高壓直流輸電系統(tǒng)主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析

胡 強(qiáng)，王渝紅，鄧?guó)檹?qiáng)，3，李興源，朱 靜，陳慶軍，馬 雷

（1.遼寧省電力有限公司檢修分公司，鞍山 111213；2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065；3.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司南充供電公司，南充 637000）

0 引言

隨著國(guó)家“西電東送，南北互供，全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”能源發(fā)展戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，我國(guó)各大區(qū)域電網(wǎng)已出現(xiàn)世界上規(guī)模最大的遠(yuǎn)距離大容量輸電格局［1－3］。由于高壓直流輸電具有造價(jià)低，線路損耗小，調(diào)節(jié)快速，運(yùn)行可靠，不存在安全穩(wěn)定性問(wèn)題［4－8］，可以限制短路電流，具有一定的過(guò)負(fù)荷能力等優(yōu)點(diǎn)而得到了快速發(fā)展。相繼出現(xiàn)了以水電集中外送如向家壩－上海、以火電集中外送如呼倫貝爾－穆家、以連接兩個(gè)異步電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)如靈寶和高嶺背靠背等多條直流輸電工程。

直流輸電系統(tǒng)主設(shè)備的安全運(yùn)行是整個(gè)電網(wǎng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。直流換流站內(nèi)的換流變壓器和換流閥由于設(shè)備昂貴、檢修復(fù)雜，一旦發(fā)生故障將可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。狀態(tài)檢修是基于主設(shè)備的出廠參數(shù)、家族缺陷、運(yùn)行歷史和當(dāng)前運(yùn)行狀況等基本數(shù)據(jù)，以在線監(jiān)測(cè)為基本手段，通過(guò)各種先進(jìn)技術(shù)來(lái)比較分析設(shè)備的健康狀況，預(yù)測(cè)設(shè)備狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)及故障部位、嚴(yán)重程度，從而確定最佳檢修方案的一種檢修方法。狀態(tài)檢修的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：維護(hù)費(fèi)用低、電力系統(tǒng)可靠性高、設(shè)備損耗率低。狀態(tài)檢修的流程圖見(jiàn)圖1［9－10］。

1 直流主設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

我國(guó)在建或已建高壓直流輸電工程已有近二十個(gè)，但直流輸電的狀態(tài)檢修工作開(kāi)展的比較晚，而狀態(tài)監(jiān)測(cè)量又是開(kāi)展?fàn)顟B(tài)檢修工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。對(duì)于換流站內(nèi)的換流變壓器、換流閥和濾波器等更無(wú)交流系統(tǒng)的設(shè)備檢修經(jīng)驗(yàn)作為參考。

圖1 狀態(tài)檢修流程圖

直流系統(tǒng)主設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作需根據(jù)相應(yīng)設(shè)備的性能指標(biāo)和狀態(tài)量，結(jié)合其權(quán)重，評(píng)定設(shè)備的健康狀況，形成相應(yīng)的檢修方案。而換流站可控性高、智能化程度高、信號(hào)監(jiān)測(cè)和傳輸能力強(qiáng)等特點(diǎn)為直流輸電狀態(tài)檢修提供了條件［11］。

1.1 換流變壓器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

換流變壓器是直流換流站的核心設(shè)備之一，其費(fèi)用昂貴、制造技術(shù)復(fù)雜、所處位置重要［12－13］。換流變壓器可靠性及可用性對(duì)整個(gè)直流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵，一旦發(fā)生故障，則可能導(dǎo)致整個(gè)直流輸電系統(tǒng)閉鎖停運(yùn)。

換流變壓器較普通的交流變壓器有較大不同，主要體現(xiàn)在換流變壓器的直流偏磁、短路阻抗、諧波、換流變壓器閥側(cè)繞組對(duì)地電位含有直流分量等情況［14］。

1）直流偏磁 當(dāng)與換流變壓器所連接的換流閥觸發(fā)脈沖信號(hào)時(shí)間不等時(shí)，換流變壓器內(nèi)部容易產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象，直流偏磁是造成變壓器振動(dòng)加劇的主要原因，將導(dǎo)致?lián)Q流變壓器鐵芯周期性飽和，加大換流變的損耗，增加諧波含量，降低其效率，加速絕緣老化，增大其噪聲。

2）短路阻抗 短路阻抗能夠在換流變壓器橋臂發(fā)生短路故障時(shí)，限制過(guò)大的短路電流從而保護(hù)換流閥的安全運(yùn)行，所以換流變壓器要有較大的短路阻抗。但短路阻抗過(guò)大，會(huì)增加換流變損耗，還會(huì)使換流變壓器的無(wú)功分量增大，直流電壓中換相壓降過(guò)大，將導(dǎo)致直流線路電壓降低，功率傳輸效率降低。

3）諧波 由于換流變壓器的非線性特性，在交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)中將出現(xiàn)諧波電壓和電流，交直流產(chǎn)生的諧波會(huì)使換流變的溫度升高、損耗加劇，還會(huì)對(duì)其所連接的通信設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，當(dāng)換流變壓器鐵芯飽和或者交直流系統(tǒng)滿足互補(bǔ)諧振的條件時(shí)會(huì)誘發(fā)諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象。諧波不穩(wěn)定將會(huì)導(dǎo)致諧波進(jìn)一步放大，從而導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)崩潰，故諧波問(wèn)題必須引起足夠的注意。目前抑制諧波的最有效方式是在交流母線上安裝濾波器以及在直流線路上安裝平波電抗器及直流濾波器。

4）直流分量 換流變閥側(cè)繞組對(duì)地電位可能含有直流電流分量，這對(duì)換流變絕緣結(jié)構(gòu)提出了更高要求。在運(yùn)行中，由于換流變壓器閥側(cè)繞組不僅受到交流電壓而且受到直流電壓的作用，此外直流電壓的極性還應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行反轉(zhuǎn)。因此，閥側(cè)繞組內(nèi)部絕緣中的電位分布和場(chǎng)強(qiáng)與普通電力變壓器不同，要采用全絕緣。這使其絕緣成本大大提高。

換流變壓器的狀態(tài)評(píng)價(jià)可以分為部件評(píng)價(jià)和整體評(píng)價(jià)兩部分。同時(shí)，考慮到換流變壓器各部件的獨(dú)立性，又將其分為本體、套管、有載分接開(kāi)關(guān)、冷卻系統(tǒng)以及非電量保護(hù)系統(tǒng)5個(gè)部件。然后，從換流變壓器整體評(píng)價(jià)和部件評(píng)價(jià)的各個(gè)方面，按照相應(yīng)的評(píng)價(jià)部分列出對(duì)應(yīng)扣分標(biāo)準(zhǔn)，由扣分?jǐn)?shù)值將設(shè)備分為正常、異常、注意和嚴(yán)重4個(gè)不同狀態(tài)。

換流變壓器狀態(tài)管理以臺(tái)為單位，各部分的主要部件名稱如表1所示。

表1 換流變壓器各部分的主要部件名稱

換流變壓器的主要性能指標(biāo)有7個(gè)：運(yùn)行工況、繞組直流電阻、外觀、溫度、絕緣性能、絕緣油性能和機(jī)械性能，反映換流變壓器性能指標(biāo)的狀態(tài)量共有39個(gè)，各狀態(tài)量的監(jiān)測(cè)獲取方式一般有5種：查閱資料、巡視檢查、帶電檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)及檢修試驗(yàn)（見(jiàn)表2）。

換流變壓器的狀態(tài)檢修是通過(guò)上述性能指標(biāo)中的各狀態(tài)量的監(jiān)測(cè)情況，確定其健康狀況，從而確定檢修方案。文獻(xiàn)［15］中提到，在換流變壓器常規(guī)色譜分析中檢測(cè)結(jié)果異常，通過(guò)直流電阻等狀態(tài)量的測(cè)量評(píng)估其故障部位及其發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)停運(yùn)檢修，從而防止了事故的發(fā)生。

表2 換流變壓器性能指標(biāo)狀態(tài)量

1.2 換流閥的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

與換流變壓器相連接的換流閥是基于電力電子技術(shù)完成交－直－交能量轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，通過(guò)觸發(fā)脈沖信號(hào)讓所需的晶閘管導(dǎo)通從而實(shí)現(xiàn)交－直－交能量轉(zhuǎn)換，換流閥故障將給直流系統(tǒng)帶來(lái)非常大的影響。換流閥由多個(gè)閥組組成，每個(gè)閥組由多個(gè)閥組成，每個(gè)閥又由眾多個(gè)可控硅組成，因此換流閥進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)需要以單個(gè)閥為基本單位，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括閥組件、閥控系統(tǒng)、輔助部件3個(gè)部件。換流閥各部分的主要部件名稱如表3所示。

表3 換流閥各部分的主要部件名稱

換流閥的性能指標(biāo)主要包括絕緣性能、閥觸發(fā)情況、元件發(fā)熱、元件參數(shù)和外觀等，各指標(biāo)的狀態(tài)量共計(jì)21個(gè)，各狀態(tài)量的監(jiān)測(cè)獲取方式一般有5種：查閱資料、巡視檢查、帶電檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)及檢修試驗(yàn)。

換流閥性能指標(biāo)狀態(tài)量如表4所示。

表4 換流閥性能指標(biāo)狀態(tài)量

換流閥的狀態(tài)量較換流變壓器的狀態(tài)量要少，檢修過(guò)程也較為簡(jiǎn)單。通過(guò)上述換流閥5個(gè)性能指標(biāo)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)量，可以分析評(píng)價(jià)出換流閥的健康狀況，制定相應(yīng)的檢修策略。通過(guò)文獻(xiàn)［16］可知，換流閥的可控硅故障率一般在5%以內(nèi)，當(dāng)可控硅部件出現(xiàn)故障時(shí)，直接更換故障的可控硅即可。

1.3 濾波器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

交直流濾波器是換流站的重要裝置，由于換流閥會(huì)產(chǎn)生大量的諧波并消耗大量的無(wú)功功率，通過(guò)在換流母線上安裝濾波器組，能有效抑制諧波和提供換流站所需的無(wú)功功率［17］。濾波器狀態(tài)檢修以組為單位，其中的設(shè)備主要包括電容器、電抗器、電阻器、電流互感器和避雷器。交直流濾波器各部分的主要組成部分名稱如表5所示。

表5 交、直流濾波器各部分的主要部件名稱

濾波器的主要性能指標(biāo)有7個(gè)：絕緣性能、導(dǎo)電性能、調(diào)諧特性、溫升、運(yùn)行工況、不平衡電流和外觀。電流互感器和避雷器的性能指標(biāo)參照其相應(yīng)狀態(tài)管理工作標(biāo)準(zhǔn)要求［18－19］。交、直流濾波器性能指標(biāo)的狀態(tài)量共有24個(gè)（見(jiàn)表6）。各狀態(tài)量的監(jiān)測(cè)獲取方式有5種：查閱資料、巡視檢查、帶電檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)及檢修試驗(yàn)。

表6 交、直流濾波器性能指標(biāo)狀態(tài)量

換流站內(nèi)的濾波器配置一般是以組為基本單位，每一組由3～5個(gè)濾波器組成，同時(shí)配有若干個(gè)備用濾波器，故其重要性不及換流變壓器和換流閥。根據(jù)常規(guī)的狀態(tài)檢修細(xì)則一般能夠保證濾波器安全正常運(yùn)行。平波電抗器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)量可參考上述3種設(shè)備。

2 結(jié)語(yǔ)

高壓直流輸電主設(shè)備在正常情況下運(yùn)行是整個(gè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)和保證，開(kāi)展換流變壓器、換流閥等主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)量工作有著重要的實(shí)際意義。

本文總結(jié)了直流輸電系統(tǒng)主設(shè)備的發(fā)展情況，重點(diǎn)分析和總結(jié)了換流變壓器、換流閥、濾波器等設(shè)備的狀態(tài)檢修所需要的性能指標(biāo)以及狀態(tài)量，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)和評(píng)估這些指標(biāo)來(lái)判斷各設(shè)備的健康狀況，從而制定相應(yīng)的狀態(tài)檢修方案。但對(duì)于直流輸電主設(shè)備完全進(jìn)行狀態(tài)檢修工作，還需要有更先進(jìn)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)以及評(píng)估體系的建立。

［1］ 穆子龍，李興源，金小明，等.云廣特高壓直流送端諧波不穩(wěn)定問(wèn)題研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（20）：8-14.

［2］ 李興源.高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行與控制［M］.北京：科學(xué)出版社，1998.

［3］ 劉振亞.特高壓直流輸電技術(shù)研究成果專輯（2005年）［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［4］ 舒印彪.中國(guó)直流輸電的現(xiàn)狀及展望［J］.高電壓技術(shù)，2004，30（11）：1-2.

［5］ 陜?nèi)A平，閆禮陽(yáng)，龐飛，等.±800 k V特高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行檢修技術(shù)體系［J］.高電壓技術(shù)，2010，36（9）：2212-2218.

［6］ 程崗，陳飛杰，左亞南.電網(wǎng)二次設(shè)備狀態(tài)檢修方案的分析［J］.電力與能源，2013，34（5）：541-543.

［7］ 周明.抽水蓄能機(jī)組檢修管理的優(yōu)化［J］.電力與能源，2013，34（4）：432-434.

［8］ 郝曉光，李秉宇，陳曉東，等.直流電源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化狀態(tài)檢修模式的研究［J］.電源技術(shù)，2011，35（9）：1142-1145.

［9］ 車文俊.對(duì)跨區(qū)域直流輸變電設(shè)備檢修方式的建議［J］.電力設(shè)備，2005，56（4）：112-113.

［10］鄧難民.電力設(shè)備狀態(tài)檢修處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.華電技術(shù)，2008，30（12）：51-54.

［11］方進(jìn)虎，季克超.開(kāi)展設(shè)備狀態(tài)檢修促進(jìn)電網(wǎng)安全運(yùn)行［J］.安徽電力，2009，26（1）：59-63.

［12］許婧，王晶，高峰，等.電力設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)研究綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2000，24（8）：48-53.

［13］李剛，程春田，廖勝利，等.省級(jí)電網(wǎng)發(fā)、輸電設(shè)備檢修優(yōu)化系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2012，32（5）：142-146.

［14］郭濤，黃岳奎，廖卉蓮.直流輸電設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)的研究與實(shí)施［J］.華東電力，2011，39（11）：1816-1819.

［15］康宇斌，卞玉萍.向家壩－上?！?00 k V特高壓直流輸電線路的檢測(cè)與運(yùn)行維護(hù)［J］.華東電力，2011，39（1）：114-116.

［16］韓曉東，翟亞?wèn)|.高壓直流輸電用換流變壓器［J］.高壓電器，2010，36（9）：2212-2218.

［17］陽(yáng)少軍，牛保紅，呂家圣.±500 k V天廣直流換流變故障的分析與處理［J］.高電壓技術(shù)，2006，32（9）：165-167.

［18］國(guó)家電力公司直流輸電運(yùn)行考察團(tuán).直流輸電運(yùn)行考察報(bào)告［J］.電力設(shè)備，2003，3（4）：57-60.

［19］陜?nèi)A平，閆禮陽(yáng)，龐飛.±800k V特高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行檢修技術(shù)體系［J］.高電壓技術(shù)，2010，36（9）：2212-2218.