由可靠性指标浅析我国超高压直流输电新技术

林世治 姜惠英

福建水利电力职业技术学院 福建 永安 366000

0 引言

可靠性是衡量直流输电系统运行状况的重要指标。直流输电具有迅速而精确的调节性能可以提高与之并联的交流线路的稳定性和传输容量，可以作为大区电网间的联络线能提高互联系统运行的可靠性和灵活性，直流输电中间不落点，可将大量电力直送负荷中心，输电容量大、输电距离长、节省架线走廊，有功功率损坏与输送功率的比值较大，其输电稳定性取决于受端电网结构。一旦发生故障时，不仅损失的功率巨大，而且会对交流系统产生较大的影响和冲击。

国内大型超高压直流输电系统可靠性指标如表 1所示［1－3］。 目前已建工程投运后，直流输电系统故障停运率和强迫能量不可用率基本达到表1中可靠性指标的要求。

1 我国直流输电系统运行情况

1.1 我国高压直流输电系统现状

南方电网2009年12月28日宣布，云南至广州±800千伏特高压直流输电工程成功实现单极投产，这是世界上首个±800千伏特高压直流输电工程。云广特高压直流输电工程线路全长1 373千米，跨越云南、广西、广东三省区，当天输送容量达到260万千瓦。2010年双极投产后，输送容量将达到500万千瓦。

表1 超高压直流输电系统可靠性指标

在直流高压输电方面，自2005年开始，国家电网公司组织有关科研、高等院校和设计单位，对特高压直流输电技术的关键技术问题进行研究，在2007年5月在北京建立了特高压直流试验基地并投入使用，2008年又在西藏建设了高海拔直流试验基地，具备进行±1 000 kV直流输电工程在不同海拔高度下的电磁环境、空气间隙放电特性、绝缘子污秽放电特性、直流避雷器等设备关键技术的试验研究能力。目前我国已建成并正式投入运行的超高压直流输电工程包括：葛（洲坝）沪（上海）、三（峡）常（州）、三（峡）广（东）、三（峡）沪（上海）、天（生桥）广（东）、贵（州）广（东）Ⅰ回、Ⅱ回等 7 个工程，超高压直流输电线路总长度达7 085千米，输送容量达1 856万千瓦，线路总长度和输送容量均居世界第一。同时，我国超高压直流输电工程的设计建设、运行管理和设备制造水平已处于国际领先地位。

表2 2002至2004年某直流输电系统1各部件故障停运情况

表3 2002至2004年某直流输电系统2各部件故障停运情况

到2020年，我国将建成15个特高压直流输电工程，并成为世界上拥有直流输电工程最多、输送线路最长、容量最大的国家。

1.2 举例分析我国直流输电系统运行情况

2002年至2004年，某直流输电系统1、2中各部件的故障停运情况如表2、3所示；2003年6月至2005年8月，某直流输电系统3、4中各部件的故障停运情况如表 4、5 所示［4－7］。

表4 2003年6月至2005年4月某直流输电系统3各部件故障停运情况

表5 2004年6月至2005年8月某直流输电系统4各部件故障停运情况

1.2.1 某直流输电系统1的故障率

由表2可知，2002年至2004年，某直流输电系统1中换流设备共发生故障7次，极线设备共发生故障7次，由控制系统故障导致的单极停运共有15次，辅助系统故障导致的单极停运共有9次，直流线路故障导致的单极停运共有5次，其他原因导致的单极停运共有4次；期间双极停运共有16次。同时，这期间的平均能量不可用率为13.59%（该数据未折算至额定容量）。

1.2.2 某直流输电系统2的故障率

由表3可知，2002年至2004年，某直流输电系统2中换流设备共发生故障12次，极线设备共发生故障21次，由控制系统故障导致的单极停运共有27次，辅助系统故障导致的单极停运共有31次，直流线路故障导致的单极停运共有11次，其他原因导致的单极停运共有5次；期间双极停运共有11次。同时，这期间的平均能量不可用率为8.67%（该数据未折算至额定容量）。

1.2.3 某直流输电系统3、4的故障率

由表 4、5可知，2003年6月至 2005年8月，某直流输电系统3、4中换流设备共发生故障6次，极线设备共发生故障4次，由控制系统故障导致的单极停运共有12次，辅助系统故障导致的单极停运共有2次；双极停运共有2次。其中，二次系统故障导致换流站停运的次数最多，在两个工程中分别占总停运次数的38.5%和44.4%，换流器故障导致的停运率分别为19.2%和11.1%，极线设备故障导致的停运率分别为7.7%和22.2%。

1.3 由可靠性指标对主要故障原因进行分析

上述运行数据标明，某直流输电系统3、4的可靠性和可用率水平优于某直流输电系统1、2，根据以上运行统计数据对超高压直流输电系统的主要故障原因进行分析。

1.3.1 换流器故障。换流器故障将导致直流输送功率的下降，甚至直流系统的停运。在因控制保护系统误动作而导致的单极停运中，约有2/3是换流器相关的控制保护系统误动作而导致的停运；在因辅助系统故障而导致的单极停运中，约有2/3是换流器相关的辅助系统故障而导致的停运。

1.3.2 单极故障。单极故障的频率较高，但故障持续时间短，极线设备故障就会导致单极故障。在因控制保护系统误动作而导致的单极停运中，约有1/3是极线设备相关的控制保护系统误动作而导致的停运；在因辅助系统故障而导致的单极停运中，约有1/3是极线设备相关的辅助系统故障而导致的停运。

1.3.3 双极故障。双极停运大都是由于控制保护系统故障或其他一些人为因素或不确定因素造成的。

2 超高压直流输电新技术

超高压直流输电规模和容量的发展不但与换流技术特别是高电压、大功率换流设备的发展密切相关，随着大量直流工程的投入运行，直流输电的控制、保护、故障、可靠性等问题也凸显其重要性。近年来，除了电力电子技术的发展推动外，多种新技术的综合应用推动直流输电技术有了新进展。

2.1 光直接触发晶闸管

晶闸管触发不存在逆弧问题，采用光触发晶闸管，有效地改善了直流输电的运行性能和可靠性能，但需要将相应的保护或测量电路集成在晶闸管上，因此技术复杂，工艺要求严格。

2.2 接地极引线故障测量装置

接地极引线是连接换流器中性点与接地极之间的线路。在双极运行时只有很小的不平衡电流通过它，电压接近于零。单极大地回线方式运行时，通过电流为额定电流，接地极端电压为零。因此难以检测到靠近接地极的对地短路故障。近年来开发出脉冲回声、阻抗等接地极引线测量装置，当引线任何地点发生对地短路时，其阻抗的变化将反映到测量装置中，从而判定是否发生故障，并能判断故障地点。

2.3 实时多处理器控制保护系统

随着电子信息技术的高速发展，直流控制保护系统对主设备不同区域、不同原理的控制保护功能可以放在同一个实时并联多处理器系统中实现，现在微处理器技术遍布直流系统各个设备的控制和保护。

2.4 全球卫星定位系统

为了便于事故分析处理，需要对分布在换流站内的各个控制保护系统、两端换流站设备的测量时间进行同步，以便精确测量直流线路的故障地点。全球卫星定位系统具有全天候、高精度、自动化、同步等显著特点，采用全球卫星定位系统（GPS），可使各种设备时间的误差小于1 ms，直流线路故障定位可以精确到300 m。以往的直流输电系统各种设备之间及两站之间没有统一的时间参考，暂态故障记录与时间记录不同步，不能显示出直流线路故障的正确位置，给检修和维护带来极大的不便。

2.5 巡检机器人和检测机器人

“超高压输电线路巡检机器人能够沿架空地线行走，具有在直线杆塔处越障的能力，通过其携带的摄像机可完成对输电设施及线路的巡视。“绝缘子检测机器人能够在超高压输电线路耐张塔双联水平瓷绝缘子串上自主行走，可适应水平双串绝缘子距离变化，实现机器人对绝缘子的定量带电检测。

以上新技术的应用可以极大地提高超高压直流输电系统的可靠性指标，使直流输电系统的运营更加安全、稳定、高效。

3 结束语

随着我国经济持续快速发展，电力需求将快速增长，预计2020年全社会用电量将达到约46 000亿千瓦时，需要装机容量约10亿千瓦，这意味着要新增发电装机5亿千瓦以上。我国现有电网主要以500千伏交流和±500千伏直流系统为主，电力输送能力和规模受到严重制约。相对于±500千伏超高压直流线路，云广±800千伏特高压直流输电工程的输送能力增强了一倍，同时线路损耗降低40%左右，大大提高了能源利用效率。因此，建设特高压电网是满足未来持续增长的电力需求的根本保证，而新技术的推广和应用，是构建以特高压电网为核心的国家电网的技术保障。

［1］张晋华.三常直流输电系统可靠性的研究［R］.中国电力科学研究院，1996.

［2］北京网联直流工程技术有限公司.三峡－常州±500kV直流输电工程功能规范书［S］.北京网联直流工程技术有限公司，1998.

［3］范建斌，于永清，刘建洪，等.±800kV特高压直流输电标准体系的建立［J］.电网技术，2006，30（14）：1－6.

［4］贾立雄，蒋锦峰，胡小正.2002年度全国高压直流输电系统运行可靠性简况［J］.电力设备，2004，05（06）：68－71.

［5］贾立雄，蒋锦峰，胡小正.2003年度全国高压直流输电系统运行可靠性分析［J］.电力设备，2004，05（11）：74－79.

［6］贾立雄，胡小正.2004年度全国高压直流输电系统运行可靠性分析［J］.电力设备，2005，06（09）：100－104.

［7］喻新强.2003年以来国家电网公司直流输电系统运行情况总结［J］.电力设备，2004，05（06）：68－71.