直流輸電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)和提高可靠性的措施

[ 摘要] ±800 kV 直流輸電工程的電壓等級(jí)高、輸送容量大, 出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)交流系統(tǒng)的影響較大, 在電力系統(tǒng)中的地位非常重要, 對(duì)可靠性要求很高。因此, 分析影響直流系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和關(guān)鍵設(shè)備, 研究提高直流輸電系統(tǒng)可靠性及可用率的措施, 在即將建設(shè)的±800 kV 直流輸電工程中加以應(yīng)用就顯得十分必要。在總結(jié)以往直流工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 結(jié)合±800 kV 特高壓直流輸電工程實(shí)際情況, 提出提高特高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性及可用率的措施。

0 引言

高壓直流輸電具有傳輸功率大, 線路造價(jià)低,控制性能好等優(yōu)點(diǎn), 是目前世界上發(fā)達(dá)國(guó)家作為高電壓、大容量、長(zhǎng)距離送電和異步聯(lián)網(wǎng)的重要手段。在我國(guó)也因“西電東送, 南北互供, 全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”而成為電力建設(shè)的熱點(diǎn)。直流輸電工程是一個(gè)復(fù)雜的工程系統(tǒng), 且多數(shù)情況下承擔(dān)大容量、遠(yuǎn)距離輸電和聯(lián)網(wǎng)任務(wù), 尤其對(duì)于±800 kV 直流輸電工程而言, 其電壓等級(jí)高、輸送容量大, 在電力系統(tǒng)中的地位十分重要, 因此對(duì)直流輸電工程的可靠性要求很高。直流系統(tǒng)可靠性直接反映直流系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、工程建設(shè)以及運(yùn)行等各個(gè)環(huán)節(jié)的水平。通過(guò)直流系統(tǒng)可靠性分析, 可以提出改善工程可靠性的具體措施, 對(duì)新建工程提出合理的指標(biāo)要求。本文在總結(jié)以往直流工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 結(jié)合±800 kV特高壓直流輸電工程實(shí)際情況, 從工程實(shí)際角度出發(fā), 提出了提高特高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性及可用率的具體措施。

1 直流系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)介紹

可靠性是一個(gè)系統(tǒng)無(wú)故障連續(xù)運(yùn)行能力的一種考量。直流輸電工程的可靠性是指在規(guī)定的系統(tǒng)條件和環(huán)境條件下, 在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)傳輸一定能量的能力。直流輸電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)總計(jì)超過(guò)10項(xiàng), 這里只介紹停運(yùn)次數(shù)、降額等效停運(yùn)小時(shí)、能量可用率、能量利用率等4 項(xiàng)主要可靠性指標(biāo)[1]。

停運(yùn)次數(shù): 包括由于系統(tǒng)或設(shè)備故障引起的強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)。對(duì)于常用的雙極直流輸電系統(tǒng), 可分為單極停運(yùn), 以及由于同一原因引起的2 個(gè)極同時(shí)停運(yùn)的雙極停運(yùn)。對(duì)于每個(gè)極有多個(gè)獨(dú)立換流器的直流輸電系統(tǒng), 停運(yùn)次數(shù)還可以統(tǒng)計(jì)到換流器停運(yùn)。不同的停運(yùn)代表對(duì)系統(tǒng)不同水平的擾動(dòng)。降額等效停運(yùn)小時(shí): 直流輸電系統(tǒng)由于全部或者部分停運(yùn)或某些功能受損, 使得輸送能力低于額定功率稱為降額運(yùn)行。

降額等效停運(yùn)小時(shí)是: 將降額運(yùn)行持續(xù)時(shí)間乘以一個(gè)系數(shù), 該系數(shù)為降額運(yùn)行輸送損失的容量與系統(tǒng)最大連續(xù)可輸送電容量之比。

能量可用率: 衡量由于換流站設(shè)備和輸電線路(含電纜)強(qiáng)迫和計(jì)劃停運(yùn)造成能量傳輸量限制的程度, 數(shù)學(xué)上定義為統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)直流輸電系統(tǒng)各種狀態(tài)下可傳輸容量乘以對(duì)應(yīng)持續(xù)時(shí)間的總和與最大允許連續(xù)傳輸容量乘以統(tǒng)計(jì)時(shí)間的百分比。

能量利用率: 指統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)直流輸電系統(tǒng)所輸送的能量與額定輸送容量乘以統(tǒng)計(jì)時(shí)間之比。

以上可靠性指標(biāo)是衡量直流輸電系統(tǒng)可靠性的主要技術(shù)指標(biāo)。

2 影響直流輸電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的主要因素

直流輸電系統(tǒng)整體的可靠性是和組成整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)元件、系統(tǒng)的接線方式、控制保護(hù)、運(yùn)行方式息息相關(guān)的。在對(duì)以往的直流輸電工程可靠性分析的基礎(chǔ)上可以看到影響直流輸電系統(tǒng)可靠性的因素主要有以下幾個(gè)。

2.1 控制保護(hù)系統(tǒng)

高壓直流輸電與交流輸電相比較的一個(gè)顯著特點(diǎn)是可以通過(guò)對(duì)兩端換流站的快速調(diào)節(jié), 控制直流線路輸送功率的大小和方向, 以滿足整個(gè)交直流聯(lián)合系統(tǒng)的運(yùn)行要求, 也就是說(shuō)直流輸電系統(tǒng)的性能,極大地依賴于它的控制系統(tǒng)。提高控制系統(tǒng)的可靠性是提高直流輸電系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。提高直流輸電控制系統(tǒng)可靠性的首要任務(wù)就是加強(qiáng)自檢覆蓋率和準(zhǔn)確率、采用多重化和分布式設(shè)計(jì); 克服目前換流技術(shù)易換相失敗的弊病, 避免多回直流落點(diǎn)相對(duì)集中時(shí)威脅極大的換相失敗; 發(fā)展遠(yuǎn)方控制或無(wú)人值守的控制保護(hù)和通信技術(shù), 提高效率、增強(qiáng)統(tǒng)一調(diào)度和各直流工程間的協(xié)調(diào)配合, 進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性[2]。

2.2 換流站主接線

現(xiàn)代高壓直流工程中均采用12 脈動(dòng)換流器作為基本換流單元, 以減少換流站所設(shè)置的特征諧波濾波器。每個(gè)12 脈動(dòng)換流單元通常由2 個(gè)交流側(cè)電壓相位差30°的6 脈動(dòng)換流單元在直流側(cè)串聯(lián)而在交流側(cè)并聯(lián)所組成的, 換流變閥側(cè)繞組, 一個(gè)是Y接線, 一個(gè)是△接線。換流閥通常有以下幾種接線型式( 圖1) : 型式1, 每極1 個(gè)12 脈動(dòng)閥組; 型式2, 每極由多個(gè)12 脈動(dòng)閥組串聯(lián); 型式3, 每極由多個(gè)12脈動(dòng)閥組并聯(lián); 型式4, 每極由多個(gè)12 脈動(dòng)閥組串聯(lián)和并聯(lián)的組合。

從系統(tǒng)可靠性及系統(tǒng)可用率看, 型式1 兩端換流站整個(gè)雙極系統(tǒng)兩極兩端的4 個(gè)換流單元, 任何一個(gè)因故障停運(yùn), 將使系統(tǒng)損失一半輸送能力; 型式2 每個(gè)換流單元可以單獨(dú)控制, 實(shí)現(xiàn)不平衡運(yùn)行, 任一個(gè)換流單元因故障退出運(yùn)行, 僅失去25%的可用率。如果可控硅元件的制造水平可以滿足每個(gè)極1個(gè)換流單元的要求, 那么, 分成2 個(gè)換流單元后, 不會(huì)大量增加元件數(shù)量, 在不考慮配套的換流變壓器和開關(guān)的故障率的情況下, 極換流器故障次數(shù)增加很少。而且, 可以減少檢修次數(shù)和時(shí)間。因此, 即使考慮增加設(shè)備的故障率, 系統(tǒng)的可用率還是相對(duì)增加,可靠性增強(qiáng)。

2.3 換流變主接線

換流變壓器的接線方式主要是根據(jù)換流器的接線方式, 結(jié)合換流變的制造、安裝和運(yùn)輸能力確定每個(gè)換流單元所對(duì)應(yīng)的換流變壓器類型及接線。每個(gè)換流單元連接的換流變壓器的類型有以下幾種[3]:

( 1) 1 臺(tái)三相三繞組變壓器, 接線型式為Y/Y/Δ。

( 2) 2 臺(tái)三相雙繞組變壓器, 一臺(tái)為Y/Y 型接線, 另一臺(tái)為Y/Δ接線。

( 3) 3 臺(tái)單相三繞組變壓器, 接線型式為Y/Y/Δ。

( 4) 6 臺(tái)單相雙繞組變壓器, 其中3 臺(tái)接線型式為Y/Y, 另外3 臺(tái)接線型式為Y/Δ。

從可靠性及可用率角度看, 假定不同類型的換流變壓器的故障率和平均修理時(shí)間是相同的, 則由于采用三相三繞組變壓器臺(tái)數(shù)最少, 因此對(duì)于一個(gè)換流單元, 它的能量可用率和可靠性最高。換流變壓器的4 種類型接線中, 類型( 1) 可靠性最高, 類型( 2)及( 3) 次之, 類型( 4) 較低。因此, 在換流變的制造、安裝和運(yùn)輸能力具備的條件下, 應(yīng)優(yōu)先采用類型( 1)以提高系統(tǒng)的可靠性及可用率。對(duì)于±800 kV 特高壓直流輸電工程, 換流變電壓等級(jí)高、容量大, 考慮到換流變的制造、安裝和運(yùn)輸能力, 采用以上類型( 1) 、( 2) 或( 3) 均具有相當(dāng)大的難度, 采用類型( 4) 是最為現(xiàn)實(shí)的, 因此, 為提高±800 kV 特高壓直流輸電工程的可靠性和可用率, 要求這種變壓器有較低的故障率和較少的修理時(shí)間。

2.4 500 kV 交流濾波器分組及接線

根據(jù)目前直流工程的研究成果, 交流濾波器組可能的接線方案有: ( 1) 交流濾波器分成四大組接入3/2 斷路器接線串中; ( 2) 交流濾波器小組直接接母線; ( 3) 交流濾波器分成兩大組, T 接每極換流變壓器; ( 4) 交流濾波器小組直接接入3/2 斷路器接線串中。從可靠性角度看, 方案( 4) 可靠性最高; 方案( 1)可靠性較方案( 4) 稍低, 該方案濾波器投切靈活, 且便于兩極間的相互備用, 適應(yīng)性好; 方案( 2) 接線會(huì)降低主母線的可靠性; 方案( 3) 為交流濾波器按極配置, 在國(guó)外一些工程中有運(yùn)用, 其主要缺點(diǎn)是不便于交流濾波器兩極間的相互備用, 而且增加了換流變壓器進(jìn)線故障的幾率。從可靠性角度看, 首推方案( 4) , 但其投資太大, 目前很少采用。國(guó)內(nèi)大多數(shù)直流輸電工程采用可靠性高且投切靈活的方案( 1) 。

2.5 主要設(shè)備對(duì)直流輸電系統(tǒng)可靠性的影響

2.5.1 換流器

換流器的故障分為如下3 類:

閥的觸發(fā)失敗和誤導(dǎo)通, 是由控制和觸發(fā)設(shè)備的各種故障造成的。這些故障發(fā)生在逆變側(cè)的概率更高, 并將導(dǎo)致更為嚴(yán)重的后果。

換相失敗, 是由于外部交流或直流電路條件的變化, 加之逆變器熄弧角預(yù)置控制不當(dāng)造成的。交流電壓偏低, 直流電流偏大, 都可能使得換相不能在足夠的時(shí)間內(nèi)完成。

換流站內(nèi)部短路, 此故障非常少見(jiàn), 起因可能是接地開關(guān)誤操作, 或絕緣老化和避雷器失效。

2.5.2 交流系統(tǒng)

(1) 三相短路故障

若故障發(fā)生在整流側(cè), 則不需要采取特殊的控制措施, 而離逆變器足夠近的故障將造成換相失敗。

(2) 不對(duì)稱故障

故障時(shí), 通過(guò)一系列操作進(jìn)行故障隔離后, 系統(tǒng)可以降低功率繼續(xù)運(yùn)行。

(3) 交流濾波器

據(jù)統(tǒng)計(jì), 濾波回路中電容器的故障率與時(shí)間有關(guān), 用于可用度計(jì)算的故障率為一年0.2%, 但期望值為0.05%, 保證值為0.1%。濾波器分組的停運(yùn)不會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)迫極停運(yùn), 或電能傳輸中斷。因此濾波器對(duì)可靠度影響極小。

2.5.3 直流線路

直流線路故障比內(nèi)部短路更為頻繁, 現(xiàn)今幾條重要高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明, 直流架空線接地故障是強(qiáng)迫停運(yùn)的主要原因[4~6]。直流架空線故障的原因有雷擊、滑坡、植物、風(fēng)等。直流濾波器故障不會(huì)造成強(qiáng)迫極停運(yùn)。

2.5.4 控制和保護(hù)系統(tǒng)

由于不會(huì)觸發(fā)跳閘信號(hào), 控制設(shè)備故障對(duì)傳輸系統(tǒng)沒(méi)有直接影響, 因而不加考慮。但為了防止備用耗盡, 控制和保護(hù)系統(tǒng)必須是“熱維修”,“維修”包括故障電路板或插件的替換, 且沒(méi)有額外的延時(shí)。

2.5.5 開關(guān)設(shè)備

計(jì)算開關(guān)設(shè)備的可用度時(shí), 較為困難的是如何計(jì)算隔離開關(guān)的故障率。一方面, 絕大多數(shù)故障出現(xiàn)于配件箱和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng), 然而這些故障并不會(huì)在正常運(yùn)行時(shí)引發(fā)極停運(yùn), 因?yàn)榇藭r(shí)不需要隔離開關(guān)動(dòng)作。另一方面, 當(dāng)出現(xiàn)開關(guān)命令而隔離開關(guān)無(wú)法遙控時(shí),仍有可能用手動(dòng)方式執(zhí)行開關(guān)命令, 因而要區(qū)別隔離開關(guān)的靜態(tài)故障率和動(dòng)態(tài)故障率。動(dòng)態(tài)故障率是隔離開關(guān)作為一個(gè)部件時(shí)的故障率; 而低得多的靜態(tài)故障率只計(jì)及引起極停運(yùn)的故障, 如引發(fā)接地故障的瓷套或焊點(diǎn)破裂。計(jì)算極停運(yùn)時(shí), 要考慮開關(guān)設(shè)備的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)故障率。

3 高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估

特高壓換流站可靠性評(píng)估中, 主要考慮以下因素: ( 1) 考慮到設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況, 模型僅包含雙極正常運(yùn)行、單極金屬回路、單極大地回路運(yùn)行方式。( 2) 對(duì)有旁路開關(guān)回路接線, 任意一個(gè)12 脈動(dòng)換流單元發(fā)生故障都可以獨(dú)立退出而不影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行, 且不考慮設(shè)備過(guò)載運(yùn)行允許增供的容量。但是當(dāng)6 脈動(dòng)橋故障退出運(yùn)行時(shí), 與之組成12 脈動(dòng)換流單元的剩余橋必須同時(shí)退出。( 3) 忽略三重及三重以上故障事件。( 4) 考慮設(shè)備維護(hù)時(shí)發(fā)生故障情況。( 5) 考慮設(shè)備安裝過(guò)程。( 6) 由于正常運(yùn)行中, 刀閘S, Sp 均不動(dòng)作, 故不考慮其故障影響。直流側(cè)的濾波器、平波電抗器等設(shè)備可等效為一個(gè)極設(shè)備元件。

EDSA 是一面向電力工程應(yīng)用的專業(yè)軟件。它主要由2 部分構(gòu)成: 一是系統(tǒng)仿真圖形繪制, 二是專業(yè)計(jì)算仿真分析。從功能上看, EDSA 可以完成各種形式的短路計(jì)算、潮流計(jì)算、暫態(tài)分析、諧波分析和可靠性分析等諸多方面, 并提供了豐富的幫助文件。其中, 可靠性可以對(duì)配電系統(tǒng)、變電站進(jìn)行評(píng)估, 采用狀態(tài)空間模型對(duì)設(shè)定的可靠性模型進(jìn)行分析計(jì)算。通過(guò)EDSA 可靠性計(jì)算, 可以直接得到某一負(fù)荷點(diǎn)的年故障次數(shù)、停運(yùn)持續(xù)時(shí)間、可靠度、年停電損失等。在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步計(jì)算得到其他可靠性指標(biāo)。

3.1 可靠性數(shù)據(jù)和主要的計(jì)算結(jié)果

通過(guò)EDSA 對(duì)換流站主接線的可靠性進(jìn)行了計(jì)算。通過(guò)綜合分析國(guó)內(nèi)運(yùn)行數(shù)據(jù)及國(guó)外設(shè)備可靠性數(shù)據(jù), 本計(jì)算采用表1 中數(shù)據(jù)作為計(jì)算依據(jù)。

采用EDSA 可靠性軟件包對(duì)雙極12 脈動(dòng)換流單元串聯(lián)情況進(jìn)行了計(jì)算, 結(jié)果如表2、3。