特高壓直流一次設備運行可靠性分析

宋秭霖 程 玲

（1.國網公司運行分公司宜賓特高壓管理處，四川 宜賓 644000； 2.國網四川省電力公司宜賓供電公司，四川 宜賓 644000）

±800kV 特高壓直流工程與±500kV 常規直流輸電工程在一次設備上最大的不同是特有的單極雙12 脈動換流器串聯接線結構。此結構使得特高壓直流工程直流輸電系統擁有45 種可供選擇的運行方式，其中具有實際意義的運行方式有：雙極雙換流器接線、雙極換流器不平衡接線、雙極單換流器接線3 種。多種運行方式的優點在于：每個換流模塊相對獨立，提升了工程設計的可靠性指標，使能量不可利用率小于0.5%，雙極強迫停運率小于0.05次/年，較±500kV 直流輸電工程的0.1 次/年降低50%。除此之外，其還具有雙極高端換流器并聯融冰運行方式和單換流器在線投退功能[1]。

可靠性是檢驗±800kV 特高壓直流工程安全運行的重要指標。鑒于國內±500kV 常規直流輸電工程具有較成熟的運行模式和較高的可靠性，本文將結合以往常規直流工程的運行特點，對具體設備發生故障時進行假設分析。隨后從特高壓直流工程一次設備的運行特點、應對不同程度的冰雪災害的融冰模式方面進行對比分析。

1 兩種直流工程的運行方式對比

±800kV 特高壓直流工程主回路接線如圖1（a）所示，其與±500kV 常規直流輸電工程最顯著的不同為：主回路接線結構采用每極兩個12 脈動換流器串聯的接線方式[2-3]。其將直流輸電系統電壓由±500kV 提高到了±800kV，雙極共4 個12 脈動換流器，且每極的單12 脈動換流器可以獨立運行。根據±800kV 特高壓直流工程的主回路接線方式，可以有以下7 類接線運行方式：

1）雙極雙換流器接線運行方式。

2）雙極換流器不平衡接線運行方式8 種（一極完整+另一極1/2）。

3）雙極單換流器接線運行方式16 種。

4）單極雙換流器大地回線運行方式兩種。

5）單極雙換流器金屬回線運行方式兩種。

6）單極單換流器大地回線運行方式8 種。

7）單極單換流器金屬回線運行方式8 種。 總的接線方式共有45 種。

±500kV 常規直流輸電工程的接線方式如圖1（b）所示，其主回路接線結構為每極一個12 脈動換流器，雙極由兩個12 脈動換流器串聯組成，共有3 類接線運行方式：

1）雙極雙換流器大地回線運行方式。

2）單極單換流器大地回線運行方式，包括極1、極2 單換流器大地回線運行方式兩種。

3）單極單換流器金屬回線運行方式，包括極1、極2 單換流器金屬回線運行方式兩種。

圖1

總的接線方式共有5 種。

其中，在±800kV 特高壓直流工程正常運行及一次設備臨時檢修狀態下，較為常用的運行方式有：雙極雙換流器接線、雙極換流器不平衡接線、雙極單換流器接線三種，如圖2所示。

圖2 特高壓工程常用接線運行方式圖

±500kV 常規直流輸電工程，較為常用的接線運行方式有：雙極雙換流器大地回線和單極單換流器大地回線。特高壓直流工程中常用運行方式25種，特殊運行方式20 種。常規直流輸電工程常用運行方式3 種，特殊運行方式兩種。

可見，單純從一次設備接線運行方式上比較，特高壓直流工程擁有更多的運行方式可供選擇，接線方式更為靈活。特高壓直流工程與常規直流輸電工程相比，除了采用了每極雙12 脈動換流器串聯的接線方式外，每個12 脈動換流器的直流側還并聯安裝了旁通斷路器和旁路刀閘、陰極刀閘、陽極刀閘，如圖3所示，采用這種接線結構便于實現特高壓直流工程特有的換流器在線投入/退出功能。

圖3 旁路開關與陰/陽極刀閘

在±800kV 特高壓直流工程中，由于每一個12脈動換流器均可獨立運行，所以每個12 脈動單換流器均可通過控制解鎖/閉鎖時間與旁路區域一次設備之間相互配合來實現單個12 脈動換流器的在線投入/退出功能。

正常運行時，如果有一個12 脈動換流器發生故障，由直流控制系統的相關順序控制程序來操作與其并聯的旁路區域的旁通斷路器、旁通刀閘、陰/陽極刀閘的合閘，與換流器的閉鎖時間相互配合、協調控制，來實現故障的12 脈動換流器的在線隔離退出。同時，發生故障的12 脈動換流器被清除后，極控制系統的順序控制程序在另一個未發生故障的12脈動換流器不停運的情況下，將清除故障后的12 脈動換流器投入運行，且交/直流系統不產生過大的擾動。當12 脈動換流器在線由停運轉入運行時，換流器零功率解鎖，換流器觸發角由逆變狀態向整流狀態移相至90°左右，然后將直流電流升至正常運行電流。整流站和逆變站的旁通斷路器均分閘后，控制系統再調節換流器觸發角將直流側電壓升高至設定值。即待投入的換流器以零功率解鎖，此時由于其旁通斷路器處于閉合狀態，換流器的兩端為短路狀態，流過電流較小，所以逐漸地減小觸發角，可使換流器的電流逐漸增大。

2 兩種直流工程融冰方式對比

特高壓直流工程中除了上述的45 種運行方式以外，還有一種特殊的運行方式：雙極高端換流器并聯融冰運行方式[4]。由于特高壓直流工程中的換流器是按照模塊化原則設計的，所以需要在兩端換流站內增加少量連接線和避雷器，就能方便地通過直流場開關操作，使換流器的常規串聯運行方式切換為雙極的兩個高端換流器并聯融冰運行方式。

目前，常規直流工程實際中采用雙極功率異向運行的融冰模式，即一極功率正送運行，另一極功率反送運行的方式，這種運行方式在特高壓直流工程中也可以實現。這種雙極功率異向的預防性融冰模式的優點是不需對主接線進行改動，不增加一次設備投資，對控制保護系統軟件功能的修改也很少，容易實施。

但由于一次設備的接線方式沒有改變，其對輸電線路只能施加至額定值左右的電流，電流值無法進一步提升[5-6]。如果大量覆冰已形成并威脅到輸電線路及桿塔的安全，并需要在很短時間內融化覆冰，這種額定的線路電流已不能滿足融冰要求情況下，特高壓直流工程的雙極高端換流器并聯融冰模式的優點便得以體現。由于其雙極兩個高端換流器的接線方式從原有的串聯方式轉換為并聯接線方式，在額定電壓不變的情況下，可產生遠大于額定電流的直流線路電流，大大增加直流輸電線路的抗冰災能力，提高特高壓直流輸電工程在強冰雪氣候條件下的運行可靠性。

3 單12 換流器內故障可靠性分析

假設單12 脈動換流器內元器件故障發生在常規直流輸電工程中，這將直接導致直流系統單極停運，從而降低了直流輸電系統的運行可靠性[7]。同類故障若發生在特高壓直流工程中，由于其具有單極雙12 脈動換流器串聯接線結構和更多可供選擇的運行方式。并可配合換流器在線投退功能，所以當單個換流器發生故障時，不會導致整個單極停運，對直流系統輸送功率造成的影響較小。

同時故障換流器的隔離檢修過程不會影響同極中的另一個12 脈動換流器的正常運行，更不會造成單極強迫停運，而且故障清除后的12 脈動換流器可在線投入運行，對交、直流系統均不產生過大的擾動。

由于特高壓直流工程的單極停運率比常規直流輸電系統的單極停運率低，同時雙極故障停運率也會相對較少，單極和雙極停運次數的減少，系統強迫能量不可用率也會相應減少。

因此，特高壓直流工程的單極運行可靠性和能量可用率將遠高于常規直流輸電工程。

4 結論

1）通過對特高壓直流工程與常規直流工程的一次設備的運行接線方式比較，發現特高壓直流工程

接線結構的常規運行方式和特殊運行方式數量遠大于常規直流輸電工程。單12 脈動換流器內部元器件發生故障時，可以保證直流輸電系統在不損失直流負荷（輸送功率低于4800MW）的情況下，將故障換流器隔離檢修。不僅為故障設備的隔離檢修提供很大的便利性，還大大降低了因換流器內元器件故障導致單雙極強迫停運的風險，提高了直流輸電系統的可靠性。

2）特高壓直流工程具有雙極4 換流器串聯結構，通過在兩端換流站內增加少量連接線、避雷器和直流場一次開關的操作，便可改變直流場一次設備的接線結構，形成雙極高端換流器并聯運行的方式。直流輸電線路上的電流遠大于系統的額定電流，因此其融冰能力顯著提高。

[1] 劉振亞.特高壓電網[M].北京: 中國經濟出版社,2005.

[2] 舒印彪.中國直流輸電的現狀及展望[J].高電壓技術,2004,30(11): 1-2,20.

[3] 邰超,秦松林,肖登明.特高壓直流輸電線下的直流離子流電場[J].電氣技術,2012,3(3): 6-9.

[4] 舒印彪,劉澤洪,高理迎,等.±800kV 6400MW 特高壓直流輸電工程設計[J].電網技術,2006,30(1): 1-8.

[5] 周鋒.均壓環對覆冰特高壓直流復合絕緣子電場分布的影響[J].電氣技術,2011(12): 24-27.

[6] 范建斌,于永清,劉澤洪,等.±800kV 特高壓直流輸電標準體系的建立[J].電網技術,2006,30(14): 1-6.

[7] 岳麗霖,連美霞.±800kV 奉賢換流站的結構與功能特點[J].電氣技術,2011(12): 113-115.