山東電網開展±660 kV直流輸變電工程工作的探討

劉 民，姚金霞，牛新生，徐志恒

（山東電力研究院，山東 濟南 250002）

1 概述

自20世紀50年代高壓直流（HVDC）輸電技術興起后，經50多年的發展，已日趨成熟。20世紀80年代以來，隨著可控硅技術以及大電網技術的發展，HVDC技術取得了階躍性的發展。特別是光纖和計算機等新技術的發展，使直流輸電系統不斷進步，輸電容量不斷增大，可靠性進一步提高。高壓直流輸電目前是世界上作為解決高電壓、大容量、長距離送電和異步聯網的重要手段。

1.1 直流輸電的優點

直流輸電不存在兩端交流系統之間同步運行的穩定性問題，其輸送能量與距離不受同步運行穩定性的限制。

用直流輸電聯網，便于分區調度管理，有利于在故障時交流系統間的快速緊急支援和限制事故擴大。

直流輸電控制系統響應快速、調節精確、操作方便、能實現多目標控制。

直流輸電線路沿線電壓分布平穩，沒有電容電流，不需并聯電抗補償。

1.2 直流輸電技術的發展現狀

換流閥。最近10年，換流閥的制造技術進一步發展，可控硅元件的尺寸和參數迅速增加，目前工程上廣泛采用小于100 mm元件。在建工程上采用小于125 mm元件。目前單片可控硅元件額定電壓已達10 kV額定電流達4 000 A，元件可靠性進一步提高，并開發出帶一定保護功能的光直接觸發可控硅。換流閥的冷卻技術更加完善，出現了并聯冷卻、串聯冷卻的各種防腐技術。換流閥的安裝方式進一步完善，由模塊式發展到混合式，更利于檢修維護。

濾波器。直流輸電一般采用無源濾波器對諧波進行抑制，但無源濾波器存在一些難以克服的缺點，容易與電力系統發生諧振；補償效果依賴于系統阻抗特性；受溫度漂移及電網上諧波污染；濾波電容老化及非線性負荷變化的影響。現已出現自動可調交流濾波器及有源電力濾波器。

輕型高壓直流輸電。輕型高壓直流輸電是電壓源換流器在直流輸電中的具體應用，是最近幾十年發展起來的最有潛質的電力傳輸系統。它具有改變未來輸電方式的潛力，尤其適用于小型的發電和輸電應用，它將高壓直流輸電的經濟應用功率范圍降低到幾十兆瓦，它采用GTO、IGBT等可關斷的器件組成換流器，省去了換流變壓器；整個換流站可以搬遷，可以使中型的直流輸電工程在較短的輸送距離也具有競爭力；可使一些小電力系統方便地接入大電網，特別是頻率不穩定的風力發電、小水電站等，它們的接入對電網沒有任何影響。此外，可關斷的器件組成的換流器，可以免除換相失敗，對受端系統的容量沒有要求，故可用于向孤立小系統（海上石油平臺、海島）的供電，今后還可用于城市配電系統，并用于接入燃料電池、太陽能發電等分布式電源。

1.3 寧東—山東±660 kV直流輸電工程的特點

寧東—山東±660kV直流輸電工程是國家實施西電東送重點項目之一，工程輸電容量為4000 MW，采用±660 kV電壓等級；該工程起點為寧夏回族自治區的銀川東換流站，止于山東省的青島換流站，線路全長1 335 km。

寧東—山東±660 kV直流輸電工程是我國±660 kV直流電壓等級序列的第一條直流工程，該電壓等級在國內沒有工程建設和運行經驗，在實施上總體難度雖低于特高壓直流工程，但在某些方面的技術難度超過了特高壓直流工程，如：換流變壓器制造和大件運輸方面、線路長距離同桿并架技術的應用方面等。該工程對后續規劃的±660 kV直流輸電工程具有重要的示范作用，是建設±660 kV電壓等級序列的標志性工程，意義重大。

寧東—山東±660 kV直流輸電工程創造了7個世界第一：

（1）世界上首次采用±660 kV電壓等級；

（2）世界上電壓等級最高的單個12脈動閥組（±660 kV）；

（3）世界上單臺容量最大的單相雙繞組換流變壓器（約402 MVA）；

（4）世界上單臺運輸重量最大的單相雙繞組換流變壓器（350 t）；

（5）世界上容量最大的單個12脈動換流器（2 000 MW）;

（6）世界上首次將干式平波電抗器置于戶內場（寧東）；

（7）世界上首次在大容量直流輸電工程中采用在極線上（1×75 mH）和中性線上（3×75 mH）不對稱布置平波電抗器。

1.4 寧東—山東直流輸電工程額定電壓選擇依據

額定直流電壓是在額定直流電流下輸送額定直流功率所要求的直流電壓的平均值，通常額定電壓是基于額定電流的選取和輸送功率的要求確定的，同時需要考慮經濟性、環境影響等因素。

我國已建成7個±500 kV直流輸電工程，基本形成了±500 kV直流輸電的標準模式，并開始研究和建設西南水電送華東、呼盟火電送華北以及國外送電等多項±800 kV直流輸電工程。因此將±500 kV和±800 kV作為序列中的兩個基本電壓等級既考慮了現狀，又滿足了未來直流技術發展方向。

但是，±500 kV和±800 kV兩個電壓等級直流組合匹配能夠獲得的直流輸電容量方案有限，無法滿足我國輸電多樣化需求。在規劃的直流輸電項目中，西北寧東煤電送華北、彬長煤電送華東、溪洛渡水電送華中等近10個直流輸電工程的輸電距離為1 000～1 400 km。如果采用±500 kV直流系統，由于其經濟輸電距離為1 000 km以下，損耗較大、經濟性偏差；采用±800 kV直流，其經濟輸電距離為1 400 km以上，且工程投資較高。考慮直流系統與送端電源規模相匹配的原則，需引入一個介于±500 kV與±800 kV之間電壓等級和輸電容量的直流系統。為了提高制造和設計的通用化水平，通過選用與±500 kV直流相同的換流閥片，增加串接數目提升直流電壓達到提高輸電能力的目的。在滿足輸電能力需求的情況下，避免新閥片的研制。根據多方因素的優化比較，在1 000～1 400 km輸電距離區間內，采用±660 kV直流系統最為經濟，其額定輸電功率達到3 960 MW。±660 kV電壓等級直流輸電系統可以采用單12脈動換流閥和單相雙繞組換流變壓器，具有接線布置簡單、可靠性高、投資節省、占地少的特點，大件運輸問題也可以解決。而且，±660 kV電壓等級直流可基本利用現有設備及制造能力，發展難度小，生產、設計和建設能夠較快形成標準化。

2 國內有關單位直流輸電調試、監督工作的開展情況

2008年11月，山東電力研究院派專人到國網網聯直流工程公司、中國電科院、湖北電力試驗研究院、廣東電力科學研究院、華東電力試驗研究院、青海電力研究院等單位進行調研，并到南方電網超高壓輸變電公司廣州換流站現場觀摩，了解直流工程調試項目，直流工程投運后研究院可以開展哪些監督服務工作，直流工程對山東電網穩定的影響、對電能質量的影響，并收集了相關資料。

2.1 網聯直流工程公司開展情況

網聯直流工程公司負責國網公司±660 kV直流工程的前期規劃、成套設計、調試和設備監造。據當時了解（±660 kV寧東—山東直流輸電工程現已于2011年2月28日正式雙極投入運行），±660 kV寧東—山東直流輸電工程爭取于2008年底開工，2010年上半年開始分系統調試，下半年底單級投產，2011年2月底實現雙極投運，建設工期為24個月。當時，各主設備采購技術規范已編制完成，即將進行招投標工作。另外網聯公司從靈寶背靠背換流站開始，將換流站二次控制和保護功能在進行現場聯合調試之前，先在RTDS仿真試驗室內進行調試，發現很多軟件邏輯和各廠家之間配合存在的問題，為現場調試提前解決了許多問題、保證了現場調試的順利開展。寧東—山東±660 kV直流輸電工程，也在二次控制和保護設備在現場安裝調試之前，先在網聯直流工程公司的RTDS仿真試驗室內進行了半年的仿真調試試驗，我院技術人員提前半年介入RTDS仿真調試試驗，系統地了解和學習了二次控制和保護設備有關的調試程序和出現的技術問題，為后續的現場調試試驗，打下了良好的人員和技術基礎。

2.2 中國電力科學研究院開展情況

中國電力科學研究院主要負責直流工程投產前的端對端系統調試，包括系統計算、調試方案編制等工作，完成了葛南、天廣、貴廣、三廣、龍政、三滬等直流輸電工程、靈寶背靠背換流站和高嶺背靠背換流站等的調試任務。

2.3 有關省網電力科學研究院開展情況

湖北電力科學試驗研究院，作為國內最早介入開展葛南直流輸電工程的單位之一，為國網及南網培養了很多直流技術專家，目前承擔著龍泉、江陵、葛洲壩、宜昌、鵝城（在廣東，屬于國網資產）等多個換流站的監督服務工作。參與了龍政、三滬、德寶、葛上等多個直流輸電工程項目的調試，具有豐富的直流工程調試及技術監督服務經驗。

廣東電力科學研究院承擔了廣州、寶安、肇慶、東莞等四個換流站的監督服務工作，完成了寶安換流站的調試工作，并參與±800 kV云廣特高壓直流輸電工程的調試。

華東電力科學研究院作為國內最早介入開展葛南直流輸電工程的單位之一，培養了大量人才，完成了政平站、華新站調試任務和南橋站測控系統改造工作，也具有豐富的直流工程調試及技術監督服務經驗。

3 直流輸電工程調試相關情況

直流工程調試工作分為元件調試、分系統調試、站系統調試和系統調試（端對端系統調試）。分系統調試是在完成單個設備安裝調試的基礎上檢查整組設備各種功能和技術指標的調試。站系統調試是指在分系統試驗完成并合格的基礎上，換流站一次設備已具備帶電條件，是按照合同和技術規范的要求，檢查換流站功能的試驗，即換流站設備充電、順序控制功能、直流線路開斷等，同時也是為端對端系統調試作準備。端對端系統調試是指在站系統試驗完成并合格的基礎上，驗證整個直流輸電系統的總體功能是否達到了功能規范書所規定的性能指標即校驗交、直流系統聯合運行性能的試驗。按以往慣例，直流輸電工程的元件調試和分系統調試主要由設備制造方和施工方完成，端對端系統調試主要由中國電力科學研究院組織實施。從屬地化管理和今后運行中交、直流電網出現問題的及時解決，保證電網安全穩定運行的角度出發，山東電力研究院就應該從站系統調試入手，掌握直流換流站設備性能、保護和控制系統的原理，為今后換流站的技術監督服務打下堅實基礎。另外，十二五期間，山東電網還將有其它直流工程接入，因此，山東電網必須培養熟悉直流工程的技術人才，以便今后為交、直流混合電網安全運行打下良好基礎。

下面分別介紹山東側青島換流站調試目的、試驗范圍、試驗項目及系統試驗項目，并介紹需要增加的儀器設備。

3.1 換流站站系統調試目的

（1）驗證開關、刀閘的人工和自動操作順序正確無誤。

（2）驗證交流設備（包括母線、開關和閘刀、換流變壓器、交流濾波器和電容器組、避雷器、PT和CT等）可以在500 kV電壓下正常運行。

（3）驗證順控和閥控功能，包括極的連接和隔離，直流大地/金屬回線轉換，直流場空載加壓，直流線路空載加壓等。

（4）驗證閥本體及其閥的輔助設備、直流場開關，刀閘，直流濾波器，測量設備，直流線路可以在±660 kV直流電壓下正常運行。

（5）驗證換流變壓器和閥體，及其輔助設備直接向500 kV母線充電的能力。

（6）驗證交流濾波器組直接向500 kV母線充電的能力。

（7）驗證站內各分系統間的協調配合，具備端對端調試的條件。

3.2 換流站試驗范圍

（1）換流站交流開關場全部一次設備。

（2）換流站平波電抗器、直流濾波器和直流開關場全部一次設備。

（3）換流站換流變壓器及其附屬設備、閥廳設備、閥本體和輔助設備。

（4）換流站交流濾波器和電容器組。

（5）換流站站用電系統。

（6）站測量、控制和監視系統。

（7）故障錄波系統和順序事件記錄系統。

3.3 換流站站系統調試項目

（1）順序操作試驗。

（2）跳閘試驗。

（3）交流場充電。

（4）交流濾波器組充電試驗。

（5）換流變壓器及換流器充電試驗。

（6）直流場、線路開路試驗。

（7）抗干擾試驗。

3.4 直流輸電系統單極調試項目

初始運行方式建立、保護跳閘功能、系統監控功能、有通信及無通信條件下控制模式轉換、電流控制、功率控制、降壓運行、無功功率和電壓控制、輔助電源切換、電流/電壓/熄弧角/功率指令階躍、控制脈沖故障、大地/金屬回線轉換、金屬回線下采用站內接地網接地運行試驗、遠方控制直流系統運行、直流濾波器投切、一個極運行時另一個極帶線路OLT試驗、直流線路故障試驗、接地極線路故障試驗、功率反送試驗、單極額定負荷和1.1倍過負荷試驗等。

3.5 直流輸電雙極系統調試項目

雙極同時起停、極功率補償、主控權轉移、接地極平衡、利用站內接地網接地起停試驗、極跳閘、潮流反轉、交流輔助電源切換、極控110 V直流系統故障、在換流站備用盤和國調中心進行直流系統起停和功率升降操作、直流線路人工接地故障試驗、換流站交流線路出口處人工單相瞬時接地故障試驗和雙極額定功率試驗等；以及功率反送方式下，降壓運行、極跳閘、功率補償、逆變站最后一條線路調整試驗。

4 今后直流輸電工程監督服務內容

目前國網公司換流站的監督服務都是屬地化原則，如華東院、湖北院分別負責為本地電網內的換流站提供監督服務。

從二次設備來說，換流站控制和保護部分在系統投運1年內會出現控制和保護邏輯方面的問題，超過1年后系統基本穩定運行，不會出現較大問題。當然不能排除交流系統故障情況下直流系統控制和保護出現問題，或直流系統故障下交流系統保護有誤動的可能。山東電力研究院可以提供系統定檢及異常分析、事故調查等監督服務內容。

在電氣一次設備方面，山東電力研究院可通過分系統和站系統調試，熟悉并掌握換流站內設備的工作原理和結構等；工程投運后，可負責換流站內主要電氣設備（換流變壓器、平波電抗器、濾波器等）的故障分析、特殊試驗（如換流變壓器的局放試驗、感應耐壓試驗）等，參與重大設備的改造、選型等。

目前國內直流一次設備的檢修規程基本上是參照交流設備的預防性試驗規程編寫的，同時也考慮了直流設備的特殊性。正在執行的規程具有試驗項目多、試驗周期短等特點，直接導致了試驗工作量大，停電檢修周期長，使整個直流系統的可用率遠比國際平均水平低。

國網公司和南方電網公司都對現行的直流輸電系統高壓電氣設備的預防性試驗項目和周期進行了總結，設備包括換流變壓器、交直流濾波器、換流變壓器閥側套管、閥廳內的一次設備、直流穿墻套管、平波電抗器（干式平波電抗器和油浸式平波電抗器）、直流CT（直流分流器）和直流PT（直流分壓器）以及直流開關場內所有設備。我們應研究±660kV直流輸電工程的特點，提出適合本直流工程的技術監督辦法和試驗標準。

5 直流輸電工程對交流電網的影響

寧東-山東直流輸電工程投產后會對山東電網的安全運行產生影響，下面就直流輸電工程對電網穩定、交流電氣設備、電能質量三個方面的影響分別加以介紹。

5.1 直流輸電工程對電網穩定的影響

依據中國電科院的研究報告，直流故障對山東電網影響。2010年情況，山東—華北聯網方式下，考慮華北向山東送電功率1 500 MW方式，寧東—青島直流發生雙極閉鎖后，邯東—聊城單回聯絡線功率增加到2 200 MW，接近4×400 mm2導線熱穩定極限 （按2 300 MW考慮），聊城、濟南、濰坊、青島等地區電壓均能保持正常。山東孤網方式下，直流發生雙極閉鎖后，3.7 s山東電網頻率低于49.1Hz，低頻減載裝置（按目前山東電網低頻減載方案整定）動作，切除2240MW負荷（動作一輪，切負荷比例4%），系統頻率恢復正常，穩態頻率49.77 Hz，電壓恢復正常。

5.2 直流輸電工程對交流電網電氣設備的影響

直流輸電工程對交流電網電氣設備的影響方面，反映較強烈的是直流偏磁對變壓器的影響。直流輸電系統雙極電流不對稱運行或單極大地回線運行時，巨大的直流電流通過接地極注人大地，在地中形成了穩定的直流電場。據調查，湖北對此反映不是很明顯，廣東電網反映較明顯。主要表現在：（1）噪聲、振動增大。在交變磁場作用下，硅鋼片受到外磁場磁化作用，硅鋼片尺寸發生了微小變化（磁滯伸縮），鐵心隨勵磁頻率變化而振動，并產生噪聲。磁滯伸縮產生的振動是非正弦的，噪聲的頻譜含有多種諧波分量。由于變壓器噪聲頻率是變化的，可能會因某一頻率與變壓器結構部件發生共振而使噪聲加大。（2）直流偏磁引起的振動給變壓器本身帶來的問題比噪聲更加嚴重，可能會導致變壓器內外相關緊固件松動，如軸向壓板、壓釘、拉板、地腳螺栓等。此外會導致線圈絕緣層磨損，對變壓器絕緣、抗短路沖擊能力會有較大損害。（3）電壓波形變壞。當鐵心工作在嚴重飽和區時，漏磁通會增加，在一定程度上使電壓波峰變平，諧波電壓、電壓總諧波畸變率增大。4）鐵耗增加。在直流偏磁的作用下，變壓器勵磁電流可能會大幅度增加，變壓器會工作在鐵心的飽和區，使鐵耗大幅增加。

當直流輸電系統單極—大地運行時，流入變壓器中性點的直流電流必然流經變壓器本身的電流互感器以及相關輸電線路的電流互感器，從而產生類似于變壓器的直流偏磁現象。兩者的區別在于變壓器穩定運行點的磁通離飽和點磁通很近，飽和磁通一般為額定磁通的1.15～1.25倍；而保護用電流互感器飽和磁通則一般為額定磁通的10～40倍。與變壓器的直流偏磁情況類似，當電流互感器沒有進入飽和之前，很小的直流電流就會產生較大的直流磁通，但是當變壓器進入飽和區后由于磁阻的增大，相同直流電流所產生的直流磁通將大大減少。

直流系統單極—大地運行對繼電保護的影響主要在于變壓器的直流偏磁穩態諧波。就微機保護而言，諧波對保護的影響一方面與保護采用的算法有關，另一方面也跟諧波含量的大小有關。

對于一些輸電線路保護原理如電流差動保護、方向保護等，當其采用全波傅氏算法時，理論上不受諧波的影響，而實際應用中，當采樣頻率滿足要求時算法本身受諧波的影響也很小，因此基本上不受變壓器直流偏磁諧波的影響。而對于采用半周積分算法的基于工頻變化量等電氣量的快速保護原理，如工頻變化量方向保護、工頻變化量距離保護等，從算法上都無法完全消除諧波的影響。這些算法雖然受諧波的影響要比全波傅氏算法的大，但實際上變壓器直流偏磁所產生的諧波對其影響也是非常有限的。

對于變壓器差動保護，正常運行時其差動量即為變壓器勵磁電流，因此變壓器直流偏磁諧波對變壓器差動保護而言不屬于穿越性諧波，其影響值得關注。正常運行時，在直流偏磁嚴重的情況下，直流偏磁產生的變壓器勵磁電流基波將急劇增大，如果大于差動保護的定值將造成變壓器的差動保護啟動，但是由于一般變壓器差動保護都配有二次諧波制動，而變壓器直流偏磁時勵磁電流的二次諧波分量很高（一般在50%以上），遠遠高于通常整定的二次諧波系數，因此即使保護起動也不會造成差動保護的誤動。而區內故障時，對于匝地故障、相間短路或者較嚴重的匝間短路，由于差動電流較大，直流偏磁時勵磁電流的二次諧波不會對保護的正確動作造成影響。只有在變壓器發生輕微的匝間短路，差動電流很小，而變壓器直流偏磁二次諧波很大時，才有可能導致變壓器差動保護拒動。

5.3 直流工程對電網電能質量的影響

任何換流變壓器均會產生諧波，因此直流輸電工程分別配置有直流濾波器和交流濾波器，以消除諧波對電網的影響。一般來說，換流站濾波器設計時要考慮電網背景諧波，并考慮最惡劣的直流運行工況。但實際上濾波器設計時考慮目標年背景諧波肯定存在誤差，在實際運行中濾波器會由于各種故障不一定全部投運，此時會對電網電能質量造成較大影響。據了解廣東電網曾發生電容器組熔絲燒斷或鼓肚等損壞現象，因此廣東、華東電網均對換流站附近交流500 kV站安裝電能質量在線監測裝置，實時監測500 kV母線電壓及電容器組諧波電流。

6 對今后開展相關工作的建議

及早安排有關科研課題，包括HVDC單極大地回線運行方式直流電流在交流電網的分布研究；變壓器承受直流偏磁能力的仿真研究；變壓器中性點隔直措施研究（包括小電阻、電容方式、有源方式等）；HVDC單極大地運行方式下對電容器運行影響及防范措施的研究；接地極的型式、走向對環境及通訊的影響研究；直流輸電對電網電能質量影響的研究等。

在HVDC單極大地運行方式下，進行相關變電站（升壓站）變壓器中性點電流普測，直流線路落地點附近土壤情況、地下金屬管道的分布進行調查研究，母線電壓及電容器組電能質量測試，以便在直流工程投運后相關運行方式下進行數據比對。

開展換流站二次控制和保護功能的試驗研究，為換流站的技術監督服務打下良好基礎。

在相關變電站及發電廠升壓站安裝電能質量在線監測系統，監測內容包括500 kV、220 kV母線電壓、35 kV母線電壓和電容器組諧波電流；安裝相關變電站（升壓站）主變中性點直流在線監測系統，并做好相關隔直措施。