特高壓直流一次設(shè)備運行可靠性分析

宋秭霖 程 玲

（1.國網(wǎng)公司運行分公司宜賓特高壓管理處，四川 宜賓 644000； 2.國網(wǎng)四川省電力公司宜賓供電公司，四川 宜賓 644000）

±800kV 特高壓直流工程與±500kV 常規(guī)直流輸電工程在一次設(shè)備上最大的不同是特有的單極雙12 脈動換流器串聯(lián)接線結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)使得特高壓直流工程直流輸電系統(tǒng)擁有45 種可供選擇的運行方式，其中具有實際意義的運行方式有：雙極雙換流器接線、雙極換流器不平衡接線、雙極單換流器接線3 種。多種運行方式的優(yōu)點在于：每個換流模塊相對獨立，提升了工程設(shè)計的可靠性指標，使能量不可利用率小于0.5%，雙極強迫停運率小于0.05次/年，較±500kV 直流輸電工程的0.1 次/年降低50%。除此之外，其還具有雙極高端換流器并聯(lián)融冰運行方式和單換流器在線投退功能[1]。

可靠性是檢驗±800kV 特高壓直流工程安全運行的重要指標。鑒于國內(nèi)±500kV 常規(guī)直流輸電工程具有較成熟的運行模式和較高的可靠性，本文將結(jié)合以往常規(guī)直流工程的運行特點，對具體設(shè)備發(fā)生故障時進行假設(shè)分析。隨后從特高壓直流工程一次設(shè)備的運行特點、應(yīng)對不同程度的冰雪災(zāi)害的融冰模式方面進行對比分析。

1 兩種直流工程的運行方式對比

±800kV 特高壓直流工程主回路接線如圖1（a）所示，其與±500kV 常規(guī)直流輸電工程最顯著的不同為：主回路接線結(jié)構(gòu)采用每極兩個12 脈動換流器串聯(lián)的接線方式[2-3]。其將直流輸電系統(tǒng)電壓由±500kV 提高到了±800kV，雙極共4 個12 脈動換流器，且每極的單12 脈動換流器可以獨立運行。根據(jù)±800kV 特高壓直流工程的主回路接線方式，可以有以下7 類接線運行方式：

1）雙極雙換流器接線運行方式。

2）雙極換流器不平衡接線運行方式8 種（一極完整+另一極1/2）。

3）雙極單換流器接線運行方式16 種。

4）單極雙換流器大地回線運行方式兩種。

5）單極雙換流器金屬回線運行方式兩種。

6）單極單換流器大地回線運行方式8 種。

7）單極單換流器金屬回線運行方式8 種。 總的接線方式共有45 種。

±500kV 常規(guī)直流輸電工程的接線方式如圖1（b）所示，其主回路接線結(jié)構(gòu)為每極一個12 脈動換流器，雙極由兩個12 脈動換流器串聯(lián)組成，共有3 類接線運行方式：

1）雙極雙換流器大地回線運行方式。

2）單極單換流器大地回線運行方式，包括極1、極2 單換流器大地回線運行方式兩種。

3）單極單換流器金屬回線運行方式，包括極1、極2 單換流器金屬回線運行方式兩種。

圖1

總的接線方式共有5 種。

其中，在±800kV 特高壓直流工程正常運行及一次設(shè)備臨時檢修狀態(tài)下，較為常用的運行方式有：雙極雙換流器接線、雙極換流器不平衡接線、雙極單換流器接線三種，如圖2所示。

圖2 特高壓工程常用接線運行方式圖

±500kV 常規(guī)直流輸電工程，較為常用的接線運行方式有：雙極雙換流器大地回線和單極單換流器大地回線。特高壓直流工程中常用運行方式25種，特殊運行方式20 種。常規(guī)直流輸電工程常用運行方式3 種，特殊運行方式兩種。

可見，單純從一次設(shè)備接線運行方式上比較，特高壓直流工程擁有更多的運行方式可供選擇，接線方式更為靈活。特高壓直流工程與常規(guī)直流輸電工程相比，除了采用了每極雙12 脈動換流器串聯(lián)的接線方式外，每個12 脈動換流器的直流側(cè)還并聯(lián)安裝了旁通斷路器和旁路刀閘、陰極刀閘、陽極刀閘，如圖3所示，采用這種接線結(jié)構(gòu)便于實現(xiàn)特高壓直流工程特有的換流器在線投入/退出功能。

圖3 旁路開關(guān)與陰/陽極刀閘

在±800kV 特高壓直流工程中，由于每一個12脈動換流器均可獨立運行，所以每個12 脈動單換流器均可通過控制解鎖/閉鎖時間與旁路區(qū)域一次設(shè)備之間相互配合來實現(xiàn)單個12 脈動換流器的在線投入/退出功能。

正常運行時，如果有一個12 脈動換流器發(fā)生故障，由直流控制系統(tǒng)的相關(guān)順序控制程序來操作與其并聯(lián)的旁路區(qū)域的旁通斷路器、旁通刀閘、陰/陽極刀閘的合閘，與換流器的閉鎖時間相互配合、協(xié)調(diào)控制，來實現(xiàn)故障的12 脈動換流器的在線隔離退出。同時，發(fā)生故障的12 脈動換流器被清除后，極控制系統(tǒng)的順序控制程序在另一個未發(fā)生故障的12脈動換流器不停運的情況下，將清除故障后的12 脈動換流器投入運行，且交/直流系統(tǒng)不產(chǎn)生過大的擾動。當12 脈動換流器在線由停運轉(zhuǎn)入運行時，換流器零功率解鎖，換流器觸發(fā)角由逆變狀態(tài)向整流狀態(tài)移相至90°左右，然后將直流電流升至正常運行電流。整流站和逆變站的旁通斷路器均分閘后，控制系統(tǒng)再調(diào)節(jié)換流器觸發(fā)角將直流側(cè)電壓升高至設(shè)定值。即待投入的換流器以零功率解鎖，此時由于其旁通斷路器處于閉合狀態(tài)，換流器的兩端為短路狀態(tài)，流過電流較小，所以逐漸地減小觸發(fā)角，可使換流器的電流逐漸增大。

2 兩種直流工程融冰方式對比

特高壓直流工程中除了上述的45 種運行方式以外，還有一種特殊的運行方式：雙極高端換流器并聯(lián)融冰運行方式[4]。由于特高壓直流工程中的換流器是按照模塊化原則設(shè)計的，所以需要在兩端換流站內(nèi)增加少量連接線和避雷器，就能方便地通過直流場開關(guān)操作，使換流器的常規(guī)串聯(lián)運行方式切換為雙極的兩個高端換流器并聯(lián)融冰運行方式。

目前，常規(guī)直流工程實際中采用雙極功率異向運行的融冰模式，即一極功率正送運行，另一極功率反送運行的方式，這種運行方式在特高壓直流工程中也可以實現(xiàn)。這種雙極功率異向的預(yù)防性融冰模式的優(yōu)點是不需對主接線進行改動，不增加一次設(shè)備投資，對控制保護系統(tǒng)軟件功能的修改也很少，容易實施。

但由于一次設(shè)備的接線方式?jīng)]有改變，其對輸電線路只能施加至額定值左右的電流，電流值無法進一步提升[5-6]。如果大量覆冰已形成并威脅到輸電線路及桿塔的安全，并需要在很短時間內(nèi)融化覆冰，這種額定的線路電流已不能滿足融冰要求情況下，特高壓直流工程的雙極高端換流器并聯(lián)融冰模式的優(yōu)點便得以體現(xiàn)。由于其雙極兩個高端換流器的接線方式從原有的串聯(lián)方式轉(zhuǎn)換為并聯(lián)接線方式，在額定電壓不變的情況下，可產(chǎn)生遠大于額定電流的直流線路電流，大大增加直流輸電線路的抗冰災(zāi)能力，提高特高壓直流輸電工程在強冰雪氣候條件下的運行可靠性。

3 單12 換流器內(nèi)故障可靠性分析

假設(shè)單12 脈動換流器內(nèi)元器件故障發(fā)生在常規(guī)直流輸電工程中，這將直接導(dǎo)致直流系統(tǒng)單極停運，從而降低了直流輸電系統(tǒng)的運行可靠性[7]。同類故障若發(fā)生在特高壓直流工程中，由于其具有單極雙12 脈動換流器串聯(lián)接線結(jié)構(gòu)和更多可供選擇的運行方式。并可配合換流器在線投退功能，所以當單個換流器發(fā)生故障時，不會導(dǎo)致整個單極停運，對直流系統(tǒng)輸送功率造成的影響較小。

同時故障換流器的隔離檢修過程不會影響同極中的另一個12 脈動換流器的正常運行，更不會造成單極強迫停運，而且故障清除后的12 脈動換流器可在線投入運行，對交、直流系統(tǒng)均不產(chǎn)生過大的擾動。

由于特高壓直流工程的單極停運率比常規(guī)直流輸電系統(tǒng)的單極停運率低，同時雙極故障停運率也會相對較少，單極和雙極停運次數(shù)的減少，系統(tǒng)強迫能量不可用率也會相應(yīng)減少。

因此，特高壓直流工程的單極運行可靠性和能量可用率將遠高于常規(guī)直流輸電工程。

4 結(jié)論

1）通過對特高壓直流工程與常規(guī)直流工程的一次設(shè)備的運行接線方式比較，發(fā)現(xiàn)特高壓直流工程

接線結(jié)構(gòu)的常規(guī)運行方式和特殊運行方式數(shù)量遠大于常規(guī)直流輸電工程。單12 脈動換流器內(nèi)部元器件發(fā)生故障時，可以保證直流輸電系統(tǒng)在不損失直流負荷（輸送功率低于4800MW）的情況下，將故障換流器隔離檢修。不僅為故障設(shè)備的隔離檢修提供很大的便利性，還大大降低了因換流器內(nèi)元器件故障導(dǎo)致單雙極強迫停運的風險，提高了直流輸電系統(tǒng)的可靠性。

2）特高壓直流工程具有雙極4 換流器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過在兩端換流站內(nèi)增加少量連接線、避雷器和直流場一次開關(guān)的操作，便可改變直流場一次設(shè)備的接線結(jié)構(gòu)，形成雙極高端換流器并聯(lián)運行的方式。直流輸電線路上的電流遠大于系統(tǒng)的額定電流，因此其融冰能力顯著提高。

[1] 劉振亞.特高壓電網(wǎng)[M].北京: 中國經(jīng)濟出版社,2005.

[2] 舒印彪.中國直流輸電的現(xiàn)狀及展望[J].高電壓技術(shù),2004,30(11): 1-2,20.

[3] 邰超,秦松林,肖登明.特高壓直流輸電線下的直流離子流電場[J].電氣技術(shù),2012,3(3): 6-9.

[4] 舒印彪,劉澤洪,高理迎,等.±800kV 6400MW 特高壓直流輸電工程設(shè)計[J].電網(wǎng)技術(shù),2006,30(1): 1-8.

[5] 周鋒.均壓環(huán)對覆冰特高壓直流復(fù)合絕緣子電場分布的影響[J].電氣技術(shù),2011(12): 24-27.

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

[7] 岳麗霖,連美霞.±800kV 奉賢換流站的結(jié)構(gòu)與功能特點[J].電氣技術(shù),2011(12): 113-115.