特高压直流输电

特高压直流输电特高压直流输电的技术随着国民经济的持续、高速增长，电力需求日益旺盛，电力工业的进展速度加快。2023年增发电装机容量505GW，全国发电总装机容量到达440GW；2023年增发电装机容量约70GW，全国发电总装机容量突破500GW；估量到2023年、2023年，全国发电总装700GW1200GW。增电力装机有很大数量在西部大水电基地和北部的火电基地。这些集中的大电站群装机容量大，距离负荷中心远。如金沙江的溪洛渡、向家坝水电厂，总装机容量到达 18.6GW，打算送电到距电厂1000～2023km的华中、华东地区；云南的水电有约20GW容量要送到1500km外的广东；筹划中的陕西、山西、宁夏、内蒙古的大火电基地将送电到华北、华中和华东的负荷中心，距离近的约 1000km，远的超过2023km。在这种背景下，要求输电工程具有更高的输电力量和输电效率，实现安全牢靠、经济合理的大容量、远距离送电。特高压直流输电是满足这种要求的关键技术之一。1特高压直流输电的技术特点特高压直流输电的电压等级概念与沟通输电不一样。对于沟通输电来说，一般将220kV及以下的电压等级称为高压，330～750kV的称为超高压,1000kV及以上的称为特高压。直流输电则稍有不同，±100kV以上的统称为高压；±500kV±600kV仍称为高压，一般不称为超高压；而超过±600kV对于单项直流输电工程而言，通常依据其送电容量、送电距离等因素进展技术、经济方面的综合比较，对工程进展共性化设计而确定相应的直流电压等级。我国对特高压直流输电的电压等级进展争论和论证时，考虑到我国对直流输电技术的研发水平和直流设备的研制能力，认为确定一个特高压直流电压水平是必要的，并把±800kV 确定为我国特高压直流输电的标称电压。这有利于我国特高压直流输电技术和设备制造的标准化、标准化、系列化开发，有利于进展我国特高压直流输电工程的规划、设计、实施和治理。特高压直流输电技术不仅具有高压直流输电技术的全部特点，而且能将直流输电技术的优点更加充分发挥。直流输电的优点和特点主要有［1］：①输送容量大。现在世界上已建成多项送电3GW的高压直流输电工程。②送电距离远。世界上已有输送距离达1700km的高压直流输电工程。我国的葛南〔葛洲坝—上海南桥〕直流输电工程输送距离为1052km，天广〔天生桥—广东〕、三常〔三峡—常州〕、三广〔三峡—广东〕、贵广〔贵州—广东〕等直流输电工程输送距离都接近1000km。③输送功率的大小和方向可以快速掌握和调整。④直流输电的接入不会增加原有电力系统的短路电流容量，也不受系统稳定极限的限制。⑤直流输电可以充分利用线路走廊资源，其线路走廊宽度约为沟通输电线路的一半，且送电容量大，单位走廊宽度的送电功率约为沟通的4倍。如直流±500kV线路走廊宽度约为30m，送电容量达3GW；而沟通500kV线路走廊宽度为55m，送电容量却只有1GW。⑥直流电缆线路不受沟通电缆线路那样的电容电流困扰，没有磁感应损耗和介质损耗，根本上只有芯线电阻损耗，绝缘水平相对较低。⑦直流输电工程的一个极发生故障时，另一个极能连续运行，并通过发挥过负荷力量，可保持输送功率或削减输送功率的损失。⑧直流系统本身配有调制功能，可以依据系统的要求做出反响，对机电振荡产生阻尼，阻尼低频振荡，提高电力系统暂态稳定水平。⑨能够通过换流站配置的无功功率掌握进展系统的沟通电压调整。⑩大电网之间通过直流输电互联〔如背靠背方式〕，2个电网之间不会相互干扰和影响，必要时可以快速进展功率交换。特高压直流输电的特点：①电压高，高达±800kV。对与电压有关的设备，如高压端〔±800kV〕的换流变压器及其套管、穿墙套管、避雷器等研发提出了高要求；对承受±800kV的外绝缘，如支持瓷柱、线路绝缘子等需要进展的研发。②送电容量大。规划的特高压直流输电工程的送电容量高达5GW和6.4GW，相应的直流额定电流将到达3125A和4000A。③送电距离长，长达1500km，甚至超过2023km。2特高压直流输电面临的技术挑战特高压直流输电面临的技术挑战主要有［2］：设备制造难度大。±800kV特高压直流输电中换流变压器、换流变压器套管、穿墙套管、换流阀等特高压直流输电设备的设计制造难度加大。设备外绝缘要求高。随着电压等级的提高，设备外绝缘能否到达要求令人担忧。特高压对线路绝缘子的绝缘要求很高，绝缘子在特高压状况下受直流积污效应的影响所能承受的电压与绝缘距离的关系较常规电压变化很大，可能存在拐点，即当电压到达一数值时，绝缘子长度的增加，所能承受的电压变化很小。换流站的开关场的外绝缘也要实行特别方法。承受合成绝缘材料代替瓷和玻璃是一个解决问题的方法。设备所要求的空气净距更大。另外由于我国特高压直流输电工程经过西部高海拔地区，还必需考虑高海拔对外绝缘的影响。换流站主接线的根本构造简单。±800kV特高压直流输电换流阀承受双12脉冲阀串接，晶闸管的数量大大增加。换流变压器台数增加，一个换流站需要24台变压器，运行方式简单，掌握保护的要求高，设备布置难度大。电磁环境的要求更高。电磁环境主要涉及可听噪声、无线电干扰、地面场强等方面。接地极入地的电流更大。±800kV特高压直流输电单极运行时接地极入地的电流达3125A或4000A，如此大的入地电流会对四周环境造成很大的影响。如对四周金属的腐蚀；对四周中性点接地变压器产生直流偏磁，引起变压器非正常发热、噪声增大；造成四周地面电位场强增加，对人畜造成威逼。极闭锁故障对电力系统的冲击。由于特高压直流输电输电容量大，单极故障或双极故障将造成受电端系统供电容量的严峻缺乏，这会对电力系统造成很大的冲击，假设沟通系统不能承受，将造成电网崩溃，引起灾难性后果，因此对受电端沟通系统提出了较高的要求。特高压直流输电的应用前景特高压直流输电有利于实施“西电东送”战略，将应用于大型水电厂群、大型火电基地的电力外送，送电距离一般都在1000km以上。我国拟建设的第一个特高压直流输电工程是云广〔云南—广东〕±800kV直流输电工程，以便将云南的电力外送。云南的小湾水电厂装机4.2GW，四周的金安桥水电厂装机2.4GW。云广直流工程为适应这2座水电站的电力外送，打算于2023年单极投运，2023年双极投运。工程额定电压为±800kV，额定容量为5GW，额定电流为3125A，送电距离为1500km。为了将金沙江的溪洛渡、向家坝水电厂的电力外送，规划了3回±800kV直流输电工程，其中1回送华中，距离约为1000km；其余2回送华东，每回输送容量为6.2～6.4GW，送电距离约2023km。还有规划中的±800kV直流输电工程，将实现糯扎渡水电厂至广东、锦屏水电厂至江苏苏州、乌东德水电厂至福建泉州、白鹤滩水电厂至湖北东部等电力输送［3］。大型火电基地用±800kV直流输电工程实现电力外送的工程有：内蒙古东部呼盟火电基地至东北沈阳、至华北、至山东，宁夏火电基地至华东，疆哈密火电基地至华中等。这些±800kV直流输电工程的送电容量规划为6.2～6.4GW，输电1000km2023km。世界上，印度和南非也有进展特高压直流输电的设想。印度规划中的东北部至南部的±800kV直流输电工程的送电距离约为2023km，规划送电容量为6GW。南非设想将刚果的水电用直流输电方式输送到南非，送电距离长达3000km，打算输送功率为3GW，电压等级为±750kV±800kV。特高压直流输电技术的应用争论特高压直流输电的根本参数直流电压、直流功率、直流电流、线路长度是直流输电工程的基本参数。其中，直流功率W、直流电流I和直流电压U满足公式W=UI的关系。基于提高送电容量、优化损耗和技术经济比较的综合考虑，我国的特高压直流电压等级定为±800kV。额定电压是绝缘水平、环境影响〔如电晕、电磁干扰和噪声等〕、设备制造、工程设计、工程投资，以及工程建设难度的打算性因素。直流额定功率的选择在考虑送电要求的前提下，要考虑直流系统当发生单极和双极闭锁故障时沟通系统的稳定极限。假设存在问题，要么削减直流输送功率，要么加强沟通系统。在额定电压下，直流电流的大小由直流功率打算，但也与晶闸管阀片通流力量有关。直流功率选择5GW，直流电流为3125A，可以使用在±500kV、送电3GW直流工程中使用的直径为125mm〔简称5in〕阀片；直流功率选择为6.4GW，直流电流到达4000A，则需要开发直径150mm〔6in〕的阀片。输电线路长度是打算直流电压选择的关键因素之一。输送距离越长〔尤其是1500km以上〕，特高压直流输电在技术经济指标比较中的优势越明显，选择特高压直流输电方式越有必要。换流站的主接线确定特高压直流输电换流站的主接线，首先要争论换流器的构造。4方案1。每极单12脉冲阀组构造(见图1)。与±500kV通用构造一样，构造简洁、设备少、占地面积小。但由于换流变压器的质量、尺寸过大，运输到现场较困难。1单12方案2。每极2组12脉冲阀组串接(见图2)。构造较简单、设备多，换流变压器的数量加倍。但换流变压器的质量和尺寸能满足运输要求，当一个阀组消灭故障时只须将其旁路，其他阀组照样可正常运行，提高了可用率〔需配旁路开关〕。2双12方案3。每极12脉冲阀组并联(见图3)。可以削减单阀组通流力量，但构造简单、设备多，换流阀和平波电抗器的数量是单阀组23双12方案4。一端承受每极双阀组构造，另一端承受每极单阀组构造，以适应不同的运输条件，并发挥各自的优势。从我国目前特高压直流输电工程的状况分析，方案2是优先选择4。当换流器承受每极2组12脉冲阀组串接〔或称双12脉冲阀组串接〕构造时，可以有不同的双12脉冲阀组组合形式，如〔±400kV〕+〔±400kV〕；〔±500kV〕+〔±300kV〕；〔±600kV〕+〔±200kV〕。不同的组合形式对主设备的要求和运行方式有所不同，要综合各方面因素进展比较和优化选择。换流站的主设备换流变压器。当换流器承受双12脉冲阀组串接构造时，换流变压器承受单相双绕组变压器，每站有24台变压器〔不包括备用变压器〕。低压端(±400kV)的换流变压器的制造难度要小一些，高压端(±800kV)的换流变压器的制造是特高压直流输电中的关键技术之一。5GW以下时，可以使用12.7cm(5in)阀片；输送容量到达6.4GW时，则需要使用15.24cm(6in)的阀片。当122平波电抗器。可以承受空芯干式平波电抗器，分别装在极母线和中性母线上；也可以承受油浸式平波电抗器。穿墙套管。现有±500kV穿墙套管的外绝缘以硅橡胶为主要成分，内芯承受油浸树脂纸，中间充SF6气体。由于±800kV要承受比±500kV高得多的电压，因此其套管长度更长，承受的机械应力更大。同时要考虑外绝缘问题和内外绝缘的协作问题。其他的特高压直流输电设备。换流站的特高压直流设备除了上述的换流变压器、换流阀、平波电抗器、穿墙套管外，其他直接承受特高压直流电压的设备还有直流避雷器、直流隔离开关、直流电压分压器、直流电流互感器、直流滤波电容器、直流PLC电容器、高压直流旁路开关等。这些设备的根本原理和构造与±500kV 直流输电的大体一样，但对外绝缘、内外绝缘协作等方面的要求更严格。从外绝缘而言，要在重污秽和高海拔的环境下安全牢靠运行，单靠提高爬距难以奏效，需要从绝缘材料上加以考虑。倾向性的意见是外绝缘应尽量承受合成材料。沟通滤波器。沟通滤波器和特高压直流的电压关系不大，而与送电容量亲热关系。由于送电容量大，换流站需要滤波和无功补偿容量的数额也巨大，因而合理配备无功数额和进展无功分组是一个要进行优化的主要问题。掌握保护系统。掌握保护系统需要适应双12脉冲阀组串接的接线方式和运行方式，需要适应超长距离送电的要求，其软、硬件平台应当依据安全牢靠、便利敏捷、功能齐全、拓展简洁的原则进展升级。特高压直流工程的电磁环境问题随着人们对环境问题生疏的深化和公众环境意识的增加，输电工程的电磁环境影响越来越受到关注，因此，实施特高压直流输电工程要特别留意电磁环境争论。电磁环境问题已成为影响输电工程构造和工程建设费用的重要因素之一。特高压直流输电电磁环境指标有待深入争论，目前普遍认为，特高压直流输电电磁环境指标可以按与±500kV 直流输电的水平相当来掌握。±500kV直流输电已有15年的运行阅历，其运行状况可供特高压直流输电参照。我国±500kV直流输电线路电磁环境的掌握指标为：①合成场强30kV/m；②可听噪声45～50dB；③无线电干扰55dB。换流站的电磁环境中，最为公众所关心的是可听噪声。换流站的主要噪声源是换流变压器、平波电抗器和沟通滤波器。特高压直流的噪声比±500kV直流的更为严峻。正常运行时，每个换流站有24台变3Gvar的容量。因而大量的噪声源需要认真对待，除了限制设备本身的噪声水平外