特高压直流输电的技术特点与工程应用

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摘要：阐述了特高压直流输电技术具有送电距离远、送电容量大、控制灵活和调度方便等特点，以及在我国应用的迫切性和应用的广阔前景。文中较详细地介绍了特高压直流输电基本参数的选择、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。研究分析表明，±800kV特高压直流输电的工程应用不存在不能克服的技术问题。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，电力工业的发展速度加快。2004年新增发电装机容量505GW，全国发电总装机容量达到440GW；2005年新增发电装机容量约70GW，全国发电总装机容量突破500GW；预计到2010年、2020年，全国发电总装机容量将分别达到700GW和1200GW。

　　新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，总装机容量达到18.6GW，计划送电到距电厂1000～2000km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2000km。

　　在这种背景下，要求输电工程具有更高的输电能力和输电效率，实现安全可靠、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交流输电不一样。对于交流输电来说，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和±600kV仍称为高压，一般不称为超高压；而超过±600kV的则称为特高压。

　　对于单项直流输电工程而言，通常根据其送电容量、送电距离等因素进行技术、经济方面的综合比较，对工程进行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行研究和论证时，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、规范化、系列化开发，有利于进行我国特高压直流输电工程的规划、设计、实施和管理。

　　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控制和调节。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交流输电线路的一半，且送电容量大，单位走廊宽度的送电功率约为交流的4倍。如直流±500kV线路走廊宽度约为30m，送电容量达3GW；而交流500kV线路走廊宽度为55m，送电容量却只有1GW。⑥直流电缆线路不受交流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，基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，另一个极能继续运行，并通过发挥过负荷能力，可保持输送功率或减少输送功率的损失。⑧直流系统本身配有调制功能，可以根据系统的要求做出反应，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控制进行系统的交流电压调节。⑩大电网之间通过直流输电互联（如背靠背方式），2个电网之间不会互相干扰和影响，必要时可以迅速进行功率交换。

　　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行新的研发。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达到3125A和4000A。③送电距离长，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。随着电压等级的提高，设备外绝缘能否到达要求令人担心。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距离的关系较常规电压变化很大，可能存在拐点，即当电压达到一数值时，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办法。采用合成绝缘材料代替瓷和玻璃是一个解决问题的办法。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） 换流站主接线的基本结构复杂。±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，运行方式复杂，控制保护的要求高，设备布置难度大。

　　（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4000A，如此大的入地电流会对周围环境造成很大的影响。如对周围金属的腐蚀；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。因为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重不足，这会对电力系统造成很大的冲击，如果交流系统不能承受，将造成电网崩溃，引起灾难性后果，因此对受电端交流系统提出了较高的要求。

3 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，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，计划于2009年单极投运，2010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项目有：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6.2～6.4GW，输电距离都超过1000km，有的甚至超过2000km。

　　世界上，印度和南非也有发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2000km，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，计划输送功率为3GW，电压等级为±750kV或±800kV。

4 特高压直流输电技术的应用研究

4.1 特高压直流输电的基本参数

　　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，要考虑直流系统当发生单极和双极闭锁故障时交流系统的稳定极限。如果存在问题，要么减少直流输送功率，要么加强交流系统。

　　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能力有关。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，直流电流达到4000A，则需要开发直径为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。

4.2 换流站的主接线

　　确定特高压直流输电换流站的主接线，首先要研究换流器的结构。换流器结构可供选择的方案有4种：

　　（1） 方案1。每极单12脉冲阀组结构（见图1）。与±500kV通用结构相同，结构简单、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。

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