高壓直流輸電系統常見故障分析

梅寧 王艷秋

摘 要：高壓直流輸電技術因其線路造價低、運行損耗小、線路走廊窄、節能效果好等特點而廣泛運用于遠程電力傳輸，雖然我國已有不少高壓直流輸電系統的運行經驗，但遠未達到其應有經濟性和可靠性，系統故障率較高。本文以±500kV高壓直流輸電為例對一些常見的故障進行了總結和分析，以期為相關領域提供有益的參考。

關鍵詞：高壓直流輸電；±500kV；故障分析；換流器

1前言

±500kV高壓直流輸電線路是目前我國較常規的直流輸電線路，在我國中短程電力傳輸中扮演著越來越重要的角色。高壓直流輸電技術雖然已發展多年，但遠未達到成熟，其運行的可靠性和經濟性仍然受到地理環境、社會環境、氣象條件等復雜因素的影響，線路故障時有出現，對電網安全運行造成了較大的影響。因此，研究高壓直流輸電線路的常見運行故障，對于推動我國高壓直流輸電技術的發展十分必要。

2高壓直流輸電應用現狀

早在上世紀50年代，高壓直流輸電技術就已經實現了商業化運行，在晶閘管問世后，換流站的性能發生了革命性的變化，成本也進一步降低，大大推動了高壓直流輸電技術的發展。我國在高壓直流輸電技術方面的首個重大應用是上海-葛洲壩±500kV高壓直流輸電線路的投運，該工程額定容量達1200MW，輸送距離長達1080公里。隨后，廣州-天生橋、常州-三峽龍泉等一系列±500kV高壓直流輸電工程也相繼成功投運，拉開了我國高壓直流輸電技術大發展的局面。

大量的應用證明，高壓直流輸電技術在功率傳輸特性、過負載能力、故障自愈、功率控制和高度管理等方面都比交流輸電技術更加優秀，尤其適用于大功率遠程輸電、海底電纜輸電和交流系統異步傳輸等特殊場合的應用。

3常見故障分析

高壓直流輸電系統主要由換流站、輸電線路和接地極系統等部分組成，其中換流站是高壓直流輸電系統的核心組成部分之一，結構比較復雜，運行壓力較大，因此常常成為故障的高發區域。

3.1外絕緣故障

某±500kV 直流輸電系統的換流站出現污閃現象。高壓直流輸電系統中的換流站是指將為了完成交流電與直流電進行相互轉換，以滿足電力安全穩定及電能質量而建立的站點。換流站中的主要設備包括換流閥、變壓器、電抗器、濾波器、各類開關設備和保護裝置等，這些設備的絕緣裝置一旦出現問題，就會造成爬電比距不足、復合絕緣憎水性下降、污閃等一系列故障。

當絕緣材料表面污穢，同時設計過程中對設備外絕緣的爬電比距設計不合理，就會直接造成絕緣材料的絕緣強度下降，當環境空氣溫度較大時就會出現持續爬電現象。如果絕緣表面受到靜電影響，還會使灰塵積淀，在潮濕環境下形成導電薄膜，使絕緣表面的泄露電流異常增大，在電場力的作用下發生強烈的放電現象，因而造成污閃。主設備外絕緣爬電距離不足和污閃問題可以通過優化設計和技術改造來加以避免，例如增大爬距、在主設備外加裝增爬裙或涂覆硫化硅橡膠。

3.2雷擊故障

從目前的±500kV高壓直流線路設計水平來看，輸電線路的反擊耐雷水平和接地電阻的質量都有了較大的進步，發生的雷擊故障以雷電繞擊為主，很少會出現雷電反擊現象。從雷擊故障極性的角度上看，由于自然界中雷電以負極性為主，且正極性側具有明顯的上行先導能力，因此雷擊故障一般表現為正極性吸引雷擊，負極性雷擊并不多見。當出現雷擊現象時，一般大檔距的高壓直流線路比較容易跳閘，因此造成的故障概率也大大增加。

為了避免雷擊造成的線路故障，可以根據線路走廊的雷電分布特征，采用防雷差異化技術，合理布設正極性導線位置，增加正極性側絕緣子串干弧距離；在一些關鍵的線路節點，安裝可控放電避雷裝置，同時進一步減小桿塔接地電阻以提高其耐雷性能。另外，最近的試點應用表明，直流避雷器在±500KV高壓直流線路上有較明顯的避雷效果，在成本可控的前提下可考慮采用該技術。

3.3 換流閥短路故障

換流閥位于換流器的主回路中，換流閥短路表現為其兩端都失去阻斷能力。從換流閥的基本結構和原理出發，可以認為換流閥短路故障是由整流器短路或逆變器短路引起的。整流器在阻斷期間通常會承受反向電壓，當該反向電壓異常增大時，就會出現逆弧的風險，進而導致瞬時反向導通，也就是發生了短路現象。整流器短路通常可以通過以下特殊來識別：直流母線電壓大幅下降、閥臂反向電流大幅上升、交流側伴隨著兩相短路或三相短路現象。當發現以上現象時，應首先考慮是否換流閥短路故障。逆變器與整流器不同，它在阻斷期間一般承受正向電壓，如果電壓值異常增大，就很可能會因閥臂絕緣層受損而發生短路。

3.4 逆變器換相失敗

換相失敗是逆變器的常見故障之一，它是指兩個閥臂在換相時電流未按預定的閥臂進行切換的故障現象。從大量的實踐來看，可能造成換相的原因有很多，但最常見的通常為逆變側換流閥短路、交流聯接異常、交流電壓突變、逆變角不夠大、觸發脈沖異常等原因。觸發脈沖是引導換相閥進行換相動作的重要信號，一旦觸發脈沖丟失或出現異常，換相自然不會順利進行。交流聯接故障時可能導致交流欠壓，換流器熄弧角減小，進行造成前閥不能及時動作阻斷而在正壓作用下繼續導通。換相失敗通常也伴隨著一些常見的特征，例如電流中的工頻分量大于整定值，熄弧角小于預設值，換流變壓器出現偏磁，直流系統中檢測到基波成分等等。當判定系統出現換相失敗故障時，可以采取低壓限流控制、增加換流閥觸發角及其脈沖等措施來解決。

4結論與展望

直流輸電技術仍在不斷的發展中，隨著相關基礎理論和無器件工藝的進步，高壓直流輸電系統的換流站建設成本正在不斷下降，交、直流輸電技術的經濟平衡點已縮短到700公里。未來幾十年內，人們在不斷完善直流輸電技術的同時，也將新的目光轉向更先進的輕型直流輸電技術，通過新型晶閘管構建換流站，進一步提高直流輸電技術的經濟性。

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作者簡介：

梅寧（1982-），男，湖北宜昌，研究生，碩士，高級工程師。