±800kV特高压换流站可靠性评估.pdf

第 3 o卷第 3 期 2 O O 7年 o 6月 四 川 I电 力 技 术 S ic h u a n El e c t r i c P o we r T e c h n o l o g y V o 1 3 0。 No 3 J u n 2 0 0 7 4 - 8 0 0 k V特高压换流站可靠性评估 胡晓 。 黄晓 明 ( 西南电力设计院， 四川 成都6 1 0 0 2 1 ) 摘要 ： 在超 高压直流输电( E H V D C ) 已具备成熟技 术基础上 ， 进一步发展特高压 直流输 电， 虽然可节省线路 走廊 ， 提高 整个 电力行 业技 术水平， 但 由于输送容量 大， 可靠性 问题也 愈显重要 。一 方面通过定性和 定量对几种 主要的接 线进 行分析 ， 推荐 出可靠性较高的接 线， 为特高压 直流输 电 系统方案论证和 系统设计提供 了借 鉴 ； 另一方 面， 分析 总结 了 已建 5 0 0 k V换流站 中各种典型故障原 因及 改善薄弱环节的措施 ， 根据特 高压 直流输 电工程特点 ， 提 出了提 高特高压 直流输 电系统可靠性 的措施 ， 从 而为新建特 高压直流输 电系统设计、 运行和管理提供借鉴。 关键词 ： 特高压 ； 换流站 ； 可靠性 ； 措施 Ab s t r a c t ：Al t h o u Ig h d e v e l o p i n g t h e UHVDC t r an s mi s s i o n t e c h n olo g y c a ll s a v e t r a n s mi s s i o n c o r r i d o r a n d e n h a n c e e l e c t r i c p o we r i n d u s 一 t e c h n o lo gy b a s e d o n t h e s u c c e s s f u l EHVDC t e c h n o l o gy ，t h e r e l i a b i l i t y is mo r e a n d mo r e i mpor t a n t d u e t O i t s b u l k c a p a c i t yTh e mo r e r e l i a bl e wi r i n g o f c o n v e r t e r t r a n s f o r me r a n d v a l v e a r e r e c o mme n de d a c c o r d i n g t O t h e d e t a i l a naly s i s，o n the o t h e r h an d，t h e o p e r a t i o n o f s o me typ i c a l 5 0 0 k V c o n v e r t e r s t a t i o ns i s rev i e we d a n d a n o v e r all a n a l y s i s o f f a ult e a s e s i s g i v e nBa s e d o n t h e r e sea r c h o n the f e a t u r e s o f ultr a h i g h v o l t a g e d i r e c t c u r r e n t s y s t e mthe r e l i a b i l i t y o f a p r a c t i c al 8 0 0 k V p r o j e e t i s e v alu a t e d i n o r d e r t o fi n d the k e y f a c t o r s t h a t a ffe c t t h e s y s t e m r e l i a bil i ty s i g n i fic a n t l y，a n d t h e n s o me me a s u r e s and me t h o d s are p resen t e d tO e n h anc e t h e r e l i ab i li t y o f UHVDC s y s t e m Ke r wo r d s：ultra h i g h v o l t a g e；c o n v e r t e r s t a t i o n；r e l i a b i l i t y；me a s u r e s 中图分类号 ： T M 7 2 1 1 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 3 6 9 5 4 ( 2 0 o 7 ) 0 3 0 0 0 1 0 4 中国电力需求主要在华东和华 中地区， 而能源主 要分布在西部和北部 ， 为了满足电力资源合理配置的 需要， 提高电力输送的可靠性 、 经济性， 迫切需要建设 长距离大容量的高压直流输电工程。超高压直流输 电( E H V D C ) 已具备成熟 的技术、 输变电和控制设备 ， 国内外已投运的大量高压直 流输电系统也提供 了丰 富的运行经验。 随着高压直流输电技术的发展 ， 换流阀接线由最 初的 6脉动阀发展到现在通用的 1 2脉动阀。就中国 8 0 0 k V特 高压直流输电( U H V D C ) 而言 ， 其主要 目 的在于长距离大容量输 电。通过提高 电压等级增加 输送容 量 ， 降低每 极 上 的 电流 ， 减 少送 电的 回路 数 以 克服线路走廊的限制。 由于 目前对直 流输电系统可靠性评估的研究甚 少， 加上 8 0 0 k V特高压直流输 电系统设备本身不 够成熟 ， 并且缺乏系统运行和管理经验， 因此对作为 直流输电系统核心的换流站进行可靠性研究论证具 有重 要意义 。 1 主接线方案 1 1已建 5 0 0 k V接 线方式 两端直流输电系统有多种接线方式 ， 就 目前应用 较普遍的是带金属转换 回路 的双极二线 中性点两端 接地方式 ， 并且大多数， 特别是 中国 5 0 0 k V直 流输 电工程 ， 基本都采用每极 1 个 1 2脉动阀组接线方式， 该接线除具有接线 简单、 可靠性高、 具有丰富的运行 管理经验等优点外 ， 还具有多种灵活的运行方式， 主 要有 ： 双极方式( B P ) 、 单极大地回线方式( G R ) 和单极 金 属 回线 方式 ( M R ) 。 1 2 特高压直 流换 流站基 本主接 线方案 经过对每极 1个 1 2脉动换 流单 元接线、 每极 2 个和 3个 1 2脉动换流单元串联接线、 每极 2个 1 2脉 动换流单元并联接线的分 析比较 ， 虽然 每极 1个 1 2 脉动换流单元接线具有 接线简单、 设 备投资低等优 点 ， 但对于特高压直流项 目， 根据 目前的技术水平 ， 换 流变的设备制造难 度太大， 风险很大 ， 大件运输也异 常困难 ； 每极 3个 1 2脉动换流单元串联接线 ， 虽然设 备制造和运输难度相对减小， 但接线过于复杂 ， 设备 数量多 ， 系统运行可靠性将降低， 投资也很高 ， 针对 目 前中国即将建设 的特高 压直 流项 目， 每极采用 2个 1 2 脉动换流单元接线较合适 ， 因此， 下面主要考虑每 极 2 个 l 2脉动阀组串联和每极 2个 l 2脉动 阀组并 联 接线 型式 。 1 维普资讯 第 3 0卷第 3期 2 O O 7 年 o 6月 四 川 电 力 技 术 S ic h u a n E l e c tr i c P o w e r Tech n o l o g y Vo 1 3 0。 No 3 J u n 。 2 0 o 7 对换流变考虑结构简单的单相双绕组型式。 直 流场与 常 规 5 0 0 k V直 流 换 流 站 一 样 ， 考 虑 双极二 线 中性点 两端 接地方式 。 只是 为限制过 电压 ， 将常规直流输电中极母线平波电抗器 ， 分散在极母线 和 中性母 线安装 。 如果采用每极 2个 1 2脉动阀组 串联接线 ， 串联 电压分配以及对每个 阀组是否设置旁路开关等问题 在下面进 一步探 讨 。 2 4 - 8 0 0 k V特高压换流站主接线运行 分析 主要对 2 X 1 2脉动串联和 2 X 1 2脉动并联两种 形式主接线进行研究 ， 并 以2 X 1 2脉动串联为基准进 行 比较。考虑到可靠性参数对结果的影响， 本研究对 主要参数做了灵敏度计算 。 2 1 2 X 1 2脉动 串联接线 可靠性 分析 基本 接线如 图 1 、 2 、 3 。 图 l 21 2脉 动 串联 无 旁 路 接线 示 意 图 图 2 2 1 2 脉动 串联带旁路隔离开 关接线示意图 图 3 2 1 2脉动 串联带旁路断路器接线示意图 图 1中， 没有旁通回路。当某一桥阀发生故障或 需要 维护时 ， 该极直 接退 出运 行 。 图 2中， s 、 s p均表示隔离开关。正常运行时， s p 处于开路状态 ， s 处于闭合状态。当某一桥阀发生故 障或需要维护时 ， 单极闭锁， s p闭合 ， 断开该桥阀两 侧的刀闸 s即可切除相应桥阀。 图3中， s 、 s p均表示隔离开关 ， B表示断路 器。 正常运行 时， s p 、 B均处于开路状态 ， s处于闭合状 态。当某一桥阀发生故障或需要维护时， 调整该阀触 发角， 其所属的断路器 B闭合， 闭合 s p ， 断开该桥阀 两侧 的刀 闸 S即可 。 每极 中两个 Y Y组接线完全相同， 且按 同一相 角触发控制， 两个 y x 接线组接线也 完全相 同， 与 Y Y桥组形成 1 2脉动控制。 当两个 1 2脉动桥阀分别按 5 0 0 k V和 3 0 0 k V运 行时， 如果换流变可靠性水平和桥阀的可靠性水平相 同， 则分 析结果与普通 4 0 0 k V+4 0 0 k V情况完全相 同。 2 2 2 X 1 2 脉 动并联 接线可 靠性 分析 基本接 线如 图 4 。 图 4 2 1 2脉动并联接线示意图 图 4中， B表示 断路器。正常运行时， B处 于闭 合状态。当某一桥阀发生故障或需要维护时 ， 其所属 的两侧断路器同时断开， 将其切除。每极 中并联的两 个桥组运行电压完全相同， 形成 1 2脉动控制。 3 主接线可靠性计算 。 。 。 3 1 基本 考虑 换流站主要由桥阀、 换流变压器、 交流滤波器 、 直 流滤波器、 极设备等元件组成。基于各设备特性及相 维普资讯 第 3 0卷第 3期 2 0 0 7年 o 6月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n E l e c t r i c P o we r T ech n o l o g y V0 1 3 0 N o 3 J u n ， 2 O O 7 互关系分析 ， 将其划分为若干子系统 ， 从而简化模型。 主要有桥阀子系统和极设备子系统。根据不同组接 线 ， 系统不同运行规则 ， 桥阀子系统的数量也不同， 当 换流变故障时 ， 相应的阀组也必须退 出运行 ； 极设备 子系统共有 2个。接地极对不 同组接线方案可靠度 的影响不大， 且作用程度相当， 这里不计其故障影响。 特高压换 流站可靠性评估 中， 主要考虑 以下 因 素 ： 1 ) 考虑到设备实际运行情况 ， 模型仅包含双极正 常运行 、 单极金属或单极大地 回线运行方式； 2 ) 任意 一 l 2脉动桥发生故障时都可以独立退出而不影响其 它设备的正常运行 ， 且不考虑设备过载运行允许增供 的容量。但是当 6脉动桥故障退出运行时， 剩余一桥 也必须同时退出； 3 ) 忽 略三重及三重以上故障事件 ； 4 ) 考虑设备维护时发生故障情况 ； 5 ) 考虑设备安装过 程 ； 6 ) 由于正常运行 中， 刀 闸 s 、 s p均不动作， 故不考 虑其故障影响。直流侧的滤波器 、 平波电抗器等设备 可等效为一个极设备元件。 3 2 可靠性数据准备 表 1 可靠性计算数据 由于隔离开关故障率很低， 且均停 电操作 ， 可忽 略其故障影 响。故障时， 隔离开关的操作时 间设 为 0 5 h 。计算中按满负荷运行 ， 时间为 5 0 0 0 h 。 由于 目前还没有正式的 8 0 0 k V特高压直流输 电系统投运 ， 其可靠性数据主要通过两个渠道收集。 1 ) 根据现有高压直流输 电系统的运行记录数据 ， 进行 数据的统计分析得出； 2 ) 相关厂商提供的主设备可靠 性数据。综合 比较分析国内运行数据及国外设备可 靠性数据 ， 本计算采用表 1中数据作为计算依据 。 3 3 计算结果计分析 采用 E D S A可靠性软件包分别对双极 1 2脉动串 联及并联情况分别进行了计算 ， 基本结果如表 2和表 3 所 示 。 表中， P ： 可靠度 ； L O L E： 期望失负荷量 ； L O L F ： 故 障频率 ； A O D： 平均故障持续时间； C T ： 换 流变压器 ； S R： 平波电抗器。考虑到旁路断路器 、 极设备等元 件的故障率相对较低 ， 且其可靠度对系统影响模式与 换流变和桥阀完全一样 ， 因此没有进行更细致的定量 分析计算。 由计算结果可知 ： 当桥 阀故障率较低 时， 2 X 1 2 脉波并联接线 可靠度较 高。当桥 阀故 障率超 过约 0 0 6 次 年时 ， 则 2 X 1 2脉波 串联接线可靠 度更 高。 另一方面， 特高压直流换流站中， 桥 阀短路 电流承受 能力对系统可靠性的影响更加突出 ， 而并联接线电流 充裕度更大 ， 具有更好的过电流能力。从表可看出， 主设备换流变 和平波电抗器的备用对降低修复时间 比较 明显 。 备用对系统可靠性的影响见图 5 。 表 2 21 2脉波串联接线可靠性指标 维普资讯 第 3 0卷第 3期 2 0 O 7年 0 6月 四 J l l电 力 技 术 S i e h u a n E l e c t r i c P o we r T ec h n o l o g y l 9 9 叮榷艘 ( ) 98 圈 图 5双侧 2 1 2脉波接线系统可靠度及备用影响 旁路对可靠性影响见图 6 和图 7 。 I f ) 1 P ( l 5 l 0 _ a O _七旁路 啊膏开荚旁路 肆曩旁路 图 6 旁路对 U H V D C可靠度的影响 图 7 旁路对年停运时间的影响 从图 5可看 出， 主设备备用对提高系统可靠度、 降低故障停运时间效果十分明显。 从图 6和图 7可 以看 出， 有旁路开关 回路， 可靠 性 、 能量可用率、 对系统 冲击和调度灵活性 均较无旁 路开关 回路有优势 ， 换流阀和换流变故障率提高， 旁 路开关回路的作用越大。 4 提高可靠性措施 4 1 已建 5 0 0 k V直流输 电 系统 运行分 析 目前 ， 中国已经建成 5回4 - 5 0 0 k V高压直流输电 工程 ， 分别是葛南、 天广、 三常、 三广和广东 I 回， 总换 流容量达 到 2 4 0 0万 k W， 直流线路总长达 到 4 7 4 1 k m， 直流输电已经成为网间电力交换的主要方式。 近几 年 以来， 所 有 工程 的 能量 可用 率都 超 过 8 0 ； 特别是 三常 和三广工 程， 能 量可用 率一直 在 9 0 以上。单极跳闸次数一般在合同中规定为 5次 年或 6次 年， 每个工程实际发生的次数没有超过合 同要求 ； 三常和三广直流工程 ， 在投产的第一年内就 4 Vo 1 3 0 No 3 J a n 。 2 0 0 7 达到了合同的要求 ， 且出现的故障都是由于辅助系统 问题引起的。随着直流输电技术的日臻完善 ， 直流输 电的可靠性指标可望进一步提高。 通过对葛南、 龙政 、 天广和江城四个高压直流工 程 2 0 0 4 年的运行情况分析， 双极停运事件是直流输 电系统最严重的事件 ， 直接导致系统 的停运 ， 特别是 双极非计划停运对系统的影响最为严重_ 4 】 。系统大 修是造成能量可用率下降的最主要 因素， 换流变辅助 设备、 换流阀冷却装置、 控制及保护装置 、 直流一次设 备等也是导致系统停运的主要因素。因此， 尽量缩短 系统大修时间是提高超高压直流 系统运行可靠性指 标 的重要环 节 。 4 2 提高特高压直流输 电系统可靠性措施 基于超高压直流系统运行状况分析和对特高压 直流输电系统 主接线可靠性评估 ， 可以提出如下提高 措施 。 1 )设计 阶段。采用 灵活、 可靠 的 主接 线方案。 对特高压直流工程 ， 每极可采用 2 1 2脉动 串联或并 联接线。对中国即将建设的特高压直流输电工程 ， 若 采用每极 2 x 1 2 脉动并联接线 ， 高电压等级换流变数 量多， 投资高， 设备制造风险大 ， 采用 21 2脉动串联 更好 ； 2 )非设备类因素是影响国内超 高压直流输电系 统可靠性的最主要 因素 ， 其中计划检修等尤为突 出。 合理安排检修方案， 减小检修时间和检修周期是提高 特高压直流输电系统可靠性的重要手段； 3 )采用可靠的控制保 护装置及更完善、 更具针 对性的配套软件设计 ， 降低能量不可用率 ； 4 )合理设置备用。计算表 明： 换流变压器和平 波电抗器备用能有效降低故障停运时间 ， 提高运行可 靠性 ； 5 )对每个 l 2脉动阀组设置旁路开关 ； 6 )提高常规直流输电可靠性的措施对于提高特 高压直流输电的可靠性依然有效。如降低元部件故 障率、 采取合理的结构设计、 控制保护系统及水 冷系 统的并行冗余和晶闸管的串行冗余等、 加强设备状态 监视 和设 备 自检功能 等。 针对常规直流工程中存在的问题 ， 如导致直流系 统极或者双极停运的站用电系统、 换流变本体保护继 电器、 直流保护系统单元件故障等薄弱环节 ， 在特高 压直流输电系统的设计和建设 中应采取措施进行 改 进。此外， 还将加强运行维护 ( 下转第1 1 页) j - I匿 I I I一 曩 维普资讯 第 3 0卷第 3期 四 川 电 力 技 术 V o 1 3 0 N o 3 2 0 0 7年 o 6月 S i c h u a n E l e c t r i c P o w e r T e c h n o l o g y J u n 2 0 0 7 4 结论 依据修改后的 电力设备过电压保护设计技术规 程 S D J 7 7 9 要求 ： 对地电容电流大于 1 O A时， 1 0 k V 中性点要求经消弧线 圈谐振接地。该局 1 0 k V电网 经城 网改造后 ， 电缆数量有所增加。实测对地电容电 流超 过 1 0 A 的 1 0 k V网 络 主要 集 中在 嘉 州 、 峨 眉 片 区。通过以上不同接地方式的分析比较， 结合该局配 网现状， 可以认为： 乐山电业局 1