特高壓直流輸電技術(shù)的分析與探究

趙建明，蒙 毅

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司大理局，云南 大理671000；2.特變電工沈陽變壓器集團有限公司，遼寧 沈陽110001）

電力技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用關(guān)系著群眾的用電安全，而特高壓直流輸電作為我國發(fā)展建設(shè)中的重要組成部分，創(chuàng)造了世界電力工業(yè)史上的奇跡。但就目前情況來看，特高壓直流輸電技術(shù)應(yīng)用中還仍然存在著一些問題有待解決，因此需要電力企業(yè)相關(guān)從業(yè)人員對其進行全方位的分析，并提出合理的對策進行解決，進而保障電力的可持續(xù)運輸，提高群眾的用電質(zhì)量和用電安全。

1 特高壓直流輸電技術(shù)概述

我國特高壓直流輸電是指±800kV及以上的電壓，隨著近幾年我國各地區(qū)對輸送電容量要求的不斷提高，為了使我國電力資源得到合理開發(fā)和利用，對特高壓直流輸電技術(shù)的研究正不斷深化，現(xiàn)已可以實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離輸電這一目標(biāo)，解決了自然資源和能源分布不均的問題，如圖1所示。直流輸電的工作原理是通過換流器將交流電先整流再逆變，輸電過程中注重穩(wěn)定性以及安全性，該技術(shù)的應(yīng)用能夠節(jié)約設(shè)備占地面積、減少輸電損耗，滿足我國各地區(qū)用電逐年遞增的使用需求[1]。

圖1 直流輸電設(shè)備

為推動能源革命，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色經(jīng)濟，我國電力專家開始廣泛關(guān)注并對技術(shù)進行改進，要求在建項目不可破壞周邊的生態(tài)環(huán)境，以此為基礎(chǔ)分析未來發(fā)展趨勢，總結(jié)特高壓輸電相關(guān)設(shè)備運行維護經(jīng)驗，確保我國的特高壓直流輸電技術(shù)不斷創(chuàng)新完善。在如今全世界電力系統(tǒng)大規(guī)模采用直流輸電的情況下，特高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢較為明顯，綜合比較現(xiàn)有的高強度輸電手段，該技術(shù)的經(jīng)濟效益更高、適用范圍更廣，能夠在使用中靈活改變輸電方式，電能輸送會最終注入交流電網(wǎng)，不僅可以保證地理優(yōu)勢不明顯地區(qū)資源的合理利用，且能夠減少輸電過程中的線路損耗，提高一次能源利用率。

2 特高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展與優(yōu)化

2.1 特高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展

如果說中國超高壓輸電技術(shù)的發(fā)展令世界驚嘆，那么特高壓輸電技術(shù)的興起則創(chuàng)造了世界電力工業(yè)史上的奇跡。2005年建設(shè)特高壓電網(wǎng)戰(zhàn)略構(gòu)想提出，技術(shù)創(chuàng)新爆發(fā)出勃勃生機，2009年~2010年首條特高壓輸電工程試驗投入商業(yè)運行，這標(biāo)志著我國在特高壓、遠(yuǎn)距離、大容量輸變電核心技術(shù)方面取得重大突破，表明了我國電能發(fā)展建設(shè)正逐漸達(dá)到國際領(lǐng)先水平如圖2所示。自2013年中國完成“特高壓交流輸電關(guān)鍵技術(shù)、成套設(shè)備及工程應(yīng)用”；2018年完成“特高壓±800kV直流輸電工程”，僅5年時間就大幅提升了我國在國際電工領(lǐng)域的影響力和話語權(quán)，實現(xiàn)了“中國創(chuàng)造”和“中國引領(lǐng)”，中國電網(wǎng)正式步入特高壓時代?，F(xiàn)如今經(jīng)過十余年的探索，已實現(xiàn)從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的跨越，2020年我國“電力高速公路”作為“新基建”七大領(lǐng)域之一，成為了世界矚目的焦點。

圖2 特高壓直流輸電塔

2.2 特高壓直流輸電技術(shù)的優(yōu)化

特高壓既是工程建設(shè)，更是自主技術(shù)攻關(guān)，要求在發(fā)展中結(jié)合“環(huán)境友好”這一基本原則開展相關(guān)研究，結(jié)合以往資料進行自主研究，保證技術(shù)能夠與時代接軌實現(xiàn)全面創(chuàng)新。由于在自主研究中無法借鑒成熟的經(jīng)驗，為大量科研課題和設(shè)計專題研究帶來了一定的阻礙，但通過創(chuàng)新設(shè)計掌握特高壓核心技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，后續(xù)完善以“安全可靠、經(jīng)濟合理、國際一流”為原則，使特高壓建設(shè)不斷推進，最終建立了世界上首個特高壓技術(shù)體系，現(xiàn)已逐漸被世界各界認(rèn)可。當(dāng)前我國正大力發(fā)展“一帶一路”倡議，2019年10月中國能建規(guī)劃設(shè)計集團承擔(dān)特高壓直流輸電項目，±800kV特高壓直流送出二期項目正式投運，標(biāo)志著中國特高壓技術(shù)、裝備和工程總承包“走出去”再次取得重大突破[2]。

3 特高壓直流輸電技術(shù)的分析

3.1 輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

發(fā)展特高壓直流輸電能夠促進水電、火電、核電的開發(fā)，優(yōu)化電力的分布，但特高壓直流輸電在輸送過程中沒有其他輸電落點，可見供電穩(wěn)定性與安全性與換流站設(shè)計有著直接的關(guān)系，基于此應(yīng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中對此加大關(guān)注力度，避免應(yīng)用中因換流站而降低整體效果。同時，當(dāng)前我國特高壓直流輸電基本以雙極系統(tǒng)接線方式為主，結(jié)合12脈動換流站可以提供多種運行方式，如直接將電力輸送到終點，該方式的輸送容量大、輸電距離遠(yuǎn)，能夠在換流閥發(fā)生故障時最大程度減小損失，保障輸電安全平穩(wěn)運行，實現(xiàn)電力上的科學(xué)發(fā)展。

3.2 柔性直流輸電

柔性直流輸電技術(shù)可以解決輸電技術(shù)中的一些棘手問題，為了能夠控制交流側(cè)的無功和有功功率，需要改變VSC電子器件的開斷狀態(tài)，從而保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行。柔性直流輸電系統(tǒng)采用兩電平換流器，并聯(lián)換流站與串聯(lián)換流站相比具有損耗更低，根據(jù)橋臂的等效特性擴展方法更加靈活等優(yōu)點，換流站可采用并聯(lián)接線方案，換流器仍通過交流電壓支撐工作，從而使調(diào)節(jié)范圍進一步擴大，更好地控制電流的傳送速度。同時柔性直流輸電系統(tǒng)也可以采用全橋式柔性直流換流器，電壓出現(xiàn)急劇下降啟動保護，對系統(tǒng)中出現(xiàn)的短路電流進行控制，抑制側(cè)短路電流的產(chǎn)生，從而避免因短路而造成容量增大。

3.3 輸電分布電容

特高壓輸電為我國的經(jīng)濟發(fā)展、平穩(wěn)運行提供了有力支撐，地上與地下之間存在分布電容，其所需要的電線的長度更長，且在用電的正常情況下存在電容電流，所以超高壓長輸電線在穩(wěn)定的狀態(tài)下，可能因為電容的存在而受到影響，因此在技術(shù)應(yīng)用中需要對此加大關(guān)注力度?？煽毓钃Q流器觸發(fā)電路可以在直流輸電中更快地調(diào)節(jié)、改變電流的方向，可以直接對故障系統(tǒng)提供支援，該技術(shù)促進了特高壓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也為后續(xù)研究提供了方向。

4 特高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用前景

4.1 應(yīng)用規(guī)模持續(xù)提升

特高壓直流技術(shù)具備大容量、效率高、輸送距離遠(yuǎn)等顯著的特點，未來特高壓直流技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模將會持續(xù)提升，為開展“西電東送項目”奠定基礎(chǔ)，從而有效解決我國能源和人口分布不均衡的問題，未來我國還將進一步擴大其應(yīng)用范圍和規(guī)模，加快“西電東送項目”的完成速度，實現(xiàn)特高壓供電技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。

4.2 清潔能源大規(guī)模接入

生態(tài)環(huán)境已經(jīng)成為全球性問題，我國在發(fā)展特高壓直流電的過程中，必須以環(huán)境友好為基本原則，積極探索清潔能源的使用，從而促進技術(shù)的長遠(yuǎn)發(fā)展。因此必須積極結(jié)合現(xiàn)代工藝，建立風(fēng)力、水力發(fā)電站，逐步用清潔能源來替代不可再生能源，現(xiàn)如今以清潔能源為基礎(chǔ)的特高壓直流輸電項目已成為未來發(fā)展的主要方向。

4.3 絕緣問題逐漸凸顯

特高壓直流輸電技術(shù)具有非常顯著的優(yōu)勢，但因電壓等級相對較高，如果絕緣層質(zhì)量存在問題，會危及人民群眾的生命財產(chǎn)安全，所以需要對該問題加大關(guān)注力度。特高壓直流輸電技術(shù)在未來的應(yīng)用范圍將會逐漸擴大，各類安全故障可能也將隨之增多，因此必須對絕緣問題加大研究力度，解決現(xiàn)存風(fēng)險與矛盾問題。

4.4 經(jīng)濟前景廣泛

在特高壓直流輸電技術(shù)經(jīng)濟效益相對較高，在建設(shè)過程中能夠有效節(jié)省占地面積，整體發(fā)展前景廣闊。據(jù)統(tǒng)計報表顯示，在2022年用電方面預(yù)計將使用8.7億千瓦時，可見特高壓直流輸電已成為能源供應(yīng)上不可或缺的一部分，為進一步滿足遠(yuǎn)距離、大容量輸電所帶來的經(jīng)濟效益問題，必須加快建設(shè)特高壓電網(wǎng)，從而實現(xiàn)電力工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展[3]。

5 特高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用策略

5.1 合理進行主接線選型

特高壓直流輸電技術(shù)應(yīng)用中，主接線選型十分重要，其基本以成套設(shè)計的形式出現(xiàn)，所以需要對系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)損耗、實施難度加大關(guān)注，合理選擇接線方案以及相應(yīng)的交流、直流設(shè)備具體配置方案，進行完整全面的研究論證，綜合考慮現(xiàn)有技術(shù)水平，采用換流器串聯(lián)的接線方案，如圖3所示。同時要確定主接線方案的關(guān)鍵因素，考慮換流變壓器的設(shè)計制造和運輸方面因素，不論是2個12脈動換流器方案還是3個12脈動換流器的串聯(lián)方案，都需要考慮主設(shè)備、控制保護和直流場的復(fù)雜程度，采用分層接入方式接入500kV/1000kV，明確不同交流電壓的等級，要求低端接入1000kV交流電網(wǎng)，提高運行過程中的穩(wěn)定性。

圖3 主接線選型

5.2 過電壓與絕緣配合

±1100kV特高壓直流工程的電壓等級比±800kV工程提升了37.5%，高端換流變壓器的絕緣水平將高達(dá)2200kV，這也為±1100kV特高壓直流工程的實施帶來了極大的挑戰(zhàn)。為了減少設(shè)備制造難度和工程造價，需要保留MH、CBL2、ML和DB等傳統(tǒng)避雷器，并在此基礎(chǔ)上新增AH和AL避雷器，這樣不僅降低了設(shè)備的研發(fā)難度，且可以進一步減少后續(xù)改造的費用，滿足發(fā)展建設(shè)需求。

5.3 間隙計算與直流場選型

±1100kV的特高壓直流輸入對外絕緣要求大幅提高，在空氣間隙計算中應(yīng)考慮絕緣距離和電場不均勻程度兩個方面，可采用傳統(tǒng)的戶外直流場方案，也可以選擇戶內(nèi)直流場方案，通過優(yōu)化電極形狀控制電極表面電場強度，減小安全空氣間隙的距離。采用戶外直流場方案需充分考慮淋雨、電極微小缺陷、絕緣裕度等因素，通過優(yōu)化電極形狀減小安全空氣間隙。戶內(nèi)直流場選型設(shè)計時按照棒板間隙模型計算，極線設(shè)備對地距離＞20m，無需考慮淋雨和風(fēng)荷載對設(shè)計方案的影響，但需要保持較高的電極形狀系數(shù)，極線設(shè)備對地距離控制在13m左右。

5.4 簡化直流濾波器設(shè)計

直流濾波器設(shè)計對整個主接線方案設(shè)計影響很大，在架空輸電線路的直流工程中，通過特定頻率諧波提供低阻抗通路，降低流入直流線路和接地極引線中的諧波分量，但傳統(tǒng)直流濾波器存在一定的缺點，因此必須進行優(yōu)化設(shè)計?？蓮闹绷鳛V波器設(shè)計性能指標(biāo)的角度考慮，放開對等效干擾電流IEQ的限制，取消直流濾波器高頻支路的方式簡化直流濾波器設(shè)計，綜合分析各種極端條件組合以及考慮對通信的影響，將主電容由1.45F降低到0.6F，大幅減小直流濾波器的制造難度，該方法符合特高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用要求。

5.5 加強監(jiān)督與運營維護

特高壓直流輸電項目必須加強維護，明確維護的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，加強工作人員日常運營和維護的能力和水平，采用非磁性材料形成閉合電磁回路，要求金屬夾板厚度≥3mm，避免主變套管均壓環(huán)、導(dǎo)線金具未打排水孔的問題。同時要確保工作人員按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展運營和維護工作，詳細(xì)記錄特高壓直流輸電工程的具體情況，發(fā)現(xiàn)問題要及時進行分析并解決，在此基礎(chǔ)上需要進一步加強反思，對維護過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行總結(jié)，為后續(xù)工作提供支持和保障。

5.6 加強特高壓直流輸電設(shè)計

由于相關(guān)設(shè)計人員的疏忽，在設(shè)計特高壓直流輸電線路時，沒有嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)實施設(shè)計，會導(dǎo)致電網(wǎng)運行時出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。為提升特高壓直流輸電線路的安全性能，設(shè)計人員需要嚴(yán)格遵照標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范實施設(shè)計操作，在設(shè)計電網(wǎng)規(guī)劃時，需要系統(tǒng)調(diào)查各個環(huán)節(jié)，關(guān)注特高壓直流輸電線路的走向，結(jié)合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境與情況進行科學(xué)設(shè)計并針對相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)擬定抵抗災(zāi)害的標(biāo)準(zhǔn)，如圖4所示。設(shè)計人員在設(shè)計前也應(yīng)考察施工地區(qū)的地勢地貌，以此選擇合適的桿塔基礎(chǔ)型號，在此過程中要考慮輸電線路的穩(wěn)定性等問題，明確施工規(guī)定與使用規(guī)范，為后續(xù)建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

圖4 特高壓直流輸電塔桿塔

5.7 提高施工人員綜合能力

選擇具有責(zé)任心的工作人員，在施工前通過加強培訓(xùn)提高建設(shè)隊伍的素質(zhì)和能力，與此同時，要通過技能培訓(xùn)來提高施工人員的技術(shù)水平，對于表現(xiàn)優(yōu)秀的施工人員可予以一定的物質(zhì)和精神獎勵，從而能提高施工人員的積極性；而管理人員則應(yīng)通過巡視了解施工人員的情況，判斷當(dāng)前是否存在建設(shè)安全問題。同時，施工人員應(yīng)結(jié)合實際情況選用技術(shù)設(shè)備等，判斷地質(zhì)情況后確定大地接線截面積，如發(fā)現(xiàn)接地裝置不合格引起的接地問題，可直接更換接地裝置，而因施工原因引起的此類事故，則需要進行深入調(diào)查，并對違規(guī)施工單位給予一定的處罰，后續(xù)也應(yīng)通過培訓(xùn)教育提高相關(guān)人員的安全意識。

6 結(jié)束語

隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的逐步推進，特高壓直流輸電工程趨于穩(wěn)定，但若想在世界保持領(lǐng)先地位，我國還需進一步完善特高壓直流輸電技術(shù)，提高系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)性，在此基礎(chǔ)上深入研究特高壓直流輸電系統(tǒng)的技術(shù)與經(jīng)濟性。