±500 kV兴安直流过负荷能力及限制因素研究

杨跃辉+吕亮+戴甲水

摘 要 在交、直流系统故障或者受端负荷中心负荷短缺时，直流系统的快速响应和过负荷能力有利于提高系统的稳定性和满足系统的负荷调配。分析兴安直流的过负荷能力及限制因素，结合案例进行分析，并对运行日常工作提出合理建议。

关键词 过负荷；直流；限制；稳定

中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）02-0122-03

近年来，随着多个直流输电工程的相继投产，南方电网主干网络已经形成了8交6直的规模，直流输电在南方电网的作用日趋明显。兴安直流作为南方电网众多直流工程的一条，具有一定的短时和持续过负荷能力，当发生并联交流线路短路跳闸或某一极直流系统故障导致闭锁等故障或扰动时，可以通过中的PSS（Power Swing Stabilization）、PSD（Power Swing Damping）、FLC（Frequency Limit Control）等附加功能，瞬时提高健全直流极的输送功率，在直流输电系统过负荷能力范围内，把故障交、直流线路输送的部分或全部功率转移到并联的正常运行的直流输电系统，从而减轻功率转移和功率失衡对交流系统的冲击，提高系统运行的稳定性。另外，在负荷高峰期，受端负荷紧张时，可以采用过负荷运行方式，提高直流输送功率，缓解受端负荷压力。

本文以兴安直流为依托，详细分析了直流过负荷能力及限制因素，结合实际案例和运行情况进行说明。

1 兴安直流过负荷能力分析

兴安直流在额定运行状态下，即电压为±500 kV，双极功率为3000 MW，在最高的设计环境温度下，冗余冷却不投入运行，也能满足运行要求。直流输电系统过负荷基于设计裕度，主要体现在过负荷幅度及持续时间，兴安直流的过负荷能力主要与环境温度、换流变及平抗冷却器冗余度有关，当环境温度大于40℃时，将不能进行任何等级的过负荷。

图1 由环境温度决定的暂态过负荷能力

兴安直流过负荷主要有暂态过负荷（秒过负荷）、短时过负荷和持续过负荷，暂态过负荷主要有3 s、5 s和10 s过负荷，小时级过负荷包括2小时过负荷和持续过负荷。短时过负荷和持续过负荷可以在工作站上有运行人员进行设置或者由控制功能进行调节来启动，而暂态过负荷只能由极控系统根据运行方式来进行控制。

1.1 暂态过负荷

暂态过负荷只取决于环境温度，与冷却系统冗余与否无关，如图1所示。从图中可以看出，在环境温度低于25℃时，各个等级的秒过负荷能均为一条直线，当温度高于25℃时低于40℃时，过负荷能力与温度关系是一条斜率为负的直线。

1.2 短时过负荷

兴安直流的短时过负荷主要是指2小时过负荷，由与环境温度和换流变及平抗冷却器冗余度来决定短时过负荷的负荷能力，如图2。

图2所示。换流变及平抗冷却器有冗余和无冗余的过负荷能趋势与秒过负荷类似，只是过负荷能力略小。在正常的运行过程中，除了冷却器故障会导致冷却器失去冗余外，将换流变或者平抗的冷却器控制方式转为手动控制模式时，系统也判定冷却器失去冗余，但在手动控制模式下，冗余冷却器仍然可以根据温度来进行启动，并未真正失去冗余。

图2 冷却器冗余情况与环境温度决定的短时过负荷能力

1.3 持续过负荷

持续过负荷与短时过负荷一样，主要取决于换流变及平抗的冷却器冗余程度和环境温度值，有所区别的是不管冷却器是否失去冗余，持续过负荷最大值均为1.2倍额定容量（3600 MW），冷却器未失去冗余时，当环境温度高于25℃而小于38℃时，过负荷能力与环境温度成线性函数关系下降，失去冗余冷却器则是从10℃开始下降，从38℃到40℃时，下降速率增大。

图3 冷却器冗余情况和环境温度决定的持续过负荷能力

1.4 过负荷级别选择及持续时间

1.4.1 暂态过负荷选择及运行时间

秒过负荷能力选择主要根据暂态负荷电流决定，具体选择如下。

1）如果负荷电流大于3 s过负荷能力，将按照3 s过负荷要求限制负荷，过负荷负荷时间为3 s后进入2小时过负荷。

2）如果负荷大于5 s而小于3 s过负荷能力，将不限负荷持续3 s的秒过负荷后进入2小时过负荷。

3）如果负荷大于10 s而小于5 s过负荷能力，将不限负荷持续5 s的秒过负荷后进入2小时过负荷，10 s过负荷也是如此。

在每次任一级别的秒过负荷运行结束后，必须要间隔2 min才能进入下一次的秒过负荷。

1.4.2 短时过负荷运行时间

短时过负荷运行按以下公式进行计算：

TOLVD=（I2h – Iact）/（I2h - Icont）*240min+120min（1）

其中：I2h为短时过负荷能力，Iact为运行的实际电流值，Icont为持续过负荷能力。

从前面的分析可知，短时过负荷运行时，Iact应大于Icont而小于I2h，结合公式（1）中可以看出，当实际电流值为短时过负荷能力时，运行时间最小，为2小时，当实际电流值等于持续过负荷能力时，运行时间最长，为6小时。在工作监控画面实时显示短时过负荷运行TOVLD的计算值，在未执行过过负荷时，通常为359min。

另外，短时过负荷有两个时间积分器，一个根据电流值来计算允许过负荷时间，并对过负荷时间进行累计。由公式（1）可以看出，短时过负荷运行时间TOVLD随着负荷电流的变化而变化，在软件逻辑中将TOVLD初始值设为100%，随着短时过负荷运行而逐渐降低，一旦降低为0时，本次过负荷运行自动结束。另一个积分器用来计算过负荷时间间隔，短时过负荷停止或结束后12小时将对过负荷时间累计积分器复位，重新计时，即过负荷结束将闭锁短时及持续过负荷12小时。由于短时过负荷持续运行的最短时间为2小时，那么短时过负荷开始执行一个完整的过程（持续时间由100%降至0）到下一次短时过负荷启动，至少要经过14小时的间隔。endprint

在兴安直流极控系统逻辑中，考虑到阀冷系统内冷水进水温度和换流变及平抗的绕组温度，若内冷水水进水温度大于49.2℃、换流变及平抗绕组温度大于105℃和冷却时间任一不满足要求时，直接将短时过负荷的可运行时间TOVLD置位为0，闭锁短时过负荷。

2 过负荷限制因素

过负荷能力只是根据换流变及平抗的冷却冗余程度和环境温度决定，但实际运行负荷电流受诸多因素影响，包括内冷水进水温度、交流滤波器可用的数量和类型、运行人员设置的电流限定值、保护动作要求降电流、对站电流限制及其他因素，各个因素限制的电流与过负荷能力电流值进行比较，取最小值，下面将对主要因素进行分析。

2.1 内冷水进水温度限制

图4 内冷水进水温度与电流容量关系曲线

从图中我们可以看出内冷水进水温度在48.5℃之前它对电流的限制值都为4580 A。当内冷水进水温度到49.2℃时，电流限制值降到3800 A，当内冷水温度升到55℃时，电流限制值则为3000 A，也就是说在内冷水进水温度为55℃这个单一条件下只能允许直流在额定值运行。由于兴安直流阀冷系统设置的内冷水进水温度告警值49.2℃，跳闸值为55℃，图中55℃后的曲线在工程中无实际意义，仅针对设计或者实验情况。

2.2 交流滤波器限制

换流器在工作过程中将产生大量的非特征谐波并注入交流系统，相对交流系统而言换流器是一个谐波源，同时将吸收大量的无功，这就需要换流站配置一定数量和型号的交流滤波器来满足换流器的工作需求。如果部分交流滤波器因故无法维持运行，降至交流滤波器的数量减少，将限制直流功率的输送。兴安直流针对单/双极全压、单/双极降压运行时交流滤波器的配置需求不一样，同样的故障情况下，不同的运行方式功率受限的程度也不一样。

2.3 保护动作限制

在接地极平衡保护、换流器桥差保护等多个直流保护的动作后果中，均有降电流的动作策略。在相关保护动作后，将根据不同要求降低直流系统的Icap（电流容量），当Icap小于运行电流值时，将限制直流输输送功率。

2.4 其他限制

在直流控制系统中，还涉及降压运行、潮流反转、站间通信中断、低负荷无功优化功能启动、CSD（Controlled Shut Down）功能启动等对直流输送容量进行限制，根据要求不同而限制的水平不一样。

3 实例分析

2013年06月26日18时35分，兴安直流极1直流线路故障重启动成功，故障前双极平衡运行，功率2500 MW，极1直流线路故障后，由于控制系统的自我调节，启动极2秒级过负荷运行，最大运行电流达到4.3 kA，约为额定电流1.4倍，持续了350 ms，按照过负荷能力的界定，属于3 s过负荷，随着故障极的恢复，秒过负荷也随之消失，故障录波见图5。

图5 极2故障录波

由此可见，在直流系统单极故障时，可由控制系统自我调节，通过秒过负荷来实现短暂的大电流运行，减少了交流系统的运行压力，故障极重启动成功后恢复正常运行，从而提高系统的稳定性。另外，从故障录波可看出，在过负荷开始和结束之时，电流均是按照一定的斜率进行平缓变化，并非一下变化到某一值，这样有利于系统的运行性。

4 结束语

本文针对兴安直流过负荷能力和限制因素进行了详细分析，其过负荷能力主要由换流变及平抗冷却器冗余情况和环境温度决定，但是实际运行的电流容量由内冷水进水温度、交流滤波器等诸多因素限制，在进行过负荷时需要进行综合考虑。在过负荷能力判据中，将换流变及平抗的绕组温度、内冷水进水温度作为判据之一，增强了对设备的保护，防止在恶劣的运行环境进行过负荷，增大换流变和换流阀的热应力，降低换流变的性能。在日常的运行维护工作，还应注意以下几方面的问题。

1）由于换流变和平抗冷却器在手动控制模式与失去冗余等效，并不是冷却器真正故障，在运行过程中特别是过负荷运行期间，保持冷却器在自动控制模式，保持有较高的短时和持续过负荷能力。

2）在运行过程注意对短时过负荷运行时间TOVLD的监视，如果发现该值有异常，应立即排查相关的限制条件满足要求。常见的故障多由冷却器失去冗余、环境温度过高、交流滤波器不满足要求等。

3）换流阀的进水温度和换流变的绕组温度作为过负荷启动的判据之一，这对相应的温度传感器的准确性、灵敏性和稳定性提出更高的要求。

参考文献

[1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].中国电力出版社，2004.

[2]Guizhou-Guangdong II Line ±500kV DC Transmission Project，Overload Study Rport.

[3]Guizhou-Guangdong II Line ±500kV DC Transmission Project，Pole Control System Information Manual.

作者简介

杨跃辉（1983-），男，工程师，从事直流输电运行维护工作。

吕亮（1983），男，工程师，从事变电设计工作。endprint