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1、特高压直流输电的技术特点与工程应用fenghy导语：阐述了特高压直流输电技术具有送电间隔远、送电容量大、控制灵敏和调度方便等特点，以及在我国应用的迫切性和应用的广阔前景摘要：阐述了特高压直流输电技术具有送电间隔远、送电容量大、控制灵敏和调度方便等特点，以及在我国应用的迫切性和应用的广阔前景。文中较具体地介绍了特高压直流输电根本参数的选择、换流站的主接线方案选择、换流站主设备如换流变压器、换流阀、换流变压器套管、穿墙套管等的选用和配置问题，以及电磁环境问题。研究分析说明，800kV特高压直流输电的工程应用不存在不能克制的技术问题。文中指出，特高压直流输电工程的电磁环境指标目前可以按500kV直流
2、的限值来控制。关键词：电力系统；特高压；直流输电；电网；工程应用随着国民经济的持续、高速增长，电力需求日益旺盛，电力工业的开展速度加快。2004年新增发电装机容量505GW，全国发电总装机容量到达440GW；2005年新增发电装机容量约70GW，全国发电总装机容量打破500GW；预计到2020年、2020年，全国发电总装机容量将分别到达700GW和1200GW。新增电力装机有很大数目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，间隔负荷中心远。如金沙江的溪洛渡、向家坝水电厂，总装机容量到达18.6GW，方案送电到距电厂10002000km的华中、华东地区；云南的水电有约20G
3、W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，间隔近的约1000km，远的超过2000km。在这种背景下，要求输电工程具有更高的输电才能和输电效率，实现平安可靠、经济公道的大容量、远间隔送电。特高压直流输电是知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。对于沟通输电来讲，一般将220kV及以下的电压等级称为高压，330750kV的称为超高压,1000kV及以上的称为特高压。直流输电那么稍有不同，100kV以上的统称为高压；500kV和600kV仍称为高压，一般不称为超高压；
4、而超过600kV的那么称为特高压。对于单项直流输电工程而言，通常根据其送电容量、送电间隔等因素进展技术、经济方面的综合比拟，对工程进展个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研究和论证时，考虑到我国对直流输电技术的研发程度和直流设备的研制才能，以为确定一个特高压直流电压程度是必要的，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、施行和治理。特高压直流输电技术不仅具有高压直流输电技术的所有特点，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
5、和特点主要有1：输送容量大。如今世界上已建成多项送电3GW的高压直流输电工程。送电间隔远。世界上已有输送间隔达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间隔为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间隔都接近1000km。输送功率的大小和方向可以快速控制和调节。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。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
6、沟通500kV线路走廊宽度为55m，送电容量却只有1GW。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，绝缘程度相对较低。直流输电工程的一个极发生故障时，另一个极能继续运行，并通过发挥过负荷才能，可保持输送功率或者减少输送功率的损失。直流系统本身配有调制功能，可以根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，进步电力系统暂态稳定程度。可以通过换流站配置的无功功率控制进展系统的沟通电压调节。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，必要时可以迅速进展功率交换。特高压直流输电的特点：电压高，高达800kV
7、。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新的研发。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。送电间隔长，长达1500km，甚至超过2000km。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2：1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。2设备外绝缘要求高。随着电压等级的进步，设备外绝缘能否到达要求令人担
8、忧。特高压对线路绝缘子的绝缘要求很高，绝缘子在特高压情况下受直流积污效应的影响所能承受的电压与绝缘间隔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采取特殊方法。采用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，还必须考虑高海拔对外绝缘的影响。3换流站主接线的根本构造复杂。800kV特高压直流输电换流阀采用双12脉冲阀串接，晶闸管的数目大大增加。换流变压器台数增加，一个换流站需要24台变压器，运行方式复杂，控制保护的要求高，设备布置难度
9、大。4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。5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或者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；对附近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；造成附近地面电位场强增加，对人畜造成威胁。6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，单极故障或者双极故障将造成受电端系统供电容量的严重缺乏，这会对电力系统造成很大的冲击，假如沟通系统不能承受，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。3特高
10、压直流输电的应用前景特高压直流输电有利于施行西电东送战略，将应用于大型水电厂群、大型火电基地的电力外送，送电间隔一般都在1000km以上。我国拟建立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，附近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，方案于2020年单极投运，2020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，送电间隔为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，间隔约为1000km；其余
11、2回送华东，每回输送容量为6.26.4GW，送电间隔约2000km。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，新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6.26.4GW，输电间隔都超过1000km，有的甚至超过2000km。世界上，印度和南非也有开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间隔约为2000k
12、m，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，送电间隔长达3000km，方案输送功率为3GW，电压等级为750kV或者800kV。4特高压直流输电技术的应用研究4.1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根本参数。其中，直流功率W、直流电流I和直流电压U知足公式W=UI的关系。基于进步送电容量、优化损耗和技术经济比拟的综合考虑，我国的特高压直流电压等级定为800kV。额定电压是绝缘程度、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，以及工程建立难度的决定性因素。直流额定功率的选择在考虑送电要求的前提下，要考虑直
13、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。假如存在问题，要么减少直流输送功率，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决定，但也与晶闸管阀片通流才能有关。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，那么需要开发直径为150mm简称6in的阀片。输电线路长度是决定直流电压选择的关键因素之一。输送间隔越长尤其是1500km以上，特高压直流输电在技术经济指标比拟中的上风越明显，选择特高压直流输电方式越有必要。4.2换流站的主接线确定特高压直流输电换
14、流站的主接线，首先要研究换流器的构造。换流器构造可供选择的方案有4种：1方案1。每极单12脉冲阀组构造见图1。与500kV通用构造一样，构造简单、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。图1单12脉冲阀组构造图2方案2。每极2组12脉冲阀组串接见图2。构造较复杂、设备多，换流变压器的数目加倍。但换流变压器的质量和尺寸能知足运输要求，当一个阀组出现故障时只须将其旁路，其他阀组照样可正常运行，进步了可用率需配旁路开关。图2双12脉冲阀组串接构造图3方案3。每极12脉冲阀组并联见图3。可以减少单阀组通流才能，但构造复杂、设备多，换流阀和平波电抗器的数目是单阀组的2倍。
15、图3双12脉冲阀组并联构造图4方案4。一端采用每极双阀组构造，另一端采用每极单阀组构造，以适应不同的运输条件，并发挥各自的上风。从我国目前特高压直流输电工程的情况分析，方案2是优先选择方案有条件的工程可采用方案4。当换流器采用每极2组12脉冲阀组串接或者称双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拟和优化选择。4.3换流站的主设备1换流变压器。当换流器采用双12脉冲阀组串接构造时，换流变压器采用单相双绕组变压器，每站有24台变压器不
16、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。2换流阀。输送容量在5GW以下时，可以使用12.7cm5in阀片；输送容量到达6.4GW时，那么需要使用15.24cm6in的阀片。当采用双12脉冲阀组串接构造时，每极需要设2个独立阀厅串接。3平波电抗器。可以采用空芯干式平波电抗器，分别装在极母线和中性母线上；也可以采用油浸式平波电抗器。4穿墙套管。现有500kV穿墙套管的外绝缘以硅橡胶为主要成分，内芯采用油浸树脂纸，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
17、力更大。同时要考虑外绝缘问题和内外绝缘的配合问题。5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、直流隔分开关、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、内外绝缘配合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平安可靠运行，单靠进步爬距难以奏效，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采用合成材料。6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
18、送电容量亲密关系。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宏大，因此公道装备无功数额和进展无功分组是一个要进展优化的主要问题。7控制保护系统。控制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，需要适应超长间隔送电的要求，其软、硬件平台应该按照平安可靠、方便灵敏、功能齐全、拓展简单的原那么进展晋级。4.4特高压直流工程的电磁环境问题随着人们对环境问题认识的深化和公众环境意识的增强，输电工程的电磁环境影响越来越受到关注，因此，施行特高压直流输电工程要十分注重电磁环境研究。电磁环境问题已成为影响输电工程构造和工程建立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化研究，目
19、前普遍以为，特高压直流输电电磁环境指标可以按与500kV直流输电的程度相当来控制。500kV直流输电已有15年的运行经历，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控制指标为：合成场强30kV/m；可听噪声4550dB；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直流的更为严重。正常运行时，每个换流站有24台变压器。当其满负荷运行时，沟通滤波器有近3Gvar的容量。因此大量的噪声源需要认真对待，除了限制设备本身的噪声程度外，还要留意将高噪声设备布置在远离居民区
20、的位置，必要时要设立部分隔离措施和吸噪设施。接地极的影响主要是当单极大地回线运行时，有很大的电流注入大地，因此会带来一系列问题：入地电流引起接地极四周地电位升高，需要考虑人畜平安问题。负极性入地电流将对附近地下金属产生腐蚀。对四周中性点接地的变压器产生直流电流，在变压器中会产生直流偏磁现象，导致这些变压器的噪声增加、损耗加大、温度升高。前2个问题在接地极设计时已有考虑；第3个问题亦已引起重视和研究，提出了一些解决方案。如在变压器中性点串接电阻以限制直流电流数值，串接电容以隔离直流电流，或者采取补偿措施以限制的电流值。目前，主要还是控制运行方式，尽量少采取大地回线方式运行。5完毕语我国的西电东送
21、战略要求输电工程具有更大的输电才能和更高的输电效率，实现平安可靠、经济公道的大容量、远间隔送电。特高压直流输电是知足这种要求的关键技术之一。特高压直流输电工程的设备从根本原理和构造而言与500kV直流输电类似，但由于承受的直流电压更高，因此其对外绝缘、内外绝缘的配合等方面的要求更严格。因此800kV特高压直流输电工程建立的难度更大，但由于有高压直流工程的长期运行经历和技术积累，故特高压直流输电工程建立在技术上的难题是完全可克制的。目前，特高压直流输电工程的电磁环境指标可以按500kV直流输电工程的限值来控制，但应加强对环境问题的观察和研究。6参考文献1李立浧.直流输电技术的开展及其在我国电网中的作用J.电力设备,2004，511：13.2CIGREWG14.32.HVDCconverterstationsforvoltageabove600kVR.December2002.3中国电力参谋集团特高压系统研究组.特高压电网目的网架规划讨论稿R.2005.