高壓直流輸電系統(tǒng)常見故障分析

梅寧 王艷秋

摘 要：高壓直流輸電技術因其線路造價低、運行損耗小、線路走廊窄、節(jié)能效果好等特點而廣泛運用于遠程電力傳輸，雖然我國已有不少高壓直流輸電系統(tǒng)的運行經(jīng)驗，但遠未達到其應有經(jīng)濟性和可靠性，系統(tǒng)故障率較高。本文以±500kV高壓直流輸電為例對一些常見的故障進行了總結和分析，以期為相關領域提供有益的參考。

關鍵詞：高壓直流輸電；±500kV；故障分析；換流器

1前言

±500kV高壓直流輸電線路是目前我國較常規(guī)的直流輸電線路，在我國中短程電力傳輸中扮演著越來越重要的角色。高壓直流輸電技術雖然已發(fā)展多年，但遠未達到成熟，其運行的可靠性和經(jīng)濟性仍然受到地理環(huán)境、社會環(huán)境、氣象條件等復雜因素的影響，線路故障時有出現(xiàn)，對電網(wǎng)安全運行造成了較大的影響。因此，研究高壓直流輸電線路的常見運行故障，對于推動我國高壓直流輸電技術的發(fā)展十分必要。

2高壓直流輸電應用現(xiàn)狀

早在上世紀50年代，高壓直流輸電技術就已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化運行，在晶閘管問世后，換流站的性能發(fā)生了革命性的變化，成本也進一步降低，大大推動了高壓直流輸電技術的發(fā)展。我國在高壓直流輸電技術方面的首個重大應用是上海-葛洲壩±500kV高壓直流輸電線路的投運，該工程額定容量達1200MW，輸送距離長達1080公里。隨后，廣州-天生橋、常州-三峽龍泉等一系列±500kV高壓直流輸電工程也相繼成功投運，拉開了我國高壓直流輸電技術大發(fā)展的局面。

大量的應用證明，高壓直流輸電技術在功率傳輸特性、過負載能力、故障自愈、功率控制和高度管理等方面都比交流輸電技術更加優(yōu)秀，尤其適用于大功率遠程輸電、海底電纜輸電和交流系統(tǒng)異步傳輸?shù)忍厥鈭龊系膽谩?/p>

3常見故障分析

高壓直流輸電系統(tǒng)主要由換流站、輸電線路和接地極系統(tǒng)等部分組成，其中換流站是高壓直流輸電系統(tǒng)的核心組成部分之一，結構比較復雜，運行壓力較大，因此常常成為故障的高發(fā)區(qū)域。

3.1外絕緣故障

某±500kV 直流輸電系統(tǒng)的換流站出現(xiàn)污閃現(xiàn)象。高壓直流輸電系統(tǒng)中的換流站是指將為了完成交流電與直流電進行相互轉換，以滿足電力安全穩(wěn)定及電能質(zhì)量而建立的站點。換流站中的主要設備包括換流閥、變壓器、電抗器、濾波器、各類開關設備和保護裝置等，這些設備的絕緣裝置一旦出現(xiàn)問題，就會造成爬電比距不足、復合絕緣憎水性下降、污閃等一系列故障。

當絕緣材料表面污穢，同時設計過程中對設備外絕緣的爬電比距設計不合理，就會直接造成絕緣材料的絕緣強度下降，當環(huán)境空氣溫度較大時就會出現(xiàn)持續(xù)爬電現(xiàn)象。如果絕緣表面受到靜電影響，還會使灰塵積淀，在潮濕環(huán)境下形成導電薄膜，使絕緣表面的泄露電流異常增大，在電場力的作用下發(fā)生強烈的放電現(xiàn)象，因而造成污閃。主設備外絕緣爬電距離不足和污閃問題可以通過優(yōu)化設計和技術改造來加以避免，例如增大爬距、在主設備外加裝增爬裙或涂覆硫化硅橡膠。

3.2雷擊故障

從目前的±500kV高壓直流線路設計水平來看，輸電線路的反擊耐雷水平和接地電阻的質(zhì)量都有了較大的進步，發(fā)生的雷擊故障以雷電繞擊為主，很少會出現(xiàn)雷電反擊現(xiàn)象。從雷擊故障極性的角度上看，由于自然界中雷電以負極性為主，且正極性側具有明顯的上行先導能力，因此雷擊故障一般表現(xiàn)為正極性吸引雷擊，負極性雷擊并不多見。當出現(xiàn)雷擊現(xiàn)象時，一般大檔距的高壓直流線路比較容易跳閘，因此造成的故障概率也大大增加。

為了避免雷擊造成的線路故障，可以根據(jù)線路走廊的雷電分布特征，采用防雷差異化技術，合理布設正極性導線位置，增加正極性側絕緣子串干弧距離；在一些關鍵的線路節(jié)點，安裝可控放電避雷裝置，同時進一步減小桿塔接地電阻以提高其耐雷性能。另外，最近的試點應用表明，直流避雷器在±500KV高壓直流線路上有較明顯的避雷效果，在成本可控的前提下可考慮采用該技術。

3.3 換流閥短路故障

換流閥位于換流器的主回路中，換流閥短路表現(xiàn)為其兩端都失去阻斷能力。從換流閥的基本結構和原理出發(fā)，可以認為換流閥短路故障是由整流器短路或逆變器短路引起的。整流器在阻斷期間通常會承受反向電壓，當該反向電壓異常增大時，就會出現(xiàn)逆弧的風險，進而導致瞬時反向?qū)ǎ簿褪前l(fā)生了短路現(xiàn)象。整流器短路通?？梢酝ㄟ^以下特殊來識別：直流母線電壓大幅下降、閥臂反向電流大幅上升、交流側伴隨著兩相短路或三相短路現(xiàn)象。當發(fā)現(xiàn)以上現(xiàn)象時，應首先考慮是否換流閥短路故障。逆變器與整流器不同，它在阻斷期間一般承受正向電壓，如果電壓值異常增大，就很可能會因閥臂絕緣層受損而發(fā)生短路。

3.4 逆變器換相失敗

換相失敗是逆變器的常見故障之一，它是指兩個閥臂在換相時電流未按預定的閥臂進行切換的故障現(xiàn)象。從大量的實踐來看，可能造成換相的原因有很多，但最常見的通常為逆變側換流閥短路、交流聯(lián)接異常、交流電壓突變、逆變角不夠大、觸發(fā)脈沖異常等原因。觸發(fā)脈沖是引導換相閥進行換相動作的重要信號，一旦觸發(fā)脈沖丟失或出現(xiàn)異常，換相自然不會順利進行。交流聯(lián)接故障時可能導致交流欠壓，換流器熄弧角減小，進行造成前閥不能及時動作阻斷而在正壓作用下繼續(xù)導通。換相失敗通常也伴隨著一些常見的特征，例如電流中的工頻分量大于整定值，熄弧角小于預設值，換流變壓器出現(xiàn)偏磁，直流系統(tǒng)中檢測到基波成分等等。當判定系統(tǒng)出現(xiàn)換相失敗故障時，可以采取低壓限流控制、增加換流閥觸發(fā)角及其脈沖等措施來解決。

4結論與展望

直流輸電技術仍在不斷的發(fā)展中，隨著相關基礎理論和無器件工藝的進步，高壓直流輸電系統(tǒng)的換流站建設成本正在不斷下降，交、直流輸電技術的經(jīng)濟平衡點已縮短到700公里。未來幾十年內(nèi)，人們在不斷完善直流輸電技術的同時，也將新的目光轉向更先進的輕型直流輸電技術，通過新型晶閘管構建換流站，進一步提高直流輸電技術的經(jīng)濟性。

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作者簡介：

梅寧（1982-），男，湖北宜昌，研究生，碩士，高級工程師。