特高壓直流輸電的技術(shù)特點與工程應(yīng)用

摘要：闡述了特高壓直流輸電技術(shù)具有送電距離遠(yuǎn)、送電容量大、控制靈活和調(diào)度方便等特點，以及在我國應(yīng)用的迫切性和應(yīng)用的廣闊前景。文中較詳細(xì)地介紹了特高壓直流輸電基本參數(shù)的選擇、換流站的主接線方案選擇、換流站主設(shè)備（如換流變壓器、換流閥、換流變壓器套管、穿墻套管等）的選用和配置問題，以及電磁環(huán)境問題。研究分析表明，±800kV特高壓直流輸電的工程應(yīng)用不存在不能克服的技術(shù)問題。文中指出，特高壓直流輸電工程的電磁環(huán)境指標(biāo)目前可以按±500kV直流的限值來控制。

關(guān)鍵詞： 電力系統(tǒng)；特高壓；直流輸電；電網(wǎng)；工程應(yīng)用

　　隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、高速增長，電力需求日益旺盛，電力工業(yè)的發(fā)展速度加快。2004年新增發(fā)電裝機(jī)容量505GW，全國發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到440GW；2005年新增發(fā)電裝機(jī)容量約70GW，全國發(fā)電總裝機(jī)容量突破500GW；預(yù)計到2010年、2020年，全國發(fā)電總裝機(jī)容量將分別達(dá)到700GW和1200GW。

　　新增電力裝機(jī)有很大數(shù)量在西部大水電基地和北部的火電基地。這些集中的大電站群裝機(jī)容量大，距離負(fù)荷中心遠(yuǎn)。如金沙江的溪洛渡、向家壩水電廠，總裝機(jī)容量達(dá)到18.6GW，計劃送電到距電廠1000～2000km的華中、華東地區(qū)；云南的水電有約20GW容量要送到1500km外的廣東；籌劃中的陜西、山西、寧夏、內(nèi)蒙古的大火電基地將送電到華北、華中和華東的負(fù)荷中心，距離近的約1000km，遠(yuǎn)的超過2000km。

　　在這種背景下，要求輸電工程具有更高的輸電能力和輸電效率，實現(xiàn)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的大容量、遠(yuǎn)距離送電。特高壓直流輸電是滿足這種要求的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 特高壓直流輸電的技術(shù)特點

　　特高壓直流輸電的電壓等級概念與交流輸電不一樣。對于交流輸電來說，一般將220kV及以下的電壓等級稱為高壓，330～750kV的稱為超高壓,1000kV及以上的稱為特高壓。直流輸電則稍有不同，±100kV以上的統(tǒng)稱為高壓；±500kV和±600kV仍稱為高壓，一般不稱為超高壓；而超過±600kV的則稱為特高壓。

　　對于單項直流輸電工程而言，通常根據(jù)其送電容量、送電距離等因素進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面的綜合比較，對工程進(jìn)行個性化設(shè)計而確定相應(yīng)的直流電壓等級。我國對特高壓直流輸電的電壓等級進(jìn)行研究和論證時，考慮到我國對直流輸電技術(shù)的研發(fā)水平和直流設(shè)備的研制能力，認(rèn)為確定一個特高壓直流電壓水平是必要的，并把±800kV確定為我國特高壓直流輸電的標(biāo)稱電壓。這有利于我國特高壓直流輸電技術(shù)和設(shè)備制造的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、系列化開發(fā)，有利于進(jìn)行我國特高壓直流輸電工程的規(guī)劃、設(shè)計、實施和管理。

　　特高壓直流輸電技術(shù)不僅具有高壓直流輸電技術(shù)的所有特點，而且能將直流輸電技術(shù)的優(yōu)點更加充分發(fā)揮。直流輸電的優(yōu)點和特點主要有［1］：①輸送容量大。現(xiàn)在世界上已建成多項送電3GW的高壓直流輸電工程。②送電距離遠(yuǎn)。世界上已有輸送距離達(dá)1700km的高壓直流輸電工程。我國的葛南（葛洲壩—上海南橋）直流輸電工程輸送距離為1052km，天廣（天生橋—廣東）、三常（三峽—常州）、三廣（三峽—廣東）、貴廣（貴州—廣東）等直流輸電工程輸送距離都接近1000km。③輸送功率的大小和方向可以快速控制和調(diào)節(jié)。④直流輸電的接入不會增加原有電力系統(tǒng)的短路電流容量，也不受系統(tǒng)穩(wěn)定極限的限制。⑤直流輸電可以充分利用線路走廊資源，其線路走廊寬度約為交流輸電線路的一半，且送電容量大，單位走廊寬度的送電功率約為交流的4倍。如直流±500kV線路走廊寬度約為30m，送電容量達(dá)3GW；而交流500kV線路走廊寬度為55m，送電容量卻只有1GW。⑥直流電纜線路不受交流電纜線路那樣的電容電流困擾，沒有磁感應(yīng)損耗和介質(zhì)損耗，基本上只有芯線電阻損耗，絕緣水平相對較低。⑦直流輸電工程的一個極發(fā)生故障時，另一個極能繼續(xù)運行，并通過發(fā)揮過負(fù)荷能力，可保持輸送功率或減少輸送功率的損失。⑧直流系統(tǒng)本身配有調(diào)制功能，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求做出反應(yīng)，對機(jī)電振蕩產(chǎn)生阻尼，阻尼低頻振蕩，提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平。⑨能夠通過換流站配置的無功功率控制進(jìn)行系統(tǒng)的交流電壓調(diào)節(jié)。⑩大電網(wǎng)之間通過直流輸電互聯(lián)（如背靠背方式），2個電網(wǎng)之間不會互相干擾和影響，必要時可以迅速進(jìn)行功率交換。

　　特高壓直流輸電的特點：①電壓高，高達(dá)±800kV。對與電壓有關(guān)的設(shè)備，如高壓端（ ±800kV）的換流變壓器及其套管、穿墻套管、避雷器等研發(fā)提出了高要求；對承受±800kV的外絕緣，如支持瓷柱、線路絕緣子等需要進(jìn)行新的研發(fā)。②送電容量大。規(guī)劃的特高壓直流輸電工程的送電容量高達(dá)5GW和6.4GW，相應(yīng)的直流額定電流將達(dá)到3125A和4000A。③送電距離長，長達(dá)1500km，甚至超過2000km。

2 特高壓直流輸電面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

　　特高壓直流輸電面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)主要有［2］：

　　（1） 設(shè)備制造難度大?！?00kV特高壓直流輸電中換流變壓器、換流變壓器套管、穿墻套管、換流閥等特高壓直流輸電設(shè)備的設(shè)計制造難度加大。

　　（2） 設(shè)備外絕緣要求高。隨著電壓等級的提高，設(shè)備外絕緣能否到達(dá)要求令人擔(dān)心。特高壓對線路絕緣子的絕緣要求很高，絕緣子在特高壓情況下受直流積污效應(yīng)的影響所能承受的電壓與絕緣距離的關(guān)系較常規(guī)電壓變化很大，可能存在拐點，即當(dāng)電壓達(dá)到一數(shù)值時，絕緣子長度的增加，所能承受的電壓變化很小。換流站的開關(guān)場的外絕緣也要采取特殊辦法。采用合成絕緣材料代替瓷和玻璃是一個解決問題的辦法。設(shè)備所要求的空氣凈距更大。另外由于我國特高壓直流輸電工程經(jīng)過西部高海拔地區(qū)，還必須考慮高海拔對外絕緣的影響。

　?。?） 換流站主接線的基本結(jié)構(gòu)復(fù)雜?！?00kV特高壓直流輸電換流閥采用雙12脈沖閥串接，晶閘管的數(shù)量大大增加。換流變壓器臺數(shù)增加，一個換流站需要24臺變壓器，運行方式復(fù)雜，控制保護(hù)的要求高，設(shè)備布置難度大。

　?。?） 電磁環(huán)境的要求更高。電磁環(huán)境主要涉及可聽噪聲、無線電干擾、地面場強(qiáng)等方面。

　?。?） 接地極入地的電流更大?！?00kV特高壓直流輸電單極運行時接地極入地的電流達(dá)3125A或4000A，如此大的入地電流會對周圍環(huán)境造成很大的影響。如對周圍金屬的腐蝕；對附近中性點接地變壓器產(chǎn)生直流偏磁，引起變壓器非正常發(fā)熱、噪聲增大；造成附近地面電位場強(qiáng)增加，對人畜造成威脅。

　　（6） 極閉鎖故障對電力系統(tǒng)的沖擊。因為特高壓直流輸電輸電容量大，單極故障或雙極故障將造成受電端系統(tǒng)供電容量的嚴(yán)重不足，這會對電力系統(tǒng)造成很大的沖擊，如果交流系統(tǒng)不能承受，將造成電網(wǎng)崩潰，引起災(zāi)難性后果，因此對受電端交流系統(tǒng)提出了較高的要求。

3 特高壓直流輸電的應(yīng)用前景

　　特高壓直流輸電有利于實施“西電東送”戰(zhàn)略，將應(yīng)用于大型水電廠群、大型火電基地的電力外送，送電距離一般都在1000km以上。

　　我國擬建設(shè)的第一個特高壓直流輸電工程是云廣（云南—廣東）±800kV直流輸電工程，以便將云南的電力外送。云南的小灣水電廠裝機(jī)4.2GW，附近的金安橋水電廠裝機(jī)2.4GW。云廣直流工程為適應(yīng)這2座水電站的電力外送，計劃于2009年單極投運，2010年雙極投運。工程額定電壓為±800kV，額定容量為5GW，額定電流為3125A，送電距離為1500km。為了將金沙江的溪洛渡、向家壩水電廠的電力外送，規(guī)劃了3回±800kV直流輸電工程，其中1回送華中，距離約為1000km；其余2回送華東，每回輸送容量為6.2～6.4GW，送電距離約2000km。還有規(guī)劃中的±800kV直流輸電工程，將實現(xiàn)糯扎渡水電廠至廣東、錦屏水電廠至江蘇蘇州、烏東德水電廠至福建泉州、白鶴灘水電廠至湖北東部等電力輸送［3］。

　　大型火電基地用±800kV直流輸電工程實現(xiàn)電力外送的項目有：內(nèi)蒙古東部呼盟火電基地至東北沈陽、至華北、至山東，寧夏火電基地至華東，新疆哈密火電基地至華中等。

　　這些±800kV直流輸電工程的送電容量規(guī)劃為6.2～6.4GW，輸電距離都超過1000km，有的甚至超過2000km。

　　世界上，印度和南非也有發(fā)展特高壓直流輸電的設(shè)想。印度規(guī)劃中的東北部至南部的±800kV直流輸電工程的送電距離約為2000km，規(guī)劃送電容量為6GW。南非設(shè)想將剛果的水電用直流輸電方式輸送到南非，送電距離長達(dá)3000km，計劃輸送功率為3GW，電壓等級為±750kV或±800kV。

4 特高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用研究

4.1 特高壓直流輸電的基本參數(shù)

　　直流電壓、直流功率、直流電流、線路長度是直流輸電工程的基本參數(shù)。其中，直流功率W、直流電流I和直流電壓U滿足公式W=UI的關(guān)系。

　　基于提高送電容量、優(yōu)化損耗和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的綜合考慮，我國的特高壓直流電壓等級定為±800kV。額定電壓是絕緣水平、環(huán)境影響（如電暈、電磁干擾和噪聲等）、設(shè)備制造、工程設(shè)計、工程投資，以及工程建設(shè)難度的決定性因素。

　　直流額定功率的選擇在考慮送電要求的前提下，要考慮直流系統(tǒng)當(dāng)發(fā)生單極和雙極閉鎖故障時交流系統(tǒng)的穩(wěn)定極限。如果存在問題，要么減少直流輸送功率，要么加強(qiáng)交流系統(tǒng)。

　　在額定電壓下，直流電流的大小由直流功率決定，但也與晶閘管閥片通流能力有關(guān)。直流功率選擇5GW，直流電流為3125A，可以使用在±500kV、送電3GW直流工程中使用的直徑為125mm（簡稱5in）閥片；直流功率選擇為6.4GW，直流電流達(dá)到4000A，則需要開發(fā)直徑為150mm（簡稱6in）的閥片。

　　輸電線路長度是決定直流電壓選擇的關(guān)鍵因素之一。輸送距離越長（尤其是1500km以上），特高壓直流輸電在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較中的優(yōu)勢越明顯，選擇特高壓直流輸電方式越有必要。

4.2 換流站的主接線

　　確定特高壓直流輸電換流站的主接線，首先要研究換流器的結(jié)構(gòu)。換流器結(jié)構(gòu)可供選擇的方案有4種：

　?。?） 方案1。每極單12脈沖閥組結(jié)構(gòu)（見圖1）。與±500kV通用結(jié)構(gòu)相同，結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備少、占地面積小。但由于換流變壓器的質(zhì)量、尺寸過大，運輸?shù)浆F(xiàn)場較困難。

　　（2） 方案2。每極2組12脈沖閥組串接（見圖2）。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、設(shè)備多，換流變壓器的數(shù)量加倍。但換流變壓器的質(zhì)量和尺寸能滿足運輸要求，當(dāng)一個閥組出現(xiàn)故障時只須將其旁路，其他閥組照樣可正常運行，提高了可用率（需配旁路開關(guān)）。

　　（3） 方案3。每極12脈沖閥組并聯(lián)（見圖3）?？梢詼p少單閥組通流能力，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備多，換流閥和平波電抗器的數(shù)量是單閥組的2倍。

　?。?） 方案4。一端采用每極雙閥組結(jié)構(gòu)，另一端采用每極單閥組結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的運輸條件，并發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

　　從我國目前特高壓直流輸電工程的情況分析，方案2是優(yōu)先選擇方案有條件的工程可采用方案4。

　　當(dāng)換流器采用每極2組12脈沖閥組串接（或稱雙12脈沖閥組串接）結(jié)構(gòu)時，可以有不同的雙12脈沖閥組組合形式，如（±400kV）+（±400kV）；（±500kV）+（±300kV）；（±600kV）+（±200kV）。不同的組合形式對主設(shè)備的要求和運行方式有所不同，要綜合各方面因素進(jìn)行比較和優(yōu)化選擇。

4.3 換流站的主設(shè)備

　?。?） 換流變壓器。當(dāng)換流器采用雙12脈沖閥組串接結(jié)構(gòu)時，換流變壓器采用單相雙繞組變壓器，每站有24臺變壓器（不包括備用變壓器）。低壓端（±400kV）的換流變壓器的制造難度要小一些，高壓端（±800kV）的換流變壓器的制造是特高壓直流輸電中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　?。?） 換流閥。輸送容量在5 GW以下時，可以使用12.7cm（5in）閥片；輸送容量達(dá)到6.4GW時，則需要使用15.24cm（6in）的閥片。當(dāng)采用雙12脈沖閥組串接結(jié)構(gòu)時，每極需要設(shè)2個獨立閥廳串接。

　　（3） 平波電抗器?？梢圆捎每招靖墒狡讲娍蛊鳎謩e裝在極母線和中性母線上；也可以采用油浸式平波電抗器。

　?。?） 穿墻套管。現(xiàn)有±500kV穿墻套管的外絕緣以硅橡膠為主要成分，內(nèi)芯采用油浸樹脂紙，中間充SF6氣體。由于±800kV要承受比±500kV高得多的電壓，因此其套管長度更長，承受的機(jī)械應(yīng)力更大。同時要考慮外絕緣問題和內(nèi)外絕緣的配合問題。

　　（5） 其他的特高壓直流輸電設(shè)備。換流站的特高壓直流設(shè)備除了上述的換流變壓器、換流閥、平波電抗器、穿墻套管外，其他直接承受特高壓直流電壓的設(shè)備還有直流避雷器、直流隔離開關(guān)、直流電壓分壓器、直流電流互感器、直流濾波電容器、直流PLC電容器、高壓直流旁路開關(guān)等。這些設(shè)備的基本原理和結(jié)構(gòu)與±500kV直流輸電的大體相同，但對外絕緣、內(nèi)外絕緣配合等方面的要求更嚴(yán)格。從外絕緣而言，要在重污穢和高海拔的環(huán)境下安全可靠運行，單靠提高爬距難以奏效，需要從絕緣材料上加以考慮。傾向性的意見是外絕緣應(yīng)盡量采用合成材料。

　?。?） 交流濾波器。交流濾波器和特高壓直流的電壓關(guān)系不大，而與送電容量密切關(guān)系。由于送電容量大，換流站需要濾波和無功補(bǔ)償容量的數(shù)額也巨大，因而合理配備無功數(shù)額和進(jìn)行無功分組是一個要進(jìn)行優(yōu)化的主要問題。

　?。?） 控制保護(hù)系統(tǒng)。控制保護(hù)系統(tǒng)需要適應(yīng)雙12脈沖閥組串接的接線方式和運行方式，需要適應(yīng)超長距離送電的要求，其軟、硬件平臺應(yīng)該按照安全可靠、方便靈活、功能齊全、拓展簡單的原則進(jìn)行升級。

4.4 特高壓直流工程的電磁環(huán)境問題

　　隨著人們對環(huán)境問題認(rèn)識的深化和公眾環(huán)境意識的增強(qiáng)，輸電工程的電磁環(huán)境影響越來越受到關(guān)注，因此，實施特高壓直流輸電工程要特別注重電磁環(huán)境研究。電磁環(huán)境問題已成為影響輸電工程結(jié)構(gòu)和工程建設(shè)費用的重要因素之一。

　　特高壓直流輸電電磁環(huán)境指標(biāo)有待深入研究，目前普遍認(rèn)為，特高壓直流輸電電磁環(huán)境指標(biāo)可以按與±500kV直流輸電的水平相當(dāng)來控制。±500kV直流輸電已有15年的運行經(jīng)驗，其運行狀況可供特高壓直流輸電參照。我國±500kV直流輸電線路電磁環(huán)境的控制指標(biāo)為：①合成場強(qiáng)30kV/m；②可聽噪聲45～50dB；③無線電干擾55dB。

　　換流站的電磁環(huán)境中，最為公眾所關(guān)心的是可聽噪聲。換流站的主要噪聲源是換流變壓器、平波電抗器和交流濾波器。特高壓直流的噪聲比±500kV直流的更為嚴(yán)重。正常運行時，每個換流站有24臺變壓器。當(dāng)其滿負(fù)荷運行時，交流濾波器有近3Gvar的容量。因而大量的噪聲源需要認(rèn)真對待，除了限制設(shè)備本身的噪聲水平外，還要注意將高噪聲設(shè)備布置在遠(yuǎn)離居民區(qū)的位置，必要時要設(shè)立局部隔離措施和吸噪設(shè)施。

　　接地極的影響主要是當(dāng)單極大地回線運行時，有很大的電流注入大地，因而會帶來一系列問題：①入地電流引起接地極周圍地電位升高，須要考慮人畜安全問題。②負(fù)極性入地電流將對附近地下金屬產(chǎn)生腐蝕。③對周圍中性點接地的變壓器產(chǎn)生直流電流，在變壓器中會產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象，導(dǎo)致這些變壓器的噪聲增加、損耗加大、溫度升高。前2個問題在接地極設(shè)計時已有考慮；第3個問題亦已引起重視和研究，提出了一些解決方案。如在變壓器中性點串接電阻以限制直流電流數(shù)值，串接電容以隔離直流電流，或采取補(bǔ)償措施以限制的電流值。目前，主要還是控制運行方式，盡量少采取大地回線方式運行。

5 結(jié)束語

　　我國的“西電東送”戰(zhàn)略要求輸電工程具有更大的輸電能力和更高的輸電效率，實現(xiàn)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的大容量、遠(yuǎn)距離送電。特高壓直流輸電是滿足這種要求的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　特高壓直流輸電工程的設(shè)備從基本原理和結(jié)構(gòu)而言與±500kV直流輸電類似，但由于承受的直流電壓更高，因此其對外絕緣、內(nèi)外絕緣的配合等方面的要求更嚴(yán)格。因而±800kV特高壓直流輸電工程建設(shè)的難度更大，但由于有高壓直流工程的長期運行經(jīng)驗和技術(shù)積累，故特高壓直流輸電工程建設(shè)在技術(shù)上的難題是完全可克服的。目前，特高壓直流輸電工程的電磁環(huán)境指標(biāo)可以按±500kV直流輸電工程的限值來控制，但應(yīng)加強(qiáng)對環(huán)境問題的觀察和研究。

6 參考文獻(xiàn)

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