巴西高壓直流輸電運行情況及啟示

劉云

（國家電網(wǎng)巴西控股公司，巴西 里約熱內(nèi)盧 20071004）

0 引言

與中國能源分布相似，巴西能源中心和負荷中心呈逆向分布。巴西以水電為主，水電中心遠離里約和圣保羅等南部和東南部負荷中心。水電資源分布和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的不均衡性決定了需要在更大范圍內(nèi)進行電力資源優(yōu)化配置。高壓直流工程在伊泰普、馬德拉河上游以及美麗山大型水電中心的電力外送中占據(jù)重要地位，滿足了電網(wǎng)長距離、大容量的輸電需求。同時，巴西與周邊多個國家的電網(wǎng)頻率不同，背靠背直流工程在巴西與周邊國家非同步國際聯(lián)網(wǎng)和電能交換中發(fā)揮了重要作用[1-6]。

巴西直流輸電工程發(fā)展歷史長，積累了大量設(shè)計、建設(shè)和運營的數(shù)據(jù)及經(jīng)驗[7-8]。目前，中資企業(yè)已經(jīng)擁有巴西新投運的美麗山直流輸電工程特許經(jīng)營權(quán)。依托中資企業(yè)豐富的特高壓直流輸電工程經(jīng)驗和結(jié)合巴西直流輸電工程的本地特點，美麗山直流輸電工程從多方面入手確保工程長期安全穩(wěn)定運行[9-11]。

1 工程基本情況

20 世紀80 年代投運的巴西伊泰普電力外送± 600 kV 直流輸電工程是巴西直流輸電發(fā)展史上的里程碑。隨后，巴西陸續(xù)建設(shè)了烏魯瓜亞納、加拉比（2 單元）等項背靠背直流聯(lián)網(wǎng)輸電工程，分別實現(xiàn)了與鄰國阿根廷和烏拉圭電網(wǎng)非同步聯(lián)網(wǎng)。近十多年，巴西直流輸電工程發(fā)展迅速，陸續(xù)建成投運了馬代拉（圣安東尼奧水電站、吉拉烏水電站）和美麗山等4 項電力外送高壓直流輸電工程。截止2019 年底，巴西已投運高壓直流輸電工程11 項，其中長距離輸電工程6 項，背靠背工程5 項。未來還將規(guī)劃建設(shè)長距離高壓直流輸電工程4 項，加強北電南送輸電和聯(lián)網(wǎng)通道，見圖1和表1[3-4,12]。

2 工程運行情況

巴西直流工程建設(shè)和投運時間跨度較大，關(guān)鍵設(shè)備供應(yīng)商多，管理考核方式不同。有些工程運行已經(jīng)超過30 年設(shè)計壽命或首個特許經(jīng)營權(quán)期限，有些工程時間較短。不同工程不同運行階段數(shù)據(jù)綜合體現(xiàn)了巴西直流工程建設(shè)、運行和維護特點。

圖1 巴西電網(wǎng)骨干網(wǎng)網(wǎng)架Fig.1 Backbone structure of Brazil power grid

表1 巴西電網(wǎng)中已投運和規(guī)劃的高壓直流輸電工程Table 1 HVDC projects having been put into operation and planned in Brazil power grid

2.1 ±600 kV 伊泰普直流輸電工程運行情況

伊泰普直流輸電工程的I 回極1 和極2 分別于1984 年和1985 年投運；II 回雙極于1987 年投運?？紤]到部分主設(shè)備已超過工程設(shè)計壽命，運維單位已經(jīng)密切監(jiān)視并持續(xù)更新了部分設(shè)備，顯著影響近年運行的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。因此，本次重點分析1991—2016 年工程運行情況[13-17]。

1991—2016 年，伊泰普 ±600 kV 直流輸電工程能量可用率（energy availability，EA），第I 回雙極平均能量可用率95.05%，第 II 回雙極平均能量可用率95.85%，具體情況見圖2[14-17]。

按照引起停運的故障設(shè)備分類，總故障停運次數(shù)和故障處理時間情況見圖3。

閥和交流設(shè)備故障引起的停運時間占總停運時間75%，是影響工程能量可用率的主要原因。表2 列出歷年來伊泰普 ±600 kV 直流輸電工程導(dǎo)致能量強迫不可用率（forced energy unavailability，F(xiàn)EU）超過1%的10 次嚴重設(shè)備故障情況，其中直流線路倒塔故障5 次，換流變故障2 次，閥火災(zāi)2 次，直流電流互感器爆炸1 次。

雙回±600 kV 伊泰普直流輸電工程總計配置48 臺在運和8 臺備用換流變壓器。從投運至2014 年，換流變壓器故障27 次。按照故障類型分類，除1 次為外部短路外，其他26 次均為換流變壓器交、直流繞組本體故障。按照故障發(fā)生的時間分類，1983/1985—1990 年故障12 次，1991—2000 年故障2 次，2001—2014 年故障13 次，呈現(xiàn)出典型的浴盆曲線。換流變壓器和換流閥故障均發(fā)生因備件不足或備品不可用導(dǎo)致?lián)屝迺r間延長，工程長期停運的情況。

據(jù)統(tǒng)計，1993—2014 年，伊泰普±600 kV2回直流輸電線路故障237 次，其中全壓再啟動成功的瞬時故障156 次（65.8%），平均0.441 次/（極·100 km·年）；降壓再啟動成功的瞬時故障21 次（8.9%），平均0.059 次/（極·100 km·年）；永久故障60 次（25.3%），平均0.170 次/（極·100 km·年）。主要故障原因是雷電、大風(fēng)、火災(zāi)、樹木、車輛撞擊鐵塔等。

2.2 ±600 kV 馬代拉直流輸電工程運行情況

±600 kV 馬代拉I 回直流輸電工程于2013 年投運。±600 kV 馬代拉 II 回直流輸電工程持續(xù)監(jiān)測和更新接地極和主控制系統(tǒng)，運行方式受到影響，此次不納入討論[18-21]。

2013—2016 年，±600 kV 馬代拉I 回直流輸電工程年能量可用率均大于99%，2017 年為95.03%，詳情見圖4[22-23]。

圖3 1991—2016 年伊泰普雙回±600 kV 直流輸電工程設(shè)備故障導(dǎo)致停運情況Fig.3 Shutdown caused by equipment failures in the double circuit Itaipú ±600 kV HVDC transmission projects from 1991 to 2016

按照設(shè)備故障類型分類，2014—2016 年不同類型設(shè)備停運檢修情況見表3，其中，換流變壓器和交流設(shè)備停電檢修時間占總停運時間54.8%，是影響工程能量可用率的主要原因[22-23]。圖5 為2014—2016 年±600 kV 馬代拉I 回直流輸電工程按設(shè)備原因分類的故障停運情況。

典型故障情況包括：

1）2015 年9 月28 日，受端阿拉拉夸拉2 換流站更換1 相備用換流變耗時8.8 d，占當(dāng)年能量不可用率的63.2%。

2）2015 年10 月10 日，搶修接地極線路倒塔故障，耗時7.1 d，未影響直流送電。

3）2016 年10 月16 日，搶修極2 閥水冷系統(tǒng)泄漏故障，耗時25.28 h，占當(dāng)年能量不可用率的29.8%。

4）2017 年3 月23 日，受端阿拉拉夸拉2 換流站處理極1 換流變A 相有載分接開關(guān)故障，耗時41.63 d，占當(dāng)年能量不可用率的57.4%。原因是換流變有載分接開關(guān)操作部件因頂蓋密封不良發(fā)生漏水，導(dǎo)致部件長期浸水銹蝕嚴重，存在導(dǎo)致?lián)Q流變爆炸的風(fēng)險。此外，還發(fā)現(xiàn)有載開關(guān)部件存在兩處裂紋及絕緣不足等異常。

此外，由于當(dāng)?shù)厮畮熳兏O(shè)計，洪水淹沒鐵塔基礎(chǔ)，導(dǎo)致直流線路若干鐵塔異地安裝，耗時82.6 h。這屬于免責(zé)范圍，不執(zhí)行罰款。

表2 1991—2016 年雙回±600 kV 伊泰普直流輸電工程重要設(shè)備故障原因?qū)е峦＿\情況Table 2 Main shutdown caused by equipment failures in the double circuit Itaipú ±600 kV HVDC transmission projects from 1991 to 2016

圖4 2013—2017 年±600 kV 馬德拉I 回 直流輸電工程運行指標(biāo)Fig.4 Operating indices of the ±600 kV Madeira I HVDC project from 2013 to 2017

表3 2014—2016 年±600 kV 馬德拉I 回直流輸電工程按設(shè)備原因分類的故障停運情況Table 3 Shutdown due to equipments failures in ±600 kV Madeira I HVDC transmission project from 2014 to 2016

2014—2015 年，±600 kV 馬代拉II 回高壓直流線路多次受到破壞，超過20 級塔受損。特許權(quán)公司組織大力量進行搶修，搶修費用超過1000 萬雷亞爾。由于多種原因，該線路運行情況受到一定限制。

2014—2017 年，±600 kV 馬代拉I 回 直流輸電工程按照REN 191/2005、REN 729/2016 和REN 669/2015 等巴西輸電監(jiān)管規(guī)則，從政府獲取特許經(jīng)營收益，平均罰款（parcela variável por indisponibilidade, PVI）比例為5.11%，各季度在0～24%間浮動，詳見圖6。

圖5 2014-—2016 年±600 kV 馬德拉I 回直流輸電工程按設(shè)備故障分類的故障停運情況Fig.5 Shutdown classified by equipment failures in ±600 kV Madeira I HVDC transmission project from 2014 to 2016

2.3 背靠背直流輸電工程運行情況

5 個直流背靠背單元總體運行情況良好。烏魯瓜亞納背靠背單元2015—2017 年能量可用率分別為99.84%，99.48%，99.45%。從2014 年至今，馬代拉兩回背靠背工程能量可用率一直維持在99%以上，如圖7 所示。配合設(shè)備計劃檢修是影響背靠背直流能量可用率的主要原因。

±800 kV 美麗山直流輸電工程投運時間短，暫不統(tǒng)計運行情況。

3 挑戰(zhàn)及啟示

3.1 監(jiān)管和考核嚴格

特許經(jīng)營公司(sociedade de propósito específico，SPE)是巴西輸電行業(yè)的主體，負責(zé)確保所轄輸電系統(tǒng)可靠、可用。交、直流工程運營收益(receita annual permitida，RAP)計算主要依據(jù)3 項監(jiān)管規(guī)則[24-27]。

1）REN 191/2005—年許可收益和支付基數(shù)的定義(defini??o das FTs e pagamentos base)。

圖6 2014—2017 年±600 kV 馬德拉I 回直流輸電平均罰款比例Fig.6 PVI of ±600 kV Madeira I HVDC transmission project from 2014 to 2017

圖7 2013—2017 年馬代拉雙回背靠背工程的能量可用率Fig.7 Energy availability of two Madeira back-to-back units from 2013 to 2017

2）REN 729/2016—公共輸電服務(wù)質(zhì)量(qualidade do servi?o público de transmiss?o de energia elétrica)。

3）REN 669/2015—最低檢修要求(requisitos mínimos de manuten??o)。

巴西輸電企業(yè)眾多，規(guī)模和管理水平差別大。截至 2018 年9 月，巴西共有 125 家輸電公司，203項輸電特許權(quán)經(jīng)營合同。2017—2018 年，巴西各輸電公司運營年度許可收入(RAP)情況見圖8。

交流工程運維年度罰款與年度收入比例，全輸電行業(yè)整體穩(wěn)定在1%～2%左右。直流輸電工程每年運維罰款比例波動大，總體偏高，見圖9。

若干電力公司交直流收入和罰款差別更大。例如，某EB 輸電公司，2016 年高壓直流輸電工程年度運營收入扣減（PV）率為6.7%，而同期高壓交流輸電工程為1.4%，見圖9；EN 公司則分別為5.2%和1.4%，見圖10 和圖11。兩家公司直流輸電工程年度運營收入扣減率均超過交流工程的3 倍。

圖8 2017—2018 年度各輸電公司年度運營許可收入Fig.8 RAP of the Brazilian power transmission companies from 2017 to 2018

圖9 巴西高壓直流輸電設(shè)施和高壓交流輸電線路的年度運營許可收入占比和年度運營收入扣減占比Fig.9 RAP and PV ratio of Brazilian HVDC transmission facilities and HVAC transmission lines

目前，在同樣的監(jiān)管和考核規(guī)則下，與交流輸電工程相比，高壓直流工程已承受更加激進的運維罰款比例，產(chǎn)生直流輸電工程投資與收益事實上的顯著失衡。高壓直流輸電工程改善動態(tài)和靜態(tài)系統(tǒng)性能的貢獻未受到合理的經(jīng)濟補償和獎勵，導(dǎo)致投資者對直流輸電工程投資收益產(chǎn)生疑慮。

依托中國長期積累的完備的高壓直流工程運營管理制度，除逐步完善工程自身運維管理制度外，美麗山特高壓直流工程團隊正在參與巴西監(jiān)管規(guī)則調(diào)整進程，加大中國高壓直流工程管理和行業(yè)監(jiān)管規(guī)則和經(jīng)驗推介力度，擴大行業(yè)技術(shù)和管理共識，扭轉(zhuǎn)對高壓直流輸電工程不利的運維監(jiān)管局面。例如，依托中國特高壓常規(guī)采用的低負荷時期預(yù)防性檢修和帶電檢修消缺等方案，持續(xù)深入分析和廣泛討論優(yōu)化巴西最小檢修策略本地化實施路徑，優(yōu)化直流系統(tǒng)檢修計劃和方案，兼顧提高系統(tǒng)可靠性和降低運營成本。

圖10 2016 年某EB 電力公司高壓直流輸電和高壓交流輸電的年度運營許可收入和年度運營收入扣減.Fig.10 RAP and PV of HVDC transmission project and HVAC transmission projects of a certain EB power company in 2016

圖11 2016 年某EN 電力公司高壓直流輸電和高壓交流輸電的年度運營許可收入和年度運營收入扣減Fig.11 RAP and PV ratio of HVDC transmission project and HVAC transmission project of a certain EN power company

3.2 直流線路維護復(fù)雜

巴西的地理和氣候條件優(yōu)越，影響直流輸電線路運行的主要災(zāi)害依次為雷電，火災(zāi)，植物生長，農(nóng)用車事故。輸電系統(tǒng)架空線路設(shè)計、建設(shè)和運維充分適應(yīng)了當(dāng)?shù)貙嶋H情況。

3.2.1 拉線塔比例高

與中國高壓輸電線路以自立塔為主不同，巴西架空線路中拉線塔比例普遍較大，極大地節(jié)省了工程材料和建設(shè)投資。例如，±600 kV 伊泰普高壓直流輸電線路約80%為拉線塔，典型重量為5T；而自立塔典型重量約為9T?！?00 kV 美麗山I 回高壓直流輸電線路拉線塔占71%，自立塔占29%?！?00 kV 美麗山II 回拉線塔占70%，自立塔占30%。

3.2.2 線路維護任務(wù)重

直流線路途經(jīng)地區(qū)植被茂盛，尤其是±800 kV美麗山直流線路途經(jīng)廣大的亞馬遜雨林地區(qū)，植被清理任務(wù)重，年植被清理面積約為線路走廊的5%。此外，人為破壞情況時有發(fā)生。直流線路途經(jīng)大量原始部落和治安復(fù)雜地區(qū)，人為破壞線塔情況占據(jù)一定比例?；馂?zāi)和車輛機械碰撞鐵塔也有發(fā)生。例如，2017 年1 月底，±600 kV 馬代拉II 回直流線路發(fā)生人為破壞鐵塔，檢修人員修復(fù)，并對75 級塔進行檢查。

3.2.3 直流雙回線路走廊相近

伊泰普、馬代拉和美麗山電力外送均分別建設(shè)兩回長距離直流輸電工程，線路走廊同向建設(shè)，大部分地理位置相近。線路維護方面材料和人員已經(jīng)形成良好的協(xié)同效應(yīng)。

3.3 啟示

3.3.1 建設(shè)完善快速的設(shè)備服務(wù)體系

美麗山特高壓直流輸電工程設(shè)備運維著力應(yīng)對多方面挑戰(zhàn)：一是設(shè)備廠家眾多，巴西境外采購比例高，部分設(shè)備供貨周期長；二是巴西境內(nèi)直流輸電工程運維人員和隊伍跨工程協(xié)作比例低。工程注重依托和借鑒中資企業(yè)嚴密的專業(yè)技術(shù)管理體系和運維人員豐富的經(jīng)驗、充實工程備品備件、完善快速巴西境外零部件采購運輸服務(wù)體系、完善高效的海外特高壓直流輸電工程的運維體系、構(gòu)建嚴密的本地設(shè)備服務(wù)的支撐體系等，有力地支撐了工程的建設(shè)和長期運維。截止2019年底，國家電網(wǎng)公司已經(jīng)建設(shè)投運10 回±800 kV特高壓直流輸電工程，線路總長17245 km，總換流容量167.2 GW，強迫停運次數(shù)和強迫能量不可用率等關(guān)鍵可靠性指標(biāo)居于世界前列。國網(wǎng)公司高壓直流輸電工程歷年單極年平均強迫停運次數(shù)，從2003 年的3.5 次/極年降低 至2019 年的0.2 次/極年，降低了94.3%，見圖12[9]。

圖12 2003—2018 年國網(wǎng)公司高壓直流工程單極年平均強迫停運次數(shù)Fig.12 Annual mean forced single-pole shutdown times of SGCC HVDC projects from 2003 to 2018

3.3.2 融合不同工程管理規(guī)范

±800 kV 美麗山直流輸電工程運維需要應(yīng)對與中國不同的管理和考核體系的挑戰(zhàn)。一是特許經(jīng)營公司通過合同協(xié)議等協(xié)調(diào)和兄弟電力企業(yè)間運營活動。各公司技術(shù)管理經(jīng)驗和水平參差不齊，立足各自所轄資產(chǎn)設(shè)備安全性，執(zhí)行各自企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致協(xié)調(diào)工作難度大。二是巴西直流輸電工程運營監(jiān)管和考核規(guī)則嚴苛，特許經(jīng)營公司面臨的運營壓力大。

4 結(jié)語

高壓直流輸電工程在巴西輸電網(wǎng)中占據(jù)重要地位。截止2019 年底，巴西已投運11 項高壓直流輸電工程，未來還將規(guī)劃建設(shè)4 項長距離高壓直流輸電工程。巴西背靠背直流工程整體運行情況良好。長距離直流輸電工程能量可用率受閥、換流變和交流設(shè)備運行工況及檢修時間影響大，同時，直流輸電線路運維工作量大。巴西高壓直流輸電工程運營的監(jiān)管和考核規(guī)則具有挑戰(zhàn)性，特許運營工作面臨提高運行可靠性和降低運營成本的雙重壓力。依托豐富的高壓直流工程技術(shù)和管理經(jīng)驗，中資企業(yè)有力支撐 美麗山直流輸電工程建設(shè)和運維，并有利于中國特高壓技術(shù)國際化道路行穩(wěn)致遠。