三（峽）廣（東）、三（峽）滬（上海）、天（生橋）廣（東）、貴（州）廣（東）Ⅰ回、Ⅱ回等 7 個工程，超高壓直流輸電線路總長度達7 085千米，輸送容量達1 856萬千瓦，線路總長度和輸送容量均居世界第一。同時，我國超高壓直流輸電工程的設計建設、運行管理和設備制造水平已處于國際領先地位。

表2 2002至2004年某直流輸電系統(tǒng)1各部件故障停運情況

表3 2002至2004年某直流輸電系統(tǒng)2各部件故障停運情況

到2020年，我國將建成15個特高壓直流輸電工程，并成為世界上擁有直流輸電工程最多、輸送線路最長、容量最大的國家。

1.2 舉例分析我國直流輸電系統(tǒng)運行情況

2002年至2004年，某直流輸電系統(tǒng)1、2中各部件的故障停運情況如表2、3所示；2003年6月至2005年8月，某直流輸電系統(tǒng)3、4中各部件的故障停運情況如表 4、5 所示［4－7］。

表4 2003年6月至2005年4月某直流輸電系統(tǒng)3各部件故障停運情況

表5 2004年6月至2005年8月某直流輸電系統(tǒng)4各部件故障停運情況

1.2.1 某直流輸電系統(tǒng)1的故障率

由表2可知，2002年至2004年，某直流輸電系統(tǒng)1中換流設備共發(fā)生故障7次，極線設備共發(fā)生故障7次，由控制系統(tǒng)故障導致的單極停運共有15次，輔助系統(tǒng)故障導致的單極停運共有9次，直流線路故障導致的單極停運共有5次，其他原因導致的單極停運共有4次；期間雙極停運共有16次。同時，這期間的平均能量不可用率為13.59%（該數(shù)據(jù)未折算至額定容量）。

1.2.2 某直流輸電系統(tǒng)2的故障率

由表3可知，2002年至2004年，某直流輸電系統(tǒng)2中換流設備共發(fā)生故障12次，極線設備共發(fā)生故障21次，由控制系統(tǒng)故障導致的單極停運共有27次，輔助系統(tǒng)故障導致的單極停運共有31次，直流線路故障導致的單極停運共有11次，其他原因導致的單極停運共有5次；期間雙極停運共有11次。同時，這期間的平均能量不可用率為8.67%（該數(shù)據(jù)未折算至額定容量）。

1.2.3 某直流輸電系統(tǒng)3、4的故障率

由表 4、5可知，2003年6月至 2005年8月，某直流輸電系統(tǒng)3、4中換流設備共發(fā)生故障6次，極線設備共發(fā)生故障4次，由控制系統(tǒng)故障導致的單極停運共有12次，輔助系統(tǒng)故障導致的單極停運共有2次；雙極停運共有2次。其中，二次系統(tǒng)故障導致?lián)Q流站停運的次數(shù)最多，在兩個工程中分別占總停運次數(shù)的38.5%和44.4%，換流器故障導致的停運率分別為19.2%和11.1%，極線設備故障導致的停運率分別為7.7%和22.2%。

1.3 由可靠性指標對主要故障原因進行分析

上述運行數(shù)據(jù)標明，某直流輸電系統(tǒng)3、4的可靠性和可用率水平優(yōu)于某直流輸電系統(tǒng)1、2，根據(jù)以上運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)對超高壓直流輸電系統(tǒng)的主要故障原因進行分析。

1.3.1 換流器故障。換流器故障將導致直流輸送功率的下降，甚至直流系統(tǒng)的停運。在因控制保護系統(tǒng)誤動作而導致的單極停運中，約有2/3是換流器相關的控制保護系統(tǒng)誤動作而導致的停運；在因輔助系統(tǒng)故障而導致的單極停運中，約有2/3是換流器相關的輔助系統(tǒng)故障而導致的停運。

1.3.2 單極故障。單極故障的頻率較高，但故障持續(xù)時間短，極線設備故障就會導致單極故障。在因控制保護系統(tǒng)誤動作而導致的單極停運中，約有1/3是極線設備相關的控制保護系統(tǒng)誤動作而導致的停運；在因輔助系統(tǒng)故障而導致的單極停運中，約有1/3是極線設備相關的輔助系統(tǒng)故障而導致的停運。

1.3.3 雙極故障。雙極停運大都是由于控制保護系統(tǒng)故障或其他一些人為因素或不確定因素造成的。

2 超高壓直流輸電新技術

超高壓直流輸電規(guī)模和容量的發(fā)展不但與換流技術特別是高電壓、大功率換流設備的發(fā)展密切相關，隨著大量直流工程的投入運行，直流輸電的控制、保護、故障、可靠性等問題也凸顯其重要性。近年來，除了電力電子技術的發(fā)展推動外，多種新技術的綜合應用推動直流輸電技術有了新進展。

2.1 光直接觸發(fā)晶閘管

晶閘管觸發(fā)不存在逆弧問題，采用光觸發(fā)晶閘管，有效地改善了直流輸電的運行性能和可靠性能，但需要將相應的保護或測量電路集成在晶閘管上，因此技術復雜，工藝要求嚴格。

2.2 接地極引線故障測量裝置

接地極引線是連接換流器中性點與接地極之間的線路。在雙極運行時只有很小的不平衡電流通過它，電壓接近于零。單極大地回線方式運行時，通過電流為額定電流，接地極端電壓為零。因此難以檢測到靠近接地極的對地短路故障。近年來開發(fā)出脈沖回聲、阻抗等接地極引線測量裝置，當引線任何地點發(fā)生對地短路時，其阻抗的變化將反映到測量裝置中，從而判定是否發(fā)生故障，并能判斷故障地點。

2.3 實時多處理器控制保護系統(tǒng)

隨著電子信息技術的高速發(fā)展，直流控制保護系統(tǒng)對主設備不同區(qū)域、不同原理的控制保護功能可以放在同一個實時并聯(lián)多處理器系統(tǒng)中實現(xiàn)，現(xiàn)在微處理器技術遍布直流系統(tǒng)各個設備的控制和保護。

2.4 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

為了便于事故分析處理，需要對分布在換流站內的各個控制保護系統(tǒng)、兩端換流站設備的測量時間進行同步，以便精確測量直流線路的故障地點。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有全天候、高精度、自動化、同步等顯著特點，采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS），可使各種設備時間的誤差小于1 ms，直流線路故障定位可以精確到300 m。以往的直流輸電系統(tǒng)各種設備之間及兩站之間沒有統(tǒng)一的時間參考，暫態(tài)故障記錄與時間記錄不同步，不能顯示出直流線路故障的正確位置，給檢修和維護帶來極大的不便。

2.5 巡檢機器人和檢測機器人

“超高壓輸電線路巡檢機器人能夠沿架空地線行走，具有在直線桿塔處越障的能力，通過其攜帶的攝像機可完成對輸電設施及線路的巡視?！敖^緣子檢測機器人能夠在超高壓輸電線路耐張塔雙聯(lián)水平瓷絕緣子串上自主行走，可適應水平雙串絕緣子距離變化，實現(xiàn)機器人對絕緣子的定量帶電檢測。

以上新技術的應用可以極大地提高超高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性指標，使直流輸電系統(tǒng)的運營更加安全、穩(wěn)定、高效。

3 結束語

隨著我國經濟持續(xù)快速發(fā)展，電力需求將快速增長，預計2020年全社會用電量將達到約46 000億千瓦時，需要裝機容量約10億千瓦，這意味著要新增發(fā)電裝機5億千瓦以上。我國現(xiàn)有電網主要以500千伏交流和±500千伏直流系統(tǒng)為主，電力輸送能力和規(guī)模受到嚴重制約。相對于±500千伏超高壓直流線路，云廣±800千伏特高壓直流輸電工程的輸送能力增強了一倍，同時線路損耗降低40%左右，大大提高了能源利用效率。因此，建設特高壓電網是滿足未來持續(xù)增長的電力需求的根本保證，而新技術的推廣和應用，是構建以特高壓電網為核心的國家電網的技術保障。

［1］張晉華.三常直流輸電系統(tǒng)可靠性的研究［R］.中國電力科學研究院，1996.

［2］北京網聯(lián)直流工程技術有限公司.三峽－常州±500kV直流輸電工程功能規(guī)范書［S］.北京網聯(lián)直流工程技術有限公司，1998.

［3］范建斌，于永清，劉建洪，等.±800kV特高壓直流輸電標準體系的建立［J］.電網技術，2006，30（14）：1－6.

［4］賈立雄，蔣錦峰，胡小正.2002年度全國高壓直流輸電系統(tǒng)運行可靠性簡況［J］.電力設備，2004，05（06）：68－71.

［5］賈立雄，蔣錦峰，胡小正.2003年度全國高壓直流輸電系統(tǒng)運行可靠性分析［J］.電力設備，2004，05（11）：74－79.

［6］賈立雄，胡小正.2004年度全國高壓直流輸電系統(tǒng)運行可靠性分析［J］.電力設備，2005，06（09）：100－104.

［7］喻新強.2003年以來國家電網公司直流輸電系統(tǒng)運行情況總結［J］.電力設備，2004，05（06）：68－71.