特高壓直流輸電

特高壓直流輸電特高壓直流輸電的技術(shù)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)的進(jìn)展速度加快。2023年增發(fā)電裝機(jī)容量505GW，全國發(fā)電總裝機(jī)容量到達(dá)440GW；2023年增發(fā)電裝機(jī)容量約70GW，全國發(fā)電總裝機(jī)容量突破500GW；估量到2023年、2023年，全國發(fā)電總裝700GW1200GW。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)容量到達(dá) 18.6GW，打算送電到距電廠1000～2023km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2023km。在這種背景下，要求輸電工程具有更高的輸電力量和輸電效率，實現(xiàn)安全牢靠、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溝通輸電不一樣。對于溝通輸電來說，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±600kV仍稱為高壓，一般不稱為超高壓；而超過±600kV對于單項直流輸電工程而言，通常依據(jù)其送電容量、送電距離等因素進(jìn)展技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面的綜合比較，對工程進(jìn)展共性化設(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)展?fàn)幷摵驼撟C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、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化開發(fā)，有利于進(jìn)展我國特高壓直流輸電工程的規(guī)劃、設(shè)計、實施和治理。特高壓直流輸電技術(shù)不僅具有高壓直流輸電技術(shù)的全部特點，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掌握和調(diào)整。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溝通輸電線路的一半，且送電容量大，單位走廊寬度的送電功率約為溝通的4倍。如直流±500kV線路走廊寬度約為30m，送電容量達(dá)3GW；而溝通500kV線路走廊寬度為55m，送電容量卻只有1GW。⑥直流電纜線路不受溝通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，根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，另一個極能連續(xù)運行，并通過發(fā)揮過負(fù)荷力量，可保持輸送功率或削減輸送功率的損失。⑧直流系統(tǒng)本身配有調(diào)制功能，可以依據(jù)系統(tǒng)的要求做出反響，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掌握進(jìn)展系統(tǒng)的溝通電壓調(diào)整。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)之間不會相互干擾和影響，必要時可以快速進(jìn)展功率交換。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)展的研發(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)的直流額定電流將到達(dá)3125A和4000A。③送電距離長，長達(dá)1500km，甚至超過2023km。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］：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。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)憂。特高壓對線路絕緣子的絕緣要求很高，絕緣子在特高壓狀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)電壓到達(dá)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)場的外絕緣也要實行特別方法。承受合成絕緣材料代替瓷和玻璃是一個解決問題的方法。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)，還必需考慮高海拔對外絕緣的影響。換流站主接線的根本構(gòu)造簡單?！?00kV特高壓直流輸電換流閥承受雙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，運行方式簡單，掌握保護(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。±800kV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四周環(huán)境造成很大的影響。如對四周金屬的腐蝕；對四周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；造成四周地面電位場強(qiáng)增加，對人畜造成威逼。極閉鎖故障對電力系統(tǒng)的沖擊。由于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)峻缺乏，這會對電力系統(tǒng)造成很大的沖擊，假設(shè)溝通系統(tǒng)不能承受，將造成電網(wǎng)崩潰，引起災(zāi)難性后果，因此對受電端溝通系統(tǒng)提出了較高的要求。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，四周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，打算于2023年單極投運，2023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2023km。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)電力外送的工程有：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，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1000km2023km。世界上，印度和南非也有進(jìn)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2023km，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，打算輸送功率為3GW，電壓等級為±750kV±800kV。特高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用爭論特高壓直流輸電的根本參數(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?；谔岣咚碗娙萘俊?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)難度的打算性因素。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溝通系統(tǒng)的穩(wěn)定極限。假設(shè)存在問題，要么削減直流輸送功率，要么加強(qiáng)溝通系統(tǒng)。在額定電壓下，直流電流的大小由直流功率打算，但也與晶閘管閥片通流力量有關(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，直流電流到達(dá)4000A，則需要開發(fā)直徑150mm〔6in〕的閥片。輸電線路長度是打算直流電壓選擇的關(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。換流站的主接線確定特高壓直流輸電換流站的主接線，首先要爭論換流器的構(gòu)造。4方案1。每極單12脈沖閥組構(gòu)造(見圖1)。與±500kV通用構(gòu)造一樣，構(gòu)造簡潔、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。1單12方案2。每極2組12脈沖閥組串接(見圖2)。構(gòu)造較簡單、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)一個閥組消滅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)〕。2雙12方案3。每極12脈沖閥組并聯(lián)(見圖3)。可以削減單閥組通流力量，但構(gòu)造簡單、設(shè)備多，換流閥和平波電抗器的數(shù)量是單閥組23雙12方案4。一端承受每極雙閥組構(gòu)造，另一端承受每極單閥組構(gòu)造，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狀況分析，方案2是優(yōu)先選擇4。當(dāng)換流器承受每極2組12脈沖閥組串接〔或稱雙12脈沖閥組串接〕構(gòu)造時，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)展比較和優(yōu)化選擇。換流站的主設(shè)備換流變壓器。當(dāng)換流器承受雙12脈沖閥組串接構(gòu)造時，換流變壓器承受單相雙繞組變壓器，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。5GW以下時，可以使用12.7cm(5in)閥片；輸送容量到達(dá)6.4GW時，則需要使用15.24cm(6in)的閥片。當(dāng)122平波電抗器。可以承受空芯干式平波電抗器，分別裝在極母線和中性母線上；也可以承受油浸式平波電抗器。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)芯承受油浸樹脂紙，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)外絕緣的協(xié)作問題。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)備的根本原理和構(gòu)造與±500kV 直流輸電的大體一樣，但對外絕緣、內(nèi)外絕緣協(xié)作等方面的要求更嚴(yán)格。從外絕緣而言，要在重污穢和高海拔的環(huán)境下安全牢靠運行，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)盡量承受合成材料。溝通濾波器。溝通濾波器和特高壓直流的電壓關(guān)系不大，而與送電容量親熱關(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)展無功分組是一個要進(jìn)行優(yōu)化的主要問題。掌握保護(hù)系統(tǒng)。掌握保護(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)當(dāng)依據(jù)安全牢靠、便利敏捷、功能齊全、拓展簡潔的原則進(jìn)展升級。特高壓直流工程的電磁環(huán)境問題隨著人們對環(huán)境問題生疏的深化和公眾環(huán)境意識的增加，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留意電磁環(huán)境爭論。電磁環(huán)境問題已成為影響輸電工程構(gòu)造和工程建設(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)有待深入爭論，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)來掌握?！?00kV直流輸電已有15年的運行閱歷，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)境的掌握指標(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、平波電抗器和溝通濾波器。特高壓直流的噪聲比±500kV直流的更為嚴(yán)峻。正常運行時，每個換流站有24臺變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