世界主要远缘国大容量直流输电工程的可靠性分析

世界主要远缘国大容量直流输电工程的可靠性分析

中国幅员辽阔，能源分布和负荷开发不均。水力资源主要集中在西南部的几个省份，自然资源主要集中在山西省、陕西省和内蒙古西部，负荷主要集中在东部沿海地区。因此，从远处不再规划的能源生产是必然的。而高压直流输电(HVDC)技术的成功应用之一就是远距离大容量输电。这对高压直流输电系统的可靠性提出了很高的要求,而其可靠性的改善也将给整个电力系统的安全、可靠和经济运行带来巨大的效益。我国自1990年葛洲坝—上海±500kV高压直流输电工程投产以来,天生桥—广州±500kV直流输电工程又于2001年8月双极投入运行。然而葛上线投运10多年来。各项可靠性指标都比较低,但这并不能代表世界直流输电技术的实际水平。笔者根据国际大电网会议14.04工作组1989～1998年统计资料,对世界主要远距离大容量高压直流输电工程的可靠性进行了综合分析,期望能给出比较客观的直流输电系统可靠性数据,供直流输电可行性研究、综合比较和决策部门参考。2交流系统故障是制约因素表1至表5给出世界主要远距离大容量高压直流输电工程强迫停运的统计数据。表1和表2给出了包括直流输电系统两端换流站的单极、双极和12脉动换流阀组故障总计次数以及故障实际平均持续时间的统计数据。这里只计及故障的实际持续时间,没有考虑强迫停运造成容量损失的相对大小,即并没有将停运时间折合到全部额定容量的等效停运时间。如表2所示,1989～1998年世界主要远距离大容量高压直流输电工程平均年强迫单极停运次数为9.08次,年强迫双极停运次数为0.64次。根据文献提供的葛上线1989～2000年强迫停运统计数据和表2数据可知:葛上线的年平均单极强迫停运次数(18.6)明显高于其它直流工程(平均值为9.08)。但是,1998年后,葛上线单极停运次数呈显著下降趋势(1999年单极停运10次,2000年单极停运12次)。葛上线双极年平均停运次数(0.78)处于同期投产工程(平均值为0.64)的较低水平。为了进一步分析造成直流输电系统强迫停运的各种不同原因,对于强迫停运可按引起系统停运的设备故障源不同而更进一步地细分,这样便于寻找直流系统中的可靠性薄弱环节。CIGRE建议将引发强迫停运的设备或原因分为如下6种类型:(1)交流系统及其辅助设备。它包括交流滤波器、换流站无功补偿并联电容器组、交流系统的控制和保护设备、换流变压器、同步调相机、交流系统辅助设备和交流开关场的其它设备。(2)换流阀(包括换流阀冷却系统)。(3)高压直流输电系统的控制和保护设备。它包括换流站的控制和保护设备、控制中心的控制和保护设备以及控制和保护信号的形成及传输系统。(4)其它直流系统一次设备。它包括直流滤波器、直流电抗器、直流开关设备、直流接地极、直流接地极线以及直流开关场和阀厅的其它设备。(5)架空或电缆输电线路。由于是远距离大容量高压直流输电,所以这里只考虑直流架空线路。(6)其它。包括由于人为原因和其它不明原因造成高压直流输电系统强迫停运。表3给出了各类故障引发的强迫停运次数以及相应的等效停运小时数。这里,将实际强迫停运持续时间折算为等效停运小时数,以便将停运时间折合到全部额定容量的等效停运时间。其中,等效停运小时数=实际停运小时数乘以由于停运而损失的输电容量与总额定容量的比值。如表3所示,1989～1998年世界主要远距离大容量高压直流输电工程的年平均等效强迫停运时间为256.76h。其中,由于交流系统设备故障强迫停运等效时间为192.59h,由于阀故障强迫停运等效时间为27.44h,由于直流输电线路故障强迫停运等效时间为21.50h,由于直流系统一次设备故障强迫停运等效时间为10.01h,由于直流系统控制和保护设备故障强迫停运等效时间为5.32h,其它故障强迫停运等效时间为2.10h。综上所述,目前交流系统故障是引起直流系统强迫停运的首要因素。也就是说,对用于远距离大容量输电的现代高压直流输电系统,换流站的可靠性水平已不再是影响整个高压直流输电系统可靠性的最主要因素。然而根据国际大电网会议公布的数据,世界上投入运行的各种类型高压直流输电工程1983～1996年综合年平均强迫停运等效时间仅为117.1h。这里,引起远距离大容量高压直流输电工程的年平均等效强迫停运时间和国际大电网会议公布的包括所有高压直流输电系统的数据间差异的一个原因是:远距离大容量高压直流输电系统包括较长的直流架空输电线路,容易遭受故障。另外一个原因是:在1997和1998年,NelsonRiverBP1P1系统、NelsonRiverBP2系统以及Rihand-Dadri系统的换流变压器发生较为严重故障,引起等效强迫停运时间都在300h以上,最大甚至达到2922.9h。如果只考虑1989～1996年数据,各主要远距离大容量高压直流输电工程的各类故障引发的强迫停运情况为:年平均等效强迫停运时间为140.16h,其中,由于交流系统设备故障引起强迫停运等效时间为49.61h。表4,表5给出了强迫停运的频率及平均持续时间。由于高压直流输电系统每一极采用12脉动换流阀组个数不同,因此将分别考虑两种类型系统,分别如表4和5所示。与表1不同,表4,表5将强迫停运的频率及平均持续时间折算到两端系统的一个换流站,其中列出的数据可由表1相应数据进行相应的运算后得到。表4中,单极故障的单位为:次/(极·站·年),含义为平均每年每个换流站每个极强迫停运次数。双极故障的单位为:次/(站·年),含义为平均每年每个换流站双极强迫停运次数。表5中,换流阀组故障的单位为:次/(换流阀组·站·年),含义为平均每年每个换流站每个换流阀组强迫停运次数。如表4,表5所示,每极只含有1个12脉动阀组的高压直流输电系统的单极强迫停运率为3.29次/(极·站·年),双极强迫停运率为0.687次/(站·年)。每极含有2个及2个以上12脉动阀组的高压直流输电系统的单极强迫停运率为1.42次/(极·站·年),双极强迫停运率为0.183次/(站·年)。显然,每极含有2个及2个以上12脉动阀组的高压直流输电系统的单极强迫停运率和双极强迫停运率要低于每极只含有1个12脉动阀组的高压直流输电系统。3世界主要东北部的可控硅有效指标鉴于换流阀在现代高压直流输电系统中的核心作用,而换流阀又是由许多可控硅元件串并联组成,因此在研究高压直流输电系统的可靠性时有必要研究可控硅元件的故障率,这也为换流站准备备品备件提供依据。表6列出了世界主要远距离大容量高压直流输电工程1989～1998年的可控硅故障率。如表6所示,1989～1998年世界主要远距离大容量高压直流输电工程的可控硅故障率平均值为0.06%。根据CIGRE统计的1989～1998年世界各主要高压直流输电系统换流站的强迫电能不可用率,说明使用可控硅阀大大提高了换流站的可靠性。4换相失败原因采用可控硅的高压直流输电系统中,换相失败是逆变器最常见的故障。刚退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内,如果未能恢复阻断能力,或者在反向电压期间换相过程一直未能进行完毕,这两种情况在阀电压转变为正向时,后触发的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相,这称之为换相失败。造成换相失败故障的原因有:①交流电压下降;②直流电流增大;③交流系统不对称故障引起线电压过零点相对移动;④触发越前角β过小或整定的关断角γ过小。可以通过换相失败率来考察换流阀和控制系统的运行性能。表7和表8列出了1989～1998年世界主要远距离大容量高压直流输电工程的换相失败次数和交流系统故障记录次数。在统计中,由交流系统故障引起的换相失败称为由外部原因引起换相失败;由直流控制系统、开关动作等其它因素引起的换相失败称为内部原因引起换相失败。根据国际大电网会议要求,应当记录逆变站交流换流母线电压值低于90%发生的次数作为交流系统故障记录次数。如表8所示,1989～1998年世界主要远距离大容量高压直流输电工程的换相失败年平均次数为43.3次。5最大允许连续传输容量的确定考察高压直流输电系统的另一个重要指标为电能可用率。根据国际大电网会议14.04工作组的定义,电能可用率(EnergyAvailabilitypercent)定义为:衡量由于换流站设备和直流架空输电线路或电缆线路强迫和计划停运造成能量传输量限制的程度,并将它表示成基于高压直流系统最大允许连续传输容量的百分数。其计算公式为:电能可用率(%)=100×(1-全部等效停运小时数/考察时间段小时数)。最大允许连续传输容量,是指排除通过备用设备获得的附加容量后得到正常运行方式下所能够达到的最大传输容量,单位为MW。考察时间段小时数=在所考察时间段中的日历小时数。全年段小时数为8760,或在闰年中为8784。表9列出了1989～1998年世界主要远距离大容量高压直流输电工程的电能可用率。如表9所示,1989～1998年世界主要远距离大容量高压直流输电工程的电能可用率平均值为93.2%,在统计的10个远距离大容量高压直流输