直流輸電系統可靠性指標和提高可靠性的措施

[ 摘要] ±800 kV 直流輸電工程的電壓等級高、輸送容量大, 出現故障時(shí)對交流系統的影響較大, 在電力系統中的地位非常重要, 對可靠性要求很高。因此, 分析影響直流系統可靠性的關(guān)鍵環(huán)節和關(guān)鍵設備, 研究提高直流輸電系統可靠性及可用率的措施, 在即將建設的±800 kV 直流輸電工程中加以應用就顯得十分必要。在總結以往直流工程經(jīng)驗的基礎上, 結合±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(xiàn)路造價(jià)低,控制性能好等優(yōu)點(diǎn), 是目前世界上發(fā)達國家作為高電壓、大容量、長(cháng)距離送電和異步聯(lián)網(wǎng)的重要手段。在我國也因“西電東送, 南北互供, 全國聯(lián)網(wǎng)”而成為電力建設的熱點(diǎn)。直流輸電工程是一個(gè)復雜的工程系統, 且多數情況下承擔大容量、遠距離輸電和聯(lián)網(wǎng)任務(wù), 尤其對于±800 kV 直流輸電工程而言, 其電壓等級高、輸送容量大, 在電力系統中的地位十分重要, 因此對直流輸電工程的可靠性要求很高。直流系統可靠性直接反映直流系統的系統設計、設備制造、工程建設以及運行等各個(gè)環(huán)節的水平。通過(guò)直流系統可靠性分析, 可以提出改善工程可靠性的具體措施, 對新建工程提出合理的指標要求。本文在總結以往直流工程經(jīng)驗的基礎上, 結合±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可靠性及可用率的具體措施。

1 直流系統的可靠性指標介紹

可靠性是一個(gè)系統無(wú)故障連續運行能力的一種考量。直流輸電工程的可靠性是指在規定的系統條件和環(huán)境條件下, 在規定的時(shí)間內傳輸一定能量的能力。直流輸電系統的可靠性指標總計超過(guò)10項, 這里只介紹停運次數、降額等效停運小時(shí)、能量可用率、能量利用率等4 項主要可靠性指標[1]。

停運次數: 包括由于系統或設備故障引起的強迫停運次數。對于常用的雙極直流輸電系統, 可分為單極停運, 以及由于同一原因引起的2 個(gè)極同時(shí)停運的雙極停運。對于每個(gè)極有多個(gè)獨立換流器的直流輸電系統, 停運次數還可以統計到換流器停運。不同的停運代表對系統不同水平的擾動(dòng)。降額等效停運小時(shí): 直流輸電系統由于全部或者部分停運或某些功能受損, 使得輸送能力低于額定功率稱(chēng)為降額運行。

降額等效停運小時(shí)是: 將降額運行持續時(shí)間乘以一個(gè)系數, 該系數為降額運行輸送損失的容量與系統最大連續可輸送電容量之比。

能量可用率: 衡量由于換流站設備和輸電線(xiàn)路(含電纜)強迫和計劃停運造成能量傳輸量限制的程度, 數學(xué)上定義為統計時(shí)間內直流輸電系統各種狀態(tài)下可傳輸容量乘以對應持續時(shí)間的總和與最大允許連續傳輸容量乘以統計時(shí)間的百分比。

能量利用率: 指統計時(shí)間內直流輸電系統所輸送的能量與額定輸送容量乘以統計時(shí)間之比。

以上可靠性指標是衡量直流輸電系統可靠性的主要技術(shù)指標。

2 影響直流輸電系統可靠性指標的主要因素

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

2.1 控制保護系統

高壓直流輸電與交流輸電相比較的一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是可以通過(guò)對兩端換流站的快速調節, 控制直流線(xiàn)路輸送功率的大小和方向, 以滿(mǎn)足整個(gè)交直流聯(lián)合系統的運行要求, 也就是說(shuō)直流輸電系統的性能,極大地依賴(lài)于它的控制系統。提高控制系統的可靠性是提高直流輸電系統可靠性的關(guān)鍵。提高直流輸電控制系統可靠性的首要任務(wù)就是加強自檢覆蓋率和準確率、采用多重化和分布式設計; 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)相對集中時(shí)威脅極大的換相失敗; 發(fā)展遠方控制或無(wú)人值守的控制保護和通信技術(shù), 提高效率、增強統一調度和各直流工程間的協(xié)調配合, 進(jìn)一步加強系統穩定性[2]。

2.2 換流站主接線(xiàn)

現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)交流側電壓相位差30°的6 脈動(dòng)換流單元在直流側串聯(lián)而在交流側并聯(lián)所組成的, 換流變閥側繞組, 一個(gè)是Y接線(xiàn), 一個(gè)是△接線(xiàn)。換流閥通常有以下幾種接線(xiàn)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。

從系統可靠性及系統可用率看, 型式1 兩端換流站整個(gè)雙極系統兩極兩端的4 個(gè)換流單元, 任何一個(gè)因故障停運, 將使系統損失一半輸送能力; 型式2 每個(gè)換流單元可以單獨控制, 實(shí)現不平衡運行, 任一個(gè)換流單元因故障退出運行, 僅失去25%的可用率。如果可控硅元件的制造水平可以滿(mǎn)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 )大量增加元件數量, 在不考慮配套的換流變壓器和開(kāi)關(guān)的故障率的情況下, 極換流器故障次數增加很少。而且, 可以減少檢修次數和時(shí)間。因此, 即使考慮增加設備的故障率, 系統的可用率還是相對增加,可靠性增強。

2.3 換流變主接線(xiàn)

換流變壓器的接線(xiàn)方式主要是根據換流器的接線(xiàn)方式, 結合換流變的制造、安裝和運輸能力確定每個(gè)換流單元所對應的換流變壓器類(lèi)型及接線(xiàn)。每個(gè)換流單元連接的換流變壓器的類(lèi)型有以下幾種[3]:

( 1) 1 臺三相三繞組變壓器, 接線(xiàn)型式為Y/Y/Δ。

( 2) 2 臺三相雙繞組變壓器, 一臺為Y/Y 型接線(xiàn), 另一臺為Y/Δ接線(xiàn)。

( 3) 3 臺單相三繞組變壓器, 接線(xiàn)型式為Y/Y/Δ。

( 4) 6 臺單相雙繞組變壓器, 其中3 臺接線(xiàn)型式為Y/Y, 另外3 臺接線(xiàn)型式為Y/Δ。

從可靠性及可用率角度看, 假定不同類(lèi)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數最少, 因此對于一個(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(lèi)型接線(xiàn)中, 類(lèi)型( 1) 可靠性最高, 類(lèi)型( 2)及( 3) 次之, 類(lèi)型( 4) 較低。因此, 在換流變的制造、安裝和運輸能力具備的條件下, 應優(yōu)先采用類(lèi)型( 1)以提高系統的可靠性及可用率。對于±800 kV 特高壓直流輸電工程, 換流變電壓等級高、容量大, 考慮到換流變的制造、安裝和運輸能力, 采用以上類(lèi)型( 1) 、( 2) 或( 3) 均具有相當大的難度, 采用類(lèi)型( 4) 是最為現實(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(xiàn)

根據目前直流工程的研究成果, 交流濾波器組可能的接線(xiàn)方案有: ( 1) 交流濾波器分成四大組接入3/2 斷路器接線(xiàn)串中; ( 2) 交流濾波器小組直接接母線(xiàn); ( 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(xiàn)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, 適應性好; 方案( 2) 接線(xiàn)會(huì )降低主母線(xiàn)的可靠性; 方案( 3) 為交流濾波器按極配置, 在國外一些工程中有運用, 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(xiàn)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。國內大多數直流輸電工程采用可靠性高且投切靈活的方案( 1) 。

2.5 主要設備對直流輸電系統可靠性的影響

2.5.1 換流器

換流器的故障分為如下3 類(lèi):

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

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置控制不當造成的。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)間內完成。

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

2.5.2 交流系統

(1) 三相短路故障

若故障發(fā)生在整流側, 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) 不對稱(chēng)故障

故障時(shí), 通過(guò)一系列操作進(jìn)行故障隔離后, 系統可以降低功率繼續運行。

(3) 交流濾波器

據統計, 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%。濾波器分組的停運不會(huì )導致強迫極停運, 或電能傳輸中斷。因此濾波器對可靠度影響極小。

2.5.3 直流線(xiàn)路

直流線(xiàn)路故障比內部短路更為頻繁, 現今幾條重要高壓直流輸電系統的運行經(jīng)驗表明, 直流架空線(xiàn)接地故障是強迫停運的主要原因[4~6]。直流架空線(xiàn)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 )造成強迫極停運。

2.5.4 控制和保護系統

由于不會(huì )觸發(fā)跳閘信號, 控制設備故障對傳輸系統沒(méi)有直接影響, 因而不加考慮。但為了防止備用耗盡, 控制和保護系統必須是“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(kāi)關(guān)設備

計算開(kāi)關(guān)設備的可用度時(shí), 較為困難的是如何計算隔離開(kāi)關(guān)的故障率。一方面, 絕大多數故障出現于配件箱和驅動(dòng)系統, 然而這些故障并不會(huì )在正常運行時(shí)引發(fā)極停運, 因為此時(shí)不需要隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作。另一方面, 當出現開(kāi)關(guān)命令而隔離開(kāi)關(guān)無(wú)法遙控時(shí),仍有可能用手動(dòng)方式執行開(kāi)關(guān)命令, 因而要區別隔離開(kāi)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(kāi)關(guān)作為一個(gè)部件時(shí)的故障率; 而低得多的靜態(tài)故障率只計及引起極停運的故障, 如引發(fā)接地故障的瓷套或焊點(diǎn)破裂。計算極停運時(shí), 要考慮開(kāi)關(guān)設備的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)故障率。

3 高壓直流輸電系統的可靠性評估

特高壓換流站可靠性評估中, 主要考慮以下因素: ( 1) 考慮到設備實(shí)際運行情況, 模型僅包含雙極正常運行、單極金屬回路、單極大地回路運行方式。( 2) 對有旁路開(kāi)關(guān)回路接線(xiàn), 任意一個(gè)12 脈動(dòng)換流單元發(fā)生故障都可以獨立退出而不影響其他設備的正常運行, 且不考慮設備過(guò)載運行允許增供的容量。但是當6 脈動(dòng)橋故障退出運行時(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) 考慮設備維護時(shí)發(fā)生故障情況。( 5) 考慮設備安裝過(guò)程。( 6) 由于正常運行中, 刀閘S, Sp 均不動(dòng)作, 故不考慮其故障影響。直流側的濾波器、平波電抗器等設備可等效為一個(gè)極設備元件。

EDSA 是一面向電力工程應用的專(zhuān)業(yè)軟件。它主要由2 部分構成: 一是系統仿真圖形繪制, 二是專(zhuān)業(yè)計算仿真分析。從功能上看, EDSA 可以完成各種形式的短路計算、潮流計算、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, 可靠性可以對配電系統、變電站進(jìn)行評估, 采用狀態(tài)空間模型對設定的可靠性模型進(jìn)行分析計算。通過(guò)EDSA 可靠性計算, 可以直接得到某一負荷點(diǎn)的年故障次數、停運持續時(shí)間、可靠度、年停電損失等。在此基礎上可進(jìn)一步計算得到其他可靠性指標。

3.1 可靠性數據和主要的計算結果

通過(guò)EDSA 對換流站主接線(xiàn)的可靠性進(jìn)行了計算。通過(guò)綜合分析國內運行數據及國外設備可靠性數據, 本計算采用表1 中數據作為計算依據。

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