高壓直流輸電系統(tǒng)主設備狀態(tài)監(jiān)測分析

胡 強，王渝紅，鄧鴻強，3，李興源，朱 靜，陳慶軍，馬 雷

（1.遼寧省電力有限公司檢修分公司，鞍山 111213；2.四川大學電氣信息學院，成都 610065；3.國網四川省電力公司南充供電公司，南充 637000）

0 引言

隨著國家“西電東送，南北互供，全國聯(lián)網”能源發(fā)展戰(zhàn)略的逐步實施，我國各大區(qū)域電網已出現(xiàn)世界上規(guī)模最大的遠距離大容量輸電格局［1－3］。由于高壓直流輸電具有造價低，線路損耗小，調節(jié)快速，運行可靠，不存在安全穩(wěn)定性問題［4－8］，可以限制短路電流，具有一定的過負荷能力等優(yōu)點而得到了快速發(fā)展。相繼出現(xiàn)了以水電集中外送如向家壩－上海、以火電集中外送如呼倫貝爾－穆家、以連接兩個異步電網實現(xiàn)優(yōu)勢互補如靈寶和高嶺背靠背等多條直流輸電工程。

直流輸電系統(tǒng)主設備的安全運行是整個電網安全運行的基礎。直流換流站內的換流變壓器和換流閥由于設備昂貴、檢修復雜，一旦發(fā)生故障將可能造成巨大的經濟損失。狀態(tài)檢修是基于主設備的出廠參數、家族缺陷、運行歷史和當前運行狀況等基本數據，以在線監(jiān)測為基本手段，通過各種先進技術來比較分析設備的健康狀況，預測設備狀態(tài)發(fā)展趨勢及故障部位、嚴重程度，從而確定最佳檢修方案的一種檢修方法。狀態(tài)檢修的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：維護費用低、電力系統(tǒng)可靠性高、設備損耗率低。狀態(tài)檢修的流程圖見圖1［9－10］。

1 直流主設備的狀態(tài)監(jiān)測

我國在建或已建高壓直流輸電工程已有近二十個，但直流輸電的狀態(tài)檢修工作開展的比較晚，而狀態(tài)監(jiān)測量又是開展狀態(tài)檢修工作的基礎和關鍵。對于換流站內的換流變壓器、換流閥和濾波器等更無交流系統(tǒng)的設備檢修經驗作為參考。

圖1 狀態(tài)檢修流程圖

直流系統(tǒng)主設備的狀態(tài)監(jiān)測工作需根據相應設備的性能指標和狀態(tài)量，結合其權重，評定設備的健康狀況，形成相應的檢修方案。而換流站可控性高、智能化程度高、信號監(jiān)測和傳輸能力強等特點為直流輸電狀態(tài)檢修提供了條件［11］。

1.1 換流變壓器的狀態(tài)監(jiān)測

換流變壓器是直流換流站的核心設備之一，其費用昂貴、制造技術復雜、所處位置重要［12－13］。換流變壓器可靠性及可用性對整個直流系統(tǒng)來說非常關鍵，一旦發(fā)生故障，則可能導致整個直流輸電系統(tǒng)閉鎖停運。

換流變壓器較普通的交流變壓器有較大不同，主要體現(xiàn)在換流變壓器的直流偏磁、短路阻抗、諧波、換流變壓器閥側繞組對地電位含有直流分量等情況［14］。

1）直流偏磁 當與換流變壓器所連接的換流閥觸發(fā)脈沖信號時間不等時，換流變壓器內部容易產生直流偏磁現(xiàn)象，直流偏磁是造成變壓器振動加劇的主要原因，將導致?lián)Q流變壓器鐵芯周期性飽和，加大換流變的損耗，增加諧波含量，降低其效率，加速絕緣老化，增大其噪聲。

2）短路阻抗 短路阻抗能夠在換流變壓器橋臂發(fā)生短路故障時，限制過大的短路電流從而保護換流閥的安全運行，所以換流變壓器要有較大的短路阻抗。但短路阻抗過大，會增加換流變損耗，還會使換流變壓器的無功分量增大，直流電壓中換相壓降過大，將導致直流線路電壓降低，功率傳輸效率降低。

3）諧波 由于換流變壓器的非線性特性，在交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)中將出現(xiàn)諧波電壓和電流，交直流產生的諧波會使換流變的溫度升高、損耗加劇，還會對其所連接的通信設備產生電磁干擾，當換流變壓器鐵芯飽和或者交直流系統(tǒng)滿足互補諧振的條件時會誘發(fā)諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象。諧波不穩(wěn)定將會導致諧波進一步放大，從而導致直流輸電系統(tǒng)崩潰，故諧波問題必須引起足夠的注意。目前抑制諧波的最有效方式是在交流母線上安裝濾波器以及在直流線路上安裝平波電抗器及直流濾波器。

4）直流分量 換流變閥側繞組對地電位可能含有直流電流分量，這對換流變絕緣結構提出了更高要求。在運行中，由于換流變壓器閥側繞組不僅受到交流電壓而且受到直流電壓的作用，此外直流電壓的極性還應根據需要進行反轉。因此，閥側繞組內部絕緣中的電位分布和場強與普通電力變壓器不同，要采用全絕緣。這使其絕緣成本大大提高。

換流變壓器的狀態(tài)評價可以分為部件評價和整體評價兩部分。同時，考慮到換流變壓器各部件的獨立性，又將其分為本體、套管、有載分接開關、冷卻系統(tǒng)以及非電量保護系統(tǒng)5個部件。然后，從換流變壓器整體評價和部件評價的各個方面，按照相應的評價部分列出對應扣分標準，由扣分數值將設備分為正常、異常、注意和嚴重4個不同狀態(tài)。

換流變壓器狀態(tài)管理以臺為單位，各部分的主要部件名稱如表1所示。

表1 換流變壓器各部分的主要部件名稱

換流變壓器的主要性能指標有7個：運行工況、繞組直流電阻、外觀、溫度、絕緣性能、絕緣油性能和機械性能，反映換流變壓器性能指標的狀態(tài)量共有39個，各狀態(tài)量的監(jiān)測獲取方式一般有5種：查閱資料、巡視檢查、帶電檢測、在線監(jiān)測及檢修試驗（見表2）。

換流變壓器的狀態(tài)檢修是通過上述性能指標中的各狀態(tài)量的監(jiān)測情況，確定其健康狀況，從而確定檢修方案。文獻［15］中提到，在換流變壓器常規(guī)色譜分析中檢測結果異常，通過直流電阻等狀態(tài)量的測量評估其故障部位及其發(fā)展趨勢，及時停運檢修，從而防止了事故的發(fā)生。

表2 換流變壓器性能指標狀態(tài)量

1.2 換流閥的狀態(tài)監(jiān)測

與換流變壓器相連接的換流閥是基于電力電子技術完成交－直－交能量轉換的重要設備，通過觸發(fā)脈沖信號讓所需的晶閘管導通從而實現(xiàn)交－直－交能量轉換，換流閥故障將給直流系統(tǒng)帶來非常大的影響。換流閥由多個閥組組成，每個閥組由多個閥組成，每個閥又由眾多個可控硅組成，因此換流閥進行狀態(tài)監(jiān)測時需要以單個閥為基本單位，主要監(jiān)測內容包括閥組件、閥控系統(tǒng)、輔助部件3個部件。換流閥各部分的主要部件名稱如表3所示。

表3 換流閥各部分的主要部件名稱

換流閥的性能指標主要包括絕緣性能、閥觸發(fā)情況、元件發(fā)熱、元件參數和外觀等，各指標的狀態(tài)量共計21個，各狀態(tài)量的監(jiān)測獲取方式一般有5種：查閱資料、巡視檢查、帶電檢測、在線監(jiān)測及檢修試驗。

換流閥性能指標狀態(tài)量如表4所示。

表4 換流閥性能指標狀態(tài)量

換流閥的狀態(tài)量較換流變壓器的狀態(tài)量要少，檢修過程也較為簡單。通過上述換流閥5個性能指標對應的狀態(tài)量，可以分析評價出換流閥的健康狀況，制定相應的檢修策略。通過文獻［16］可知，換流閥的可控硅故障率一般在5%以內，當可控硅部件出現(xiàn)故障時，直接更換故障的可控硅即可。

1.3 濾波器的狀態(tài)監(jiān)測

交直流濾波器是換流站的重要裝置，由于換流閥會產生大量的諧波并消耗大量的無功功率，通過在換流母線上安裝濾波器組，能有效抑制諧波和提供換流站所需的無功功率［17］。濾波器狀態(tài)檢修以組為單位，其中的設備主要包括電容器、電抗器、電阻器、電流互感器和避雷器。交直流濾波器各部分的主要組成部分名稱如表5所示。

表5 交、直流濾波器各部分的主要部件名稱

濾波器的主要性能指標有7個：絕緣性能、導電性能、調諧特性、溫升、運行工況、不平衡電流和外觀。電流互感器和避雷器的性能指標參照其相應狀態(tài)管理工作標準要求［18－19］。交、直流濾波器性能指標的狀態(tài)量共有24個（見表6）。各狀態(tài)量的監(jiān)測獲取方式有5種：查閱資料、巡視檢查、帶電檢測、在線監(jiān)測及檢修試驗。

表6 交、直流濾波器性能指標狀態(tài)量

換流站內的濾波器配置一般是以組為基本單位，每一組由3～5個濾波器組成，同時配有若干個備用濾波器，故其重要性不及換流變壓器和換流閥。根據常規(guī)的狀態(tài)檢修細則一般能夠保證濾波器安全正常運行。平波電抗器的狀態(tài)監(jiān)測量可參考上述3種設備。

2 結語

高壓直流輸電主設備在正常情況下運行是整個系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基礎和保證，開展換流變壓器、換流閥等主設備狀態(tài)監(jiān)測量工作有著重要的實際意義。

本文總結了直流輸電系統(tǒng)主設備的發(fā)展情況，重點分析和總結了換流變壓器、換流閥、濾波器等設備的狀態(tài)檢修所需要的性能指標以及狀態(tài)量，通過在線監(jiān)測和評估這些指標來判斷各設備的健康狀況，從而制定相應的狀態(tài)檢修方案。但對于直流輸電主設備完全進行狀態(tài)檢修工作，還需要有更先進的在線監(jiān)測技術以及評估體系的建立。

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