高压直流输电系统主设备状态监测分析

胡 强，王渝红，邓鸿强，3，李兴源，朱 静，陈庆军，马 雷

（1.辽宁省电力有限公司检修分公司，鞍山 111213；2.四川大学电气信息学院，成都 610065；3.国网四川省电力公司南充供电公司，南充 637000）

0 引言

随着国家“西电东送，南北互供，全国联网”能源发展战略的逐步实施，我国各大区域电网已出现世界上规模最大的远距离大容量输电格局［1－3］。由于高压直流输电具有造价低，线路损耗小，调节快速，运行可靠，不存在安全稳定性问题［4－8］，可以限制短路电流，具有一定的过负荷能力等优点而得到了快速发展。相继出现了以水电集中外送如向家坝－上海、以火电集中外送如呼伦贝尔－穆家、以连接两个异步电网实现优势互补如灵宝和高岭背靠背等多条直流输电工程。

直流输电系统主设备的安全运行是整个电网安全运行的基础。直流换流站内的换流变压器和换流阀由于设备昂贵、检修复杂，一旦发生故障将可能造成巨大的经济损失。状态检修是基于主设备的出厂参数、家族缺陷、运行历史和当前运行状况等基本数据，以在线监测为基本手段，通过各种先进技术来比较分析设备的健康状况，预测设备状态发展趋势及故障部位、严重程度，从而确定最佳检修方案的一种检修方法。状态检修的优点主要体现在：维护费用低、电力系统可靠性高、设备损耗率低。状态检修的流程图见图1［9－10］。

1 直流主设备的状态监测

我国在建或已建高压直流输电工程已有近二十个，但直流输电的状态检修工作开展的比较晚，而状态监测量又是开展状态检修工作的基础和关键。对于换流站内的换流变压器、换流阀和滤波器等更无交流系统的设备检修经验作为参考。

图1 状态检修流程图

直流系统主设备的状态监测工作需根据相应设备的性能指标和状态量，结合其权重，评定设备的健康状况，形成相应的检修方案。而换流站可控性高、智能化程度高、信号监测和传输能力强等特点为直流输电状态检修提供了条件［11］。

1.1 换流变压器的状态监测

换流变压器是直流换流站的核心设备之一，其费用昂贵、制造技术复杂、所处位置重要［12－13］。换流变压器可靠性及可用性对整个直流系统来说非常关键，一旦发生故障，则可能导致整个直流输电系统闭锁停运。

换流变压器较普通的交流变压器有较大不同，主要体现在换流变压器的直流偏磁、短路阻抗、谐波、换流变压器阀侧绕组对地电位含有直流分量等情况［14］。

1）直流偏磁 当与换流变压器所连接的换流阀触发脉冲信号时间不等时，换流变压器内部容易产生直流偏磁现象，直流偏磁是造成变压器振动加剧的主要原因，将导致换流变压器铁芯周期性饱和，加大换流变的损耗，增加谐波含量，降低其效率，加速绝缘老化，增大其噪声。

2）短路阻抗 短路阻抗能够在换流变压器桥臂发生短路故障时，限制过大的短路电流从而保护换流阀的安全运行，所以换流变压器要有较大的短路阻抗。但短路阻抗过大，会增加换流变损耗，还会使换流变压器的无功分量增大，直流电压中换相压降过大，将导致直流线路电压降低，功率传输效率降低。

3）谐波 由于换流变压器的非线性特性，在交流系统和直流系统中将出现谐波电压和电流，交直流产生的谐波会使换流变的温度升高、损耗加剧，还会对其所连接的通信设备产生电磁干扰，当换流变压器铁芯饱和或者交直流系统满足互补谐振的条件时会诱发谐波不稳定现象。谐波不稳定将会导致谐波进一步放大，从而导致直流输电系统崩溃，故谐波问题必须引起足够的注意。目前抑制谐波的最有效方式是在交流母线上安装滤波器以及在直流线路上安装平波电抗器及直流滤波器。

4）直流分量 换流变阀侧绕组对地电位可能含有直流电流分量，这对换流变绝缘结构提出了更高要求。在运行中，由于换流变压器阀侧绕组不仅受到交流电压而且受到直流电压的作用，此外直流电压的极性还应根据需要进行反转。因此，阀侧绕组内部绝缘中的电位分布和场强与普通电力变压器不同，要采用全绝缘。这使其绝缘成本大大提高。

换流变压器的状态评价可以分为部件评价和整体评价两部分。同时，考虑到换流变压器各部件的独立性，又将其分为本体、套管、有载分接开关、冷却系统以及非电量保护系统5个部件。然后，从换流变压器整体评价和部件评价的各个方面，按照相应的评价部分列出对应扣分标准，由扣分数值将设备分为正常、异常、注意和严重4个不同状态。

换流变压器状态管理以台为单位，各部分的主要部件名称如表1所示。

表1 换流变压器各部分的主要部件名称

换流变压器的主要性能指标有7个：运行工况、绕组直流电阻、外观、温度、绝缘性能、绝缘油性能和机械性能，反映换流变压器性能指标的状态量共有39个，各状态量的监测获取方式一般有5种：查阅资料、巡视检查、带电检测、在线监测及检修试验（见表2）。

换流变压器的状态检修是通过上述性能指标中的各状态量的监测情况，确定其健康状况，从而确定检修方案。文献［15］中提到，在换流变压器常规色谱分析中检测结果异常，通过直流电阻等状态量的测量评估其故障部位及其发展趋势，及时停运检修，从而防止了事故的发生。

表2 换流变压器性能指标状态量

1.2 换流阀的状态监测

与换流变压器相连接的换流阀是基于电力电子技术完成交－直－交能量转换的重要设备，通过触发脉冲信号让所需的晶闸管导通从而实现交－直－交能量转换，换流阀故障将给直流系统带来非常大的影响。换流阀由多个阀组组成，每个阀组由多个阀组成，每个阀又由众多个可控硅组成，因此换流阀进行状态监测时需要以单个阀为基本单位，主要监测内容包括阀组件、阀控系统、辅助部件3个部件。换流阀各部分的主要部件名称如表3所示。

表3 换流阀各部分的主要部件名称

换流阀的性能指标主要包括绝缘性能、阀触发情况、元件发热、元件参数和外观等，各指标的状态量共计21个，各状态量的监测获取方式一般有5种：查阅资料、巡视检查、带电检测、在线监测及检修试验。

换流阀性能指标状态量如表4所示。

表4 换流阀性能指标状态量

换流阀的状态量较换流变压器的状态量要少，检修过程也较为简单。通过上述换流阀5个性能指标对应的状态量，可以分析评价出换流阀的健康状况，制定相应的检修策略。通过文献［16］可知，换流阀的可控硅故障率一般在5%以内，当可控硅部件出现故障时，直接更换故障的可控硅即可。

1.3 滤波器的状态监测

交直流滤波器是换流站的重要装置，由于换流阀会产生大量的谐波并消耗大量的无功功率，通过在换流母线上安装滤波器组，能有效抑制谐波和提供换流站所需的无功功率［17］。滤波器状态检修以组为单位，其中的设备主要包括电容器、电抗器、电阻器、电流互感器和避雷器。交直流滤波器各部分的主要组成部分名称如表5所示。

表5 交、直流滤波器各部分的主要部件名称

滤波器的主要性能指标有7个：绝缘性能、导电性能、调谐特性、温升、运行工况、不平衡电流和外观。电流互感器和避雷器的性能指标参照其相应状态管理工作标准要求［18－19］。交、直流滤波器性能指标的状态量共有24个（见表6）。各状态量的监测获取方式有5种：查阅资料、巡视检查、带电检测、在线监测及检修试验。

表6 交、直流滤波器性能指标状态量

换流站内的滤波器配置一般是以组为基本单位，每一组由3～5个滤波器组成，同时配有若干个备用滤波器，故其重要性不及换流变压器和换流阀。根据常规的状态检修细则一般能够保证滤波器安全正常运行。平波电抗器的状态监测量可参考上述3种设备。

2 结语

高压直流输电主设备在正常情况下运行是整个系统安全稳定运行的基础和保证，开展换流变压器、换流阀等主设备状态监测量工作有着重要的实际意义。

本文总结了直流输电系统主设备的发展情况，重点分析和总结了换流变压器、换流阀、滤波器等设备的状态检修所需要的性能指标以及状态量，通过在线监测和评估这些指标来判断各设备的健康状况，从而制定相应的状态检修方案。但对于直流输电主设备完全进行状态检修工作，还需要有更先进的在线监测技术以及评估体系的建立。

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