劉云

（國(guó)家電網(wǎng)巴西控股公司，巴西 里約熱內(nèi)盧 20071004）

0 引言

與中國(guó)能源分布相似，巴西能源中心和負(fù)荷中心呈逆向分布。巴西以水電為主，水電中心遠(yuǎn)離里約和圣保羅等南部和東南部負(fù)荷中心。水電資源分布和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不均衡性決定了需要在更大范圍內(nèi)進(jìn)行電力資源優(yōu)化配置。高壓直流工程在伊泰普、馬德拉河上游以及美麗山大型水電中心的電力外送中占據(jù)重要地位，滿(mǎn)足了電網(wǎng)長(zhǎng)距離、大容量的輸電需求。同時(shí)，巴西與周邊多個(gè)國(guó)家的電網(wǎng)頻率不同，背靠背直流工程在巴西與周邊國(guó)家非同步國(guó)際聯(lián)網(wǎng)和電能交換中發(fā)揮了重要作用[1-6]。

巴西直流輸電工程發(fā)展歷史長(zhǎng)，積累了大量設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)[7-8]。目前，中資企業(yè)已經(jīng)擁有巴西新投運(yùn)的美麗山直流輸電工程特許經(jīng)營(yíng)權(quán)。依托中資企業(yè)豐富的特高壓直流輸電工程經(jīng)驗(yàn)和結(jié)合巴西直流輸電工程的本地特點(diǎn)，美麗山直流輸電工程從多方面入手確保工程長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行[9-11]。

1 工程基本情況

20 世紀(jì)80 年代投運(yùn)的巴西伊泰普電力外送± 600 kV 直流輸電工程是巴西直流輸電發(fā)展史上的里程碑。隨后，巴西陸續(xù)建設(shè)了烏魯瓜亞納、加拉比（2 單元）等項(xiàng)背靠背直流聯(lián)網(wǎng)輸電工程，分別實(shí)現(xiàn)了與鄰國(guó)阿根廷和烏拉圭電網(wǎng)非同步聯(lián)網(wǎng)。近十多年，巴西直流輸電工程發(fā)展迅速，陸續(xù)建成投運(yùn)了馬代拉（圣安東尼奧水電站、吉拉烏水電站）和美麗山等4 項(xiàng)電力外送高壓直流輸電工程。截止2019 年底，巴西已投運(yùn)高壓直流輸電工程11 項(xiàng)，其中長(zhǎng)距離輸電工程6 項(xiàng)，背靠背工程5 項(xiàng)。未來(lái)還將規(guī)劃建設(shè)長(zhǎng)距離高壓直流輸電工程4 項(xiàng)，加強(qiáng)北電南送輸電和聯(lián)網(wǎng)通道，見(jiàn)圖1和表1[3-4,12]。

2 工程運(yùn)行情況

巴西直流工程建設(shè)和投運(yùn)時(shí)間跨度較大，關(guān)鍵設(shè)備供應(yīng)商多，管理考核方式不同。有些工程運(yùn)行已經(jīng)超過(guò)30 年設(shè)計(jì)壽命或首個(gè)特許經(jīng)營(yíng)權(quán)期限，有些工程時(shí)間較短。不同工程不同運(yùn)行階段數(shù)據(jù)綜合體現(xiàn)了巴西直流工程建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)特點(diǎn)。

圖1 巴西電網(wǎng)骨干網(wǎng)網(wǎng)架Fig.1 Backbone structure of Brazil power grid

表1 巴西電網(wǎng)中已投運(yùn)和規(guī)劃的高壓直流輸電工程Table 1 HVDC projects having been put into operation and planned in Brazil power grid

2.1 ±600 kV 伊泰普直流輸電工程運(yùn)行情況

伊泰普直流輸電工程的I 回極1 和極2 分別于1984 年和1985 年投運(yùn)；II 回雙極于1987 年投運(yùn)?？紤]到部分主設(shè)備已超過(guò)工程設(shè)計(jì)壽命，運(yùn)維單位已經(jīng)密切監(jiān)視并持續(xù)更新了部分設(shè)備，顯著影響近年運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。因此，本次重點(diǎn)分析1991—2016 年工程運(yùn)行情況[13-17]。

1991—2016 年，伊泰普 ±600 kV 直流輸電工程能量可用率（energy availability，EA），第I 回雙極平均能量可用率95.05%，第 II 回雙極平均能量可用率95.85%，具體情況見(jiàn)圖2[14-17]。

按照引起停運(yùn)的故障設(shè)備分類(lèi)，總故障停運(yùn)次數(shù)和故障處理時(shí)間情況見(jiàn)圖3。

閥和交流設(shè)備故障引起的停運(yùn)時(shí)間占總停運(yùn)時(shí)間75%，是影響工程能量可用率的主要原因。表2 列出歷年來(lái)伊泰普 ±600 kV 直流輸電工程導(dǎo)致能量強(qiáng)迫不可用率（forced energy unavailability，F(xiàn)EU）超過(guò)1%的10 次嚴(yán)重設(shè)備故障情況，其中直流線(xiàn)路倒塔故障5 次，換流變故障2 次，閥火災(zāi)2 次，直流電流互感器爆炸1 次。

雙回±600 kV 伊泰普直流輸電工程總計(jì)配置48 臺(tái)在運(yùn)和8 臺(tái)備用換流變壓器。從投運(yùn)至2014 年，換流變壓器故障27 次。按照故障類(lèi)型分類(lèi)，除1 次為外部短路外，其他26 次均為換流變壓器交、直流繞組本體故障。按照故障發(fā)生的時(shí)間分類(lèi)，1983/1985—1990 年故障12 次，1991—2000 年故障2 次，2001—2014 年故障13 次，呈現(xiàn)出典型的浴盆曲線(xiàn)。換流變壓器和換流閥故障均發(fā)生因備件不足或備品不可用導(dǎo)致?lián)屝迺r(shí)間延長(zhǎng)，工程長(zhǎng)期停運(yùn)的情況。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1993—2014 年，伊泰普±600 kV2回直流輸電線(xiàn)路故障237 次，其中全壓再啟動(dòng)成功的瞬時(shí)故障156 次（65.8%），平均0.441 次/（極·100 km·年）；降壓再啟動(dòng)成功的瞬時(shí)故障21 次（8.9%），平均0.059 次/（極·100 km·年）；永久故障60 次（25.3%），平均0.170 次/（極·100 km·年）。主要故障原因是雷電、大風(fēng)、火災(zāi)、樹(shù)木、車(chē)輛撞擊鐵塔等。

2.2 ±600 kV 馬代拉直流輸電工程運(yùn)行情況

±600 kV 馬代拉I 回直流輸電工程于2013 年投運(yùn)?！?00 kV 馬代拉 II 回直流輸電工程持續(xù)監(jiān)測(cè)和更新接地極和主控制系統(tǒng)，運(yùn)行方式受到影響，此次不納入討論[18-21]。

2013—2016 年，±600 kV 馬代拉I 回直流輸電工程年能量可用率均大于99%，2017 年為95.03%，詳情見(jiàn)圖4[22-23]。

圖3 1991—2016 年伊泰普雙回±600 kV 直流輸電工程設(shè)備故障導(dǎo)致停運(yùn)情況Fig.3 Shutdown caused by equipment failures in the double circuit Itaipú ±600 kV HVDC transmission projects from 1991 to 2016

按照設(shè)備故障類(lèi)型分類(lèi)，2014—2016 年不同類(lèi)型設(shè)備停運(yùn)檢修情況見(jiàn)表3，其中，換流變壓器和交流設(shè)備停電檢修時(shí)間占總停運(yùn)時(shí)間54.8%，是影響工程能量可用率的主要原因[22-23]。圖5 為2014—2016 年±600 kV 馬代拉I 回直流輸電工程按設(shè)備原因分類(lèi)的故障停運(yùn)情況。

典型故障情況包括：

1）2015 年9 月28 日，受端阿拉拉夸拉2 換流站更換1 相備用換流變耗時(shí)8.8 d，占當(dāng)年能量不可用率的63.2%。

2）2015 年10 月10 日，搶修接地極線(xiàn)路倒塔故障，耗時(shí)7.1 d，未影響直流送電。

3）2016 年10 月16 日，搶修極2 閥水冷系統(tǒng)泄漏故障，耗時(shí)25.28 h，占當(dāng)年能量不可用率的29.8%。

4）2017 年3 月23 日，受端阿拉拉夸拉2 換流站處理極1 換流變A 相有載分接開(kāi)關(guān)故障，耗時(shí)41.63 d，占當(dāng)年能量不可用率的57.4%。原因是換流變有載分接開(kāi)關(guān)操作部件因頂蓋密封不良發(fā)生漏水，導(dǎo)致部件長(zhǎng)期浸水銹蝕嚴(yán)重，存在導(dǎo)致?lián)Q流變爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。此外，還發(fā)現(xiàn)有載開(kāi)關(guān)部件存在兩處裂紋及絕緣不足等異常。

此外，由于當(dāng)?shù)厮畮?kù)變更設(shè)計(jì)，洪水淹沒(méi)鐵塔基礎(chǔ)，導(dǎo)致直流線(xiàn)路若干鐵塔異地安裝，耗時(shí)82.6 h。這屬于免責(zé)范圍，不執(zhí)行罰款。

表2 1991—2016 年雙回±600 kV 伊泰普直流輸電工程重要設(shè)備故障原因?qū)е峦＿\(yùn)情況Table 2 Main shutdown caused by equipment failures in the double circuit Itaipú ±600 kV HVDC transmission projects from 1991 to 2016

圖4 2013—2017 年±600 kV 馬德拉I 回 直流輸電工程運(yùn)行指標(biāo)Fig.4 Operating indices of the ±600 kV Madeira I HVDC project from 2013 to 2017

表3 2014—2016 年±600 kV 馬德拉I 回直流輸電工程按設(shè)備原因分類(lèi)的故障停運(yùn)情況Table 3 Shutdown due to equipments failures in ±600 kV Madeira I HVDC transmission project from 2014 to 2016

2014—2015 年，±600 kV 馬代拉II 回高壓直流線(xiàn)路多次受到破壞，超過(guò)20 級(jí)塔受損。特許權(quán)公司組織大力量進(jìn)行搶修，搶修費(fèi)用超過(guò)1000 萬(wàn)雷亞爾。由于多種原因，該線(xiàn)路運(yùn)行情況受到一定限制。

2014—2017 年，±600 kV 馬代拉I 回 直流輸電工程按照REN 191/2005、REN 729/2016 和REN 669/2015 等巴西輸電監(jiān)管規(guī)則，從政府獲取特許經(jīng)營(yíng)收益，平均罰款（parcela variável por indisponibilidade, PVI）比例為5.11%，各季度在0～24%間浮動(dòng)，詳見(jiàn)圖6。

圖5 2014-—2016 年±600 kV 馬德拉I 回直流輸電工程按設(shè)備故障分類(lèi)的故障停運(yùn)情況Fig.5 Shutdown classified by equipment failures in ±600 kV Madeira I HVDC transmission project from 2014 to 2016

2.3 背靠背直流輸電工程運(yùn)行情況

5 個(gè)直流背靠背單元總體運(yùn)行情況良好。烏魯瓜亞納背靠背單元2015—2017 年能量可用率分別為99.84%，99.48%，99.45%。從2014 年至今，馬代拉兩回背靠背工程能量可用率一直維持在99%以上，如圖7 所示。配合設(shè)備計(jì)劃?rùn)z修是影響背靠背直流能量可用率的主要原因。

±800 kV 美麗山直流輸電工程投運(yùn)時(shí)間短，暫不統(tǒng)計(jì)運(yùn)行情況。

3 挑戰(zhàn)及啟示

3.1 監(jiān)管和考核嚴(yán)格

特許經(jīng)營(yíng)公司(sociedade de propósito específico，SPE)是巴西輸電行業(yè)的主體，負(fù)責(zé)確保所轄輸電系統(tǒng)可靠、可用。交、直流工程運(yùn)營(yíng)收益(receita annual permitida，RAP)計(jì)算主要依據(jù)3 項(xiàng)監(jiān)管規(guī)則[24-27]。

1）REN 191/2005—年許可收益和支付基數(shù)的定義(defini??o das FTs e pagamentos base)。

圖6 2014—2017 年±600 kV 馬德拉I 回直流輸電平均罰款比例Fig.6 PVI of ±600 kV Madeira I HVDC transmission project from 2014 to 2017

圖7 2013—2017 年馬代拉雙回背靠背工程的能量可用率Fig.7 Energy availability of two Madeira back-to-back units from 2013 to 2017

2）REN 729/2016—公共輸電服務(wù)質(zhì)量(qualidade do servi?o público de transmiss?o de energia elétrica)。

3）REN 669/2015—最低檢修要求(requisitos mínimos de manuten??o)。

巴西輸電企業(yè)眾多，規(guī)模和管理水平差別大。截至 2018 年9 月，巴西共有 125 家輸電公司，203項(xiàng)輸電特許權(quán)經(jīng)營(yíng)合同。2017—2018 年，巴西各輸電公司運(yùn)營(yíng)年度許可收入(RAP)情況見(jiàn)圖8。

交流工程運(yùn)維年度罰款與年度收入比例，全輸電行業(yè)整體穩(wěn)定在1%～2%左右。直流輸電工程每年運(yùn)維罰款比例波動(dòng)大，總體偏高，見(jiàn)圖9。

若干電力公司交直流收入和罰款差別更大。例如，某EB 輸電公司，2016 年高壓直流輸電工程年度運(yùn)營(yíng)收入扣減（PV）率為6.7%，而同期高壓交流輸電工程為1.4%，見(jiàn)圖9；EN 公司則分別為5.2%和1.4%，見(jiàn)圖10 和圖11。兩家公司直流輸電工程年度運(yùn)營(yíng)收入扣減率均超過(guò)交流工程的3 倍。

圖8 2017—2018 年度各輸電公司年度運(yùn)營(yíng)許可收入Fig.8 RAP of the Brazilian power transmission companies from 2017 to 2018

圖9 巴西高壓直流輸電設(shè)施和高壓交流輸電線(xiàn)路的年度運(yùn)營(yíng)許可收入占比和年度運(yùn)營(yíng)收入扣減占比Fig.9 RAP and PV ratio of Brazilian HVDC transmission facilities and HVAC transmission lines

目前，在同樣的監(jiān)管和考核規(guī)則下，與交流輸電工程相比，高壓直流工程已承受更加激進(jìn)的運(yùn)維罰款比例，產(chǎn)生直流輸電工程投資與收益事實(shí)上的顯著失衡。高壓直流輸電工程改善動(dòng)態(tài)和靜態(tài)系統(tǒng)性能的貢獻(xiàn)未受到合理的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償和獎(jiǎng)勵(lì)，導(dǎo)致投資者對(duì)直流輸電工程投資收益產(chǎn)生疑慮。

依托中國(guó)長(zhǎng)期積累的完備的高壓直流工程運(yùn)營(yíng)管理制度，除逐步完善工程自身運(yùn)維管理制度外，美麗山特高壓直流工程團(tuán)隊(duì)正在參與巴西監(jiān)管規(guī)則調(diào)整進(jìn)程，加大中國(guó)高壓直流工程管理和行業(yè)監(jiān)管規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)推介力度，擴(kuò)大行業(yè)技術(shù)和管理共識(shí)，扭轉(zhuǎn)對(duì)高壓直流輸電工程不利的運(yùn)維監(jiān)管局面。例如，依托中國(guó)特高壓常規(guī)采用的低負(fù)荷時(shí)期預(yù)防性檢修和帶電檢修消缺等方案，持續(xù)深入分析和廣泛討論優(yōu)化巴西最小檢修策略本地化實(shí)施路徑，優(yōu)化直流系統(tǒng)檢修計(jì)劃和方案，兼顧提高系統(tǒng)可靠性和降低運(yùn)營(yíng)成本。

圖10 2016 年某EB 電力公司高壓直流輸電和高壓交流輸電的年度運(yùn)營(yíng)許可收入和年度運(yùn)營(yíng)收入扣減.Fig.10 RAP and PV of HVDC transmission project and HVAC transmission projects of a certain EB power company in 2016

圖11 2016 年某EN 電力公司高壓直流輸電和高壓交流輸電的年度運(yùn)營(yíng)許可收入和年度運(yùn)營(yíng)收入扣減Fig.11 RAP and PV ratio of HVDC transmission project and HVAC transmission project of a certain EN power company

3.2 直流線(xiàn)路維護(hù)復(fù)雜

巴西的地理和氣候條件優(yōu)越，影響直流輸電線(xiàn)路運(yùn)行的主要災(zāi)害依次為雷電，火災(zāi)，植物生長(zhǎng)，農(nóng)用車(chē)事故。輸電系統(tǒng)架空線(xiàn)路設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)維充分適應(yīng)了當(dāng)?shù)貙?shí)際情況。

3.2.1 拉線(xiàn)塔比例高

與中國(guó)高壓輸電線(xiàn)路以自立塔為主不同，巴西架空線(xiàn)路中拉線(xiàn)塔比例普遍較大，極大地節(jié)省了工程材料和建設(shè)投資。例如，±600 kV 伊泰普高壓直流輸電線(xiàn)路約80%為拉線(xiàn)塔，典型重量為5T；而自立塔典型重量約為9T?！?00 kV 美麗山I 回高壓直流輸電線(xiàn)路拉線(xiàn)塔占71%，自立塔占29%?！?00 kV 美麗山II 回拉線(xiàn)塔占70%，自立塔占30%。

3.2.2 線(xiàn)路維護(hù)任務(wù)重

直流線(xiàn)路途經(jīng)地區(qū)植被茂盛，尤其是±800 kV美麗山直流線(xiàn)路途經(jīng)廣大的亞馬遜雨林地區(qū)，植被清理任務(wù)重，年植被清理面積約為線(xiàn)路走廊的5%。此外，人為破壞情況時(shí)有發(fā)生。直流線(xiàn)路途經(jīng)大量原始部落和治安復(fù)雜地區(qū)，人為破壞線(xiàn)塔情況占據(jù)一定比例。火災(zāi)和車(chē)輛機(jī)械碰撞鐵塔也有發(fā)生。例如，2017 年1 月底，±600 kV 馬代拉II 回直流線(xiàn)路發(fā)生人為破壞鐵塔，檢修人員修復(fù)，并對(duì)75 級(jí)塔進(jìn)行檢查。

3.2.3 直流雙回線(xiàn)路走廊相近

伊泰普、馬代拉和美麗山電力外送均分別建設(shè)兩回長(zhǎng)距離直流輸電工程，線(xiàn)路走廊同向建設(shè)，大部分地理位置相近。線(xiàn)路維護(hù)方面材料和人員已經(jīng)形成良好的協(xié)同效應(yīng)。

3.3 啟示

3.3.1 建設(shè)完善快速的設(shè)備服務(wù)體系

美麗山特高壓直流輸電工程設(shè)備運(yùn)維著力應(yīng)對(duì)多方面挑戰(zhàn)：一是設(shè)備廠(chǎng)家眾多，巴西境外采購(gòu)比例高，部分設(shè)備供貨周期長(zhǎng)；二是巴西境內(nèi)直流輸電工程運(yùn)維人員和隊(duì)伍跨工程協(xié)作比例低。工程注重依托和借鑒中資企業(yè)嚴(yán)密的專(zhuān)業(yè)技術(shù)管理體系和運(yùn)維人員豐富的經(jīng)驗(yàn)、充實(shí)工程備品備件、完善快速巴西境外零部件采購(gòu)運(yùn)輸服務(wù)體系、完善高效的海外特高壓直流輸電工程的運(yùn)維體系、構(gòu)建嚴(yán)密的本地設(shè)備服務(wù)的支撐體系等，有力地支撐了工程的建設(shè)和長(zhǎng)期運(yùn)維。截止2019年底，國(guó)家電網(wǎng)公司已經(jīng)建設(shè)投運(yùn)10 回±800 kV特高壓直流輸電工程，線(xiàn)路總長(zhǎng)17245 km，總換流容量167.2 GW，強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)和強(qiáng)迫能量不可用率等關(guān)鍵可靠性指標(biāo)居于世界前列。國(guó)網(wǎng)公司高壓直流輸電工程歷年單極年平均強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)，從2003 年的3.5 次/極年降低 至2019 年的0.2 次/極年，降低了94.3%，見(jiàn)圖12[9]。

圖12 2003—2018 年國(guó)網(wǎng)公司高壓直流工程單極年平均強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)Fig.12 Annual mean forced single-pole shutdown times of SGCC HVDC projects from 2003 to 2018

3.3.2 融合不同工程管理規(guī)范

±800 kV 美麗山直流輸電工程運(yùn)維需要應(yīng)對(duì)與中國(guó)不同的管理和考核體系的挑戰(zhàn)。一是特許經(jīng)營(yíng)公司通過(guò)合同協(xié)議等協(xié)調(diào)和兄弟電力企業(yè)間運(yùn)營(yíng)活動(dòng)。各公司技術(shù)管理經(jīng)驗(yàn)和水平參差不齊，立足各自所轄資產(chǎn)設(shè)備安全性，執(zhí)行各自企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致協(xié)調(diào)工作難度大。二是巴西直流輸電工程運(yùn)營(yíng)監(jiān)管和考核規(guī)則嚴(yán)苛，特許經(jīng)營(yíng)公司面臨的運(yùn)營(yíng)壓力大。

4 結(jié)語(yǔ)

高壓直流輸電工程在巴西輸電網(wǎng)中占據(jù)重要地位。截止2019 年底，巴西已投運(yùn)11 項(xiàng)高壓直流輸電工程，未來(lái)還將規(guī)劃建設(shè)4 項(xiàng)長(zhǎng)距離高壓直流輸電工程。巴西背靠背直流工程整體運(yùn)行情況良好。長(zhǎng)距離直流輸電工程能量可用率受閥、換流變和交流設(shè)備運(yùn)行工況及檢修時(shí)間影響大，同時(shí)，直流輸電線(xiàn)路運(yùn)維工作量大。巴西高壓直流輸電工程運(yùn)營(yíng)的監(jiān)管和考核規(guī)則具有挑戰(zhàn)性，特許運(yùn)營(yíng)工作面臨提高運(yùn)行可靠性和降低運(yùn)營(yíng)成本的雙重壓力。依托豐富的高壓直流工程技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，中資企業(yè)有力支撐 美麗山直流輸電工程建設(shè)和運(yùn)維，并有利于中國(guó)特高壓技術(shù)國(guó)際化道路行穩(wěn)致遠(yuǎn)。