山东电网开展±660 kV直流输变电工程工作的探讨

刘 民，姚金霞，牛新生，徐志恒

（山东电力研究院，山东 济南 250002）

1 概述

自20世纪50年代高压直流（HVDC）输电技术兴起后，经50多年的发展，已日趋成熟。20世纪80年代以来，随着可控硅技术以及大电网技术的发展，HVDC技术取得了阶跃性的发展。特别是光纤和计算机等新技术的发展，使直流输电系统不断进步，输电容量不断增大，可靠性进一步提高。高压直流输电目前是世界上作为解决高电压、大容量、长距离送电和异步联网的重要手段。

1.1 直流输电的优点

直流输电不存在两端交流系统之间同步运行的稳定性问题，其输送能量与距离不受同步运行稳定性的限制。

用直流输电联网，便于分区调度管理，有利于在故障时交流系统间的快速紧急支援和限制事故扩大。

直流输电控制系统响应快速、调节精确、操作方便、能实现多目标控制。

直流输电线路沿线电压分布平稳，没有电容电流，不需并联电抗补偿。

1.2 直流输电技术的发展现状

换流阀。最近10年，换流阀的制造技术进一步发展，可控硅元件的尺寸和参数迅速增加，目前工程上广泛采用小于100 mm元件。在建工程上采用小于125 mm元件。目前单片可控硅元件额定电压已达10 kV额定电流达4 000 A，元件可靠性进一步提高，并开发出带一定保护功能的光直接触发可控硅。换流阀的冷却技术更加完善，出现了并联冷却、串联冷却的各种防腐技术。换流阀的安装方式进一步完善，由模块式发展到混合式，更利于检修维护。

滤波器。直流输电一般采用无源滤波器对谐波进行抑制，但无源滤波器存在一些难以克服的缺点，容易与电力系统发生谐振；补偿效果依赖于系统阻抗特性；受温度漂移及电网上谐波污染；滤波电容老化及非线性负荷变化的影响。现已出现自动可调交流滤波器及有源电力滤波器。

轻型高压直流输电。轻型高压直流输电是电压源换流器在直流输电中的具体应用，是最近几十年发展起来的最有潜质的电力传输系统。它具有改变未来输电方式的潜力，尤其适用于小型的发电和输电应用，它将高压直流输电的经济应用功率范围降低到几十兆瓦，它采用GTO、IGBT等可关断的器件组成换流器，省去了换流变压器；整个换流站可以搬迁，可以使中型的直流输电工程在较短的输送距离也具有竞争力；可使一些小电力系统方便地接入大电网，特别是频率不稳定的风力发电、小水电站等，它们的接入对电网没有任何影响。此外，可关断的器件组成的换流器，可以免除换相失败，对受端系统的容量没有要求，故可用于向孤立小系统（海上石油平台、海岛）的供电，今后还可用于城市配电系统，并用于接入燃料电池、太阳能发电等分布式电源。

1.3 宁东—山东±660 kV直流输电工程的特点

宁东—山东±660kV直流输电工程是国家实施西电东送重点项目之一，工程输电容量为4000 MW，采用±660 kV电压等级；该工程起点为宁夏回族自治区的银川东换流站，止于山东省的青岛换流站，线路全长1 335 km。

宁东—山东±660 kV直流输电工程是我国±660 kV直流电压等级序列的第一条直流工程，该电压等级在国内没有工程建设和运行经验，在实施上总体难度虽低于特高压直流工程，但在某些方面的技术难度超过了特高压直流工程，如：换流变压器制造和大件运输方面、线路长距离同杆并架技术的应用方面等。该工程对后续规划的±660 kV直流输电工程具有重要的示范作用，是建设±660 kV电压等级序列的标志性工程，意义重大。

宁东—山东±660 kV直流输电工程创造了7个世界第一：

（1）世界上首次采用±660 kV电压等级；

（2）世界上电压等级最高的单个12脉动阀组（±660 kV）；

（3）世界上单台容量最大的单相双绕组换流变压器（约402 MVA）；

（4）世界上单台运输重量最大的单相双绕组换流变压器（350 t）；

（5）世界上容量最大的单个12脉动换流器（2 000 MW）;

（6）世界上首次将干式平波电抗器置于户内场（宁东）；

（7）世界上首次在大容量直流输电工程中采用在极线上（1×75 mH）和中性线上（3×75 mH）不对称布置平波电抗器。

1.4 宁东—山东直流输电工程额定电压选择依据

额定直流电压是在额定直流电流下输送额定直流功率所要求的直流电压的平均值，通常额定电压是基于额定电流的选取和输送功率的要求确定的，同时需要考虑经济性、环境影响等因素。

我国已建成7个±500 kV直流输电工程，基本形成了±500 kV直流输电的标准模式，并开始研究和建设西南水电送华东、呼盟火电送华北以及国外送电等多项±800 kV直流输电工程。因此将±500 kV和±800 kV作为序列中的两个基本电压等级既考虑了现状，又满足了未来直流技术发展方向。

但是，±500 kV和±800 kV两个电压等级直流组合匹配能够获得的直流输电容量方案有限，无法满足我国输电多样化需求。在规划的直流输电项目中，西北宁东煤电送华北、彬长煤电送华东、溪洛渡水电送华中等近10个直流输电工程的输电距离为1 000～1 400 km。如果采用±500 kV直流系统，由于其经济输电距离为1 000 km以下，损耗较大、经济性偏差；采用±800 kV直流，其经济输电距离为1 400 km以上，且工程投资较高。考虑直流系统与送端电源规模相匹配的原则，需引入一个介于±500 kV与±800 kV之间电压等级和输电容量的直流系统。为了提高制造和设计的通用化水平，通过选用与±500 kV直流相同的换流阀片，增加串接数目提升直流电压达到提高输电能力的目的。在满足输电能力需求的情况下，避免新阀片的研制。根据多方因素的优化比较，在1 000～1 400 km输电距离区间内，采用±660 kV直流系统最为经济，其额定输电功率达到3 960 MW。±660 kV电压等级直流输电系统可以采用单12脉动换流阀和单相双绕组换流变压器，具有接线布置简单、可靠性高、投资节省、占地少的特点，大件运输问题也可以解决。而且，±660 kV电压等级直流可基本利用现有设备及制造能力，发展难度小，生产、设计和建设能够较快形成标准化。

2 国内有关单位直流输电调试、监督工作的开展情况

2008年11月，山东电力研究院派专人到国网网联直流工程公司、中国电科院、湖北电力试验研究院、广东电力科学研究院、华东电力试验研究院、青海电力研究院等单位进行调研，并到南方电网超高压输变电公司广州换流站现场观摩，了解直流工程调试项目，直流工程投运后研究院可以开展哪些监督服务工作，直流工程对山东电网稳定的影响、对电能质量的影响，并收集了相关资料。

2.1 网联直流工程公司开展情况

网联直流工程公司负责国网公司±660 kV直流工程的前期规划、成套设计、调试和设备监造。据当时了解（±660 kV宁东—山东直流输电工程现已于2011年2月28日正式双极投入运行），±660 kV宁东—山东直流输电工程争取于2008年底开工，2010年上半年开始分系统调试，下半年底单级投产，2011年2月底实现双极投运，建设工期为24个月。当时，各主设备采购技术规范已编制完成，即将进行招投标工作。另外网联公司从灵宝背靠背换流站开始，将换流站二次控制和保护功能在进行现场联合调试之前，先在RTDS仿真试验室内进行调试，发现很多软件逻辑和各厂家之间配合存在的问题，为现场调试提前解决了许多问题、保证了现场调试的顺利开展。宁东—山东±660 kV直流输电工程，也在二次控制和保护设备在现场安装调试之前，先在网联直流工程公司的RTDS仿真试验室内进行了半年的仿真调试试验，我院技术人员提前半年介入RTDS仿真调试试验，系统地了解和学习了二次控制和保护设备有关的调试程序和出现的技术问题，为后续的现场调试试验，打下了良好的人员和技术基础。

2.2 中国电力科学研究院开展情况

中国电力科学研究院主要负责直流工程投产前的端对端系统调试，包括系统计算、调试方案编制等工作，完成了葛南、天广、贵广、三广、龙政、三沪等直流输电工程、灵宝背靠背换流站和高岭背靠背换流站等的调试任务。

2.3 有关省网电力科学研究院开展情况

湖北电力科学试验研究院，作为国内最早介入开展葛南直流输电工程的单位之一，为国网及南网培养了很多直流技术专家，目前承担着龙泉、江陵、葛洲坝、宜昌、鹅城（在广东，属于国网资产）等多个换流站的监督服务工作。参与了龙政、三沪、德宝、葛上等多个直流输电工程项目的调试，具有丰富的直流工程调试及技术监督服务经验。

广东电力科学研究院承担了广州、宝安、肇庆、东莞等四个换流站的监督服务工作，完成了宝安换流站的调试工作，并参与±800 kV云广特高压直流输电工程的调试。

华东电力科学研究院作为国内最早介入开展葛南直流输电工程的单位之一，培养了大量人才，完成了政平站、华新站调试任务和南桥站测控系统改造工作，也具有丰富的直流工程调试及技术监督服务经验。

3 直流输电工程调试相关情况

直流工程调试工作分为元件调试、分系统调试、站系统调试和系统调试（端对端系统调试）。分系统调试是在完成单个设备安装调试的基础上检查整组设备各种功能和技术指标的调试。站系统调试是指在分系统试验完成并合格的基础上，换流站一次设备已具备带电条件，是按照合同和技术规范的要求，检查换流站功能的试验，即换流站设备充电、顺序控制功能、直流线路开断等，同时也是为端对端系统调试作准备。端对端系统调试是指在站系统试验完成并合格的基础上，验证整个直流输电系统的总体功能是否达到了功能规范书所规定的性能指标即校验交、直流系统联合运行性能的试验。按以往惯例，直流输电工程的元件调试和分系统调试主要由设备制造方和施工方完成，端对端系统调试主要由中国电力科学研究院组织实施。从属地化管理和今后运行中交、直流电网出现问题的及时解决，保证电网安全稳定运行的角度出发，山东电力研究院就应该从站系统调试入手，掌握直流换流站设备性能、保护和控制系统的原理，为今后换流站的技术监督服务打下坚实基础。另外，十二五期间，山东电网还将有其它直流工程接入，因此，山东电网必须培养熟悉直流工程的技术人才，以便今后为交、直流混合电网安全运行打下良好基础。

下面分别介绍山东侧青岛换流站调试目的、试验范围、试验项目及系统试验项目，并介绍需要增加的仪器设备。

3.1 换流站站系统调试目的

（1）验证开关、刀闸的人工和自动操作顺序正确无误。

（2）验证交流设备（包括母线、开关和闸刀、换流变压器、交流滤波器和电容器组、避雷器、PT和CT等）可以在500 kV电压下正常运行。

（3）验证顺控和阀控功能，包括极的连接和隔离，直流大地/金属回线转换，直流场空载加压，直流线路空载加压等。

（4）验证阀本体及其阀的辅助设备、直流场开关，刀闸，直流滤波器，测量设备，直流线路可以在±660 kV直流电压下正常运行。

（5）验证换流变压器和阀体，及其辅助设备直接向500 kV母线充电的能力。

（6）验证交流滤波器组直接向500 kV母线充电的能力。

（7）验证站内各分系统间的协调配合，具备端对端调试的条件。

3.2 换流站试验范围

（1）换流站交流开关场全部一次设备。

（2）换流站平波电抗器、直流滤波器和直流开关场全部一次设备。

（3）换流站换流变压器及其附属设备、阀厅设备、阀本体和辅助设备。

（4）换流站交流滤波器和电容器组。

（5）换流站站用电系统。

（6）站测量、控制和监视系统。

（7）故障录波系统和顺序事件记录系统。

3.3 换流站站系统调试项目

（1）顺序操作试验。

（2）跳闸试验。

（3）交流场充电。

（4）交流滤波器组充电试验。

（5）换流变压器及换流器充电试验。

（6）直流场、线路开路试验。

（7）抗干扰试验。

3.4 直流输电系统单极调试项目

初始运行方式建立、保护跳闸功能、系统监控功能、有通信及无通信条件下控制模式转换、电流控制、功率控制、降压运行、无功功率和电压控制、辅助电源切换、电流/电压/熄弧角/功率指令阶跃、控制脉冲故障、大地/金属回线转换、金属回线下采用站内接地网接地运行试验、远方控制直流系统运行、直流滤波器投切、一个极运行时另一个极带线路OLT试验、直流线路故障试验、接地极线路故障试验、功率反送试验、单极额定负荷和1.1倍过负荷试验等。

3.5 直流输电双极系统调试项目

双极同时起停、极功率补偿、主控权转移、接地极平衡、利用站内接地网接地起停试验、极跳闸、潮流反转、交流辅助电源切换、极控110 V直流系统故障、在换流站备用盘和国调中心进行直流系统起停和功率升降操作、直流线路人工接地故障试验、换流站交流线路出口处人工单相瞬时接地故障试验和双极额定功率试验等；以及功率反送方式下，降压运行、极跳闸、功率补偿、逆变站最后一条线路调整试验。

4 今后直流输电工程监督服务内容

目前国网公司换流站的监督服务都是属地化原则，如华东院、湖北院分别负责为本地电网内的换流站提供监督服务。

从二次设备来说，换流站控制和保护部分在系统投运1年内会出现控制和保护逻辑方面的问题，超过1年后系统基本稳定运行，不会出现较大问题。当然不能排除交流系统故障情况下直流系统控制和保护出现问题，或直流系统故障下交流系统保护有误动的可能。山东电力研究院可以提供系统定检及异常分析、事故调查等监督服务内容。

在电气一次设备方面，山东电力研究院可通过分系统和站系统调试，熟悉并掌握换流站内设备的工作原理和结构等；工程投运后，可负责换流站内主要电气设备（换流变压器、平波电抗器、滤波器等）的故障分析、特殊试验（如换流变压器的局放试验、感应耐压试验）等，参与重大设备的改造、选型等。

目前国内直流一次设备的检修规程基本上是参照交流设备的预防性试验规程编写的，同时也考虑了直流设备的特殊性。正在执行的规程具有试验项目多、试验周期短等特点，直接导致了试验工作量大，停电检修周期长，使整个直流系统的可用率远比国际平均水平低。

国网公司和南方电网公司都对现行的直流输电系统高压电气设备的预防性试验项目和周期进行了总结，设备包括换流变压器、交直流滤波器、换流变压器阀侧套管、阀厅内的一次设备、直流穿墙套管、平波电抗器（干式平波电抗器和油浸式平波电抗器）、直流CT（直流分流器）和直流PT（直流分压器）以及直流开关场内所有设备。我们应研究±660kV直流输电工程的特点，提出适合本直流工程的技术监督办法和试验标准。

5 直流输电工程对交流电网的影响

宁东-山东直流输电工程投产后会对山东电网的安全运行产生影响，下面就直流输电工程对电网稳定、交流电气设备、电能质量三个方面的影响分别加以介绍。

5.1 直流输电工程对电网稳定的影响

依据中国电科院的研究报告，直流故障对山东电网影响。2010年情况，山东—华北联网方式下，考虑华北向山东送电功率1 500 MW方式，宁东—青岛直流发生双极闭锁后，邯东—聊城单回联络线功率增加到2 200 MW，接近4×400 mm2导线热稳定极限 （按2 300 MW考虑），聊城、济南、潍坊、青岛等地区电压均能保持正常。山东孤网方式下，直流发生双极闭锁后，3.7 s山东电网频率低于49.1Hz，低频减载装置（按目前山东电网低频减载方案整定）动作，切除2240MW负荷（动作一轮，切负荷比例4%），系统频率恢复正常，稳态频率49.77 Hz，电压恢复正常。

5.2 直流输电工程对交流电网电气设备的影响

直流输电工程对交流电网电气设备的影响方面，反映较强烈的是直流偏磁对变压器的影响。直流输电系统双极电流不对称运行或单极大地回线运行时，巨大的直流电流通过接地极注人大地，在地中形成了稳定的直流电场。据调查，湖北对此反映不是很明显，广东电网反映较明显。主要表现在：（1）噪声、振动增大。在交变磁场作用下，硅钢片受到外磁场磁化作用，硅钢片尺寸发生了微小变化（磁滞伸缩），铁心随励磁频率变化而振动，并产生噪声。磁滞伸缩产生的振动是非正弦的，噪声的频谱含有多种谐波分量。由于变压器噪声频率是变化的，可能会因某一频率与变压器结构部件发生共振而使噪声加大。（2）直流偏磁引起的振动给变压器本身带来的问题比噪声更加严重，可能会导致变压器内外相关紧固件松动，如轴向压板、压钉、拉板、地脚螺栓等。此外会导致线圈绝缘层磨损，对变压器绝缘、抗短路冲击能力会有较大损害。（3）电压波形变坏。当铁心工作在严重饱和区时，漏磁通会增加，在一定程度上使电压波峰变平，谐波电压、电压总谐波畸变率增大。4）铁耗增加。在直流偏磁的作用下，变压器励磁电流可能会大幅度增加，变压器会工作在铁心的饱和区，使铁耗大幅增加。

当直流输电系统单极—大地运行时，流入变压器中性点的直流电流必然流经变压器本身的电流互感器以及相关输电线路的电流互感器，从而产生类似于变压器的直流偏磁现象。两者的区别在于变压器稳定运行点的磁通离饱和点磁通很近，饱和磁通一般为额定磁通的1.15～1.25倍；而保护用电流互感器饱和磁通则一般为额定磁通的10～40倍。与变压器的直流偏磁情况类似，当电流互感器没有进入饱和之前，很小的直流电流就会产生较大的直流磁通，但是当变压器进入饱和区后由于磁阻的增大，相同直流电流所产生的直流磁通将大大减少。

直流系统单极—大地运行对继电保护的影响主要在于变压器的直流偏磁稳态谐波。就微机保护而言，谐波对保护的影响一方面与保护采用的算法有关，另一方面也跟谐波含量的大小有关。

对于一些输电线路保护原理如电流差动保护、方向保护等，当其采用全波傅氏算法时，理论上不受谐波的影响，而实际应用中，当采样频率满足要求时算法本身受谐波的影响也很小，因此基本上不受变压器直流偏磁谐波的影响。而对于采用半周积分算法的基于工频变化量等电气量的快速保护原理，如工频变化量方向保护、工频变化量距离保护等，从算法上都无法完全消除谐波的影响。这些算法虽然受谐波的影响要比全波傅氏算法的大，但实际上变压器直流偏磁所产生的谐波对其影响也是非常有限的。

对于变压器差动保护，正常运行时其差动量即为变压器励磁电流，因此变压器直流偏磁谐波对变压器差动保护而言不属于穿越性谐波，其影响值得关注。正常运行时，在直流偏磁严重的情况下，直流偏磁产生的变压器励磁电流基波将急剧增大，如果大于差动保护的定值将造成变压器的差动保护启动，但是由于一般变压器差动保护都配有二次谐波制动，而变压器直流偏磁时励磁电流的二次谐波分量很高（一般在50%以上），远远高于通常整定的二次谐波系数，因此即使保护起动也不会造成差动保护的误动。而区内故障时，对于匝地故障、相间短路或者较严重的匝间短路，由于差动电流较大，直流偏磁时励磁电流的二次谐波不会对保护的正确动作造成影响。只有在变压器发生轻微的匝间短路，差动电流很小，而变压器直流偏磁二次谐波很大时，才有可能导致变压器差动保护拒动。

5.3 直流工程对电网电能质量的影响

任何换流变压器均会产生谐波，因此直流输电工程分别配置有直流滤波器和交流滤波器，以消除谐波对电网的影响。一般来说，换流站滤波器设计时要考虑电网背景谐波，并考虑最恶劣的直流运行工况。但实际上滤波器设计时考虑目标年背景谐波肯定存在误差，在实际运行中滤波器会由于各种故障不一定全部投运，此时会对电网电能质量造成较大影响。据了解广东电网曾发生电容器组熔丝烧断或鼓肚等损坏现象，因此广东、华东电网均对换流站附近交流500 kV站安装电能质量在线监测装置，实时监测500 kV母线电压及电容器组谐波电流。

6 对今后开展相关工作的建议

及早安排有关科研课题，包括HVDC单极大地回线运行方式直流电流在交流电网的分布研究；变压器承受直流偏磁能力的仿真研究；变压器中性点隔直措施研究（包括小电阻、电容方式、有源方式等）；HVDC单极大地运行方式下对电容器运行影响及防范措施的研究；接地极的型式、走向对环境及通讯的影响研究；直流输电对电网电能质量影响的研究等。

在HVDC单极大地运行方式下，进行相关变电站（升压站）变压器中性点电流普测，直流线路落地点附近土壤情况、地下金属管道的分布进行调查研究，母线电压及电容器组电能质量测试，以便在直流工程投运后相关运行方式下进行数据比对。

开展换流站二次控制和保护功能的试验研究，为换流站的技术监督服务打下良好基础。

在相关变电站及发电厂升压站安装电能质量在线监测系统，监测内容包括500 kV、220 kV母线电压、35 kV母线电压和电容器组谐波电流；安装相关变电站（升压站）主变中性点直流在线监测系统，并做好相关隔直措施。