時(shí)間:2008-10-29 10:16:00來源:fenghy
摘要:闡述了特高壓直流輸電技術(shù)具有送電距離遠(yuǎn)、送電容量大、控制靈活和調(diào)度方便等特點(diǎn),以及在我國應(yīng)用的迫切性和應(yīng)用的廣闊前景。文中較詳細(xì)地介紹了特高壓直流輸電基本參數(shù)的選擇、換流站的主接線方案選擇、換流站主設(shè)備(如換流變壓器、換流閥、換流變壓器套管、穿墻套管等)的選用和配置問題,以及電磁環(huán)境問題。研究分析表明,±800kV特高壓直流輸電的工程應(yīng)用不存在不能克服的技術(shù)問題。文中指出,特高壓直流輸電工程的電磁環(huán)境指標(biāo)目前可以按±500kV直流的限值來控制。
關(guān)鍵詞: 電力系統(tǒng);特高壓;直流輸電;電網(wǎng);工程應(yīng)用
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)的發(fā)展速度加快。2004年新增發(fā)電裝機(jī)容量505GW,全國發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到440GW;2005年新增發(fā)電裝機(jī)容量約70GW,全國發(fā)電總裝機(jī)容量突破500GW;預(yù)計(jì)到2010年、2020年,全國發(fā)電總裝機(jī)容量將分別達(dá)到700GW和1200GW。
新增電力裝機(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)容量達(dá)到18.6GW,計(jì)劃送電到距電廠1000~2000km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2000km。
在這種背景下,要求輸電工程具有更高的輸電能力和輸電效率,實(shí)現(xiàn)安全可靠、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(diǎn)
特高壓直流輸電的電壓等級(jí)概念與交流輸電不一樣。對于交流輸電來說,一般將220kV及以下的電壓等級(jí)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和±600kV仍稱為高壓,一般不稱為超高壓;而超過±600kV的則稱為特高壓。
對于單項(xiàng)直流輸電工程而言,通常根據(jù)其送電容量、送電距離等因素進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面的綜合比較,對工程進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)而確定相應(yīng)的直流電壓等級(jí)。我國對特高壓直流輸電的電壓等級(jí)進(jìn)行研究和論證時(shí),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(gè)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、規(guī)范化、系列化開發(fā),有利于進(jìn)行我國特高壓直流輸電工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施和管理。
特高壓直流輸電技術(shù)不僅具有高壓直流輸電技術(shù)的所有特點(diǎn),而且能將直流輸電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)更加充分發(fā)揮。直流輸電的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)主要有[1]:①輸送容量大?,F(xiàn)在世界上已建成多項(xiàng)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控制和調(diào)節(jié)。④直流輸電的接入不會(huì)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交流輸電線路的一半,且送電容量大,單位走廊寬度的送電功率約為交流的4倍。如直流±500kV線路走廊寬度約為30m,送電容量達(dá)3GW;而交流500kV線路走廊寬度為55m,送電容量卻只有1GW。⑥直流電纜線路不受交流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,基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(gè)極發(fā)生故障時(shí),另一個(gè)極能繼續(xù)運(yùn)行,并通過發(fā)揮過負(fù)荷能力,可保持輸送功率或減少輸送功率的損失。⑧直流系統(tǒng)本身配有調(diào)制功能,可以根據(jù)系統(tǒng)的要求做出反應(yīng),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控制進(jìn)行系統(tǒng)的交流電壓調(diào)節(jié)。⑩大電網(wǎng)之間通過直流輸電互聯(lián)(如背靠背方式),2個(gè)電網(wǎng)之間不會(huì)互相干擾和影響,必要時(shí)可以迅速進(jìn)行功率交換。
特高壓直流輸電的特點(diǎn):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)行新的研發(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)的直流額定電流將達(dá)到3125A和4000A。③送電距離長,長達(dá)1500km,甚至超過2000km。
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]:
(1) 設(shè)備制造難度大。±800kV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(jì)制造難度加大。
(2) 設(shè)備外絕緣要求高。隨著電壓等級(jí)的提高,設(shè)備外絕緣能否到達(dá)要求令人擔(dān)心。特高壓對線路絕緣子的絕緣要求很高,絕緣子在特高壓情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(diǎn),即當(dāng)電壓達(dá)到一數(shù)值時(shí),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)場的外絕緣也要采取特殊辦法。采用合成絕緣材料代替瓷和玻璃是一個(gè)解決問題的辦法。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),還必須考慮高海拔對外絕緣的影響。
(3) 換流站主接線的基本結(jié)構(gòu)復(fù)雜。±800kV特高壓直流輸電換流閥采用雙12脈沖閥串接,晶閘管的數(shù)量大大增加。換流變壓器臺(tái)數(shù)增加,一個(gè)換流站需要24臺(tái)變壓器,運(yùn)行方式復(fù)雜,控制保護(hù)的要求高,設(shè)備布置難度大。
(4) 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。
(5) 接地極入地的電流更大。±800kV特高壓直流輸電單極運(yùn)行時(shí)接地極入地的電流達(dá)3125A或4000A,如此大的入地電流會(huì)對周圍環(huán)境造成很大的影響。如對周圍金屬的腐蝕;對附近中性點(diǎn)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;造成附近地面電位場強(qiáng)增加,對人畜造成威脅。
(6) 極閉鎖故障對電力系統(tǒng)的沖擊。因?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊娸旊娙萘看?,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)重不足,這會(huì)對電力系統(tǒng)造成很大的沖擊,如果交流系統(tǒng)不能承受,將造成電網(wǎng)崩潰,引起災(zāi)難性后果,因此對受電端交流系統(tǒng)提出了較高的要求。
3 特高壓直流輸電的應(yīng)用前景
特高壓直流輸電有利于實(shí)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(gè)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,附近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,計(jì)劃于2009年單極投運(yùn),2010年雙極投運(yùn)。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2000km。還有規(guī)劃中的±800kV直流輸電工程,將實(shí)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(shí)現(xiàn)電力外送的項(xiàng)目有: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,新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,輸電距離都超過1000km,有的甚至超過2000km。
世界上,印度和南非也有發(fā)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2000km,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,計(jì)劃輸送功率為3GW,電壓等級(jí)為±750kV或±800kV。
4 特高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用研究
4.1 特高壓直流輸電的基本參數(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。
基于提高送電容量、優(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(jí)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(jì)、工程投資,以及工程建設(shè)難度的決定性因素。
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(shí)交流系統(tǒng)的穩(wěn)定極限。如果存在問題,要么減少直流輸送功率,要么加強(qiáng)交流系統(tǒng)。
在額定電壓下,直流電流的大小由直流功率決定,但也與晶閘管閥片通流能力有關(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,直流電流達(dá)到4000A,則需要開發(fā)直徑為150mm(簡稱6in)的閥片。
輸電線路長度是決定直流電壓選擇的關(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。
4.2 換流站的主接線
確定特高壓直流輸電換流站的主接線,首先要研究換流器的結(jié)構(gòu)。換流器結(jié)構(gòu)可供選擇的方案有4種:
(1) 方案1。每極單12脈沖閥組結(jié)構(gòu)(見圖1)。與±500kV通用結(jié)構(gòu)相同,結(jié)構(gòu)簡單、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(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場較困難。
(2) 方案2。每極2組12脈沖閥組串接(見圖2)。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、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(yùn)輸要求,當(dāng)一個(gè)閥組出現(xiàn)故障時(shí)只須將其旁路,其他閥組照樣可正常運(yùn)行,提高了可用率(需配旁路開關(guān))。
(3) 方案3。每極12脈沖閥組并聯(lián)(見圖3)??梢詼p少單閥組通流能力,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備多,換流閥和平波電抗器的數(shù)量是單閥組的2倍。
(4) 方案4。一端采用每極雙閥組結(jié)構(gòu),另一端采用每極單閥組結(jié)構(gòu),以適應(yīng)不同的運(yùn)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情況分析,方案2是優(yōu)先選擇方案有條件的工程可采用方案4。
當(dāng)換流器采用每極2組12脈沖閥組串接(或稱雙12脈沖閥組串接)結(jié)構(gòu)時(shí),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(yùn)行方式有所不同,要綜合各方面因素進(jìn)行比較和優(yōu)化選擇。
4.3 換流站的主設(shè)備
(1) 換流變壓器。當(dāng)換流器采用雙12脈沖閥組串接結(jié)構(gòu)時(shí),換流變壓器采用單相雙繞組變壓器,每站有24臺(tái)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。
(2) 換流閥。輸送容量在5 GW以下時(shí),可以使用12.7cm(5in)閥片;輸送容量達(dá)到6.4GW時(shí),則需要使用15.24cm(6in)的閥片。當(dāng)采用雙12脈沖閥組串接結(jié)構(gòu)時(shí),每極需要設(shè)2個(gè)獨(dú)立閥廳串接。
(3) 平波電抗器。可以采用空芯干式平波電抗器,分別裝在極母線和中性母線上;也可以采用油浸式平波電抗器。
(4) 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)芯采用油浸樹脂紙,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(shí)要考慮外絕緣問題和內(nèi)外絕緣的配合問題。
(5) 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)備的基本原理和結(jié)構(gòu)與±500kV直流輸電的大體相同,但對外絕緣、內(nèi)外絕緣配合等方面的要求更嚴(yán)格。從外絕緣而言,要在重污穢和高海拔的環(huán)境下安全可靠運(yùn)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)盡量采用合成材料。
(6) 交流濾波器。交流濾波器和特高壓直流的電壓關(guān)系不大,而與送電容量密切關(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)行無功分組是一個(gè)要進(jìn)行優(yōu)化的主要問題。
(7) 控制保護(hù)系統(tǒng)??刂票Wo(hù)系統(tǒng)需要適應(yīng)雙12脈沖閥組串接的接線方式和運(yùn)行方式,需要適應(yīng)超長距離送電的要求,其軟、硬件平臺(tái)應(yīng)該按照安全可靠、方便靈活、功能齊全、拓展簡單的原則進(jìn)行升級(jí)。
4.4 特高壓直流工程的電磁環(huán)境問題
隨著人們對環(huán)境問題認(rèn)識(shí)的深化和公眾環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng),輸電工程的電磁環(huán)境影響越來越受到關(guān)注,因此,實(shí)施特高壓直流輸電工程要特別注重電磁環(huán)境研究。電磁環(huán)境問題已成為影響輸電工程結(jié)構(gòu)和工程建設(shè)費(fèi)用的重要因素之一。
特高壓直流輸電電磁環(huán)境指標(biāo)有待深入研究,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)來控制。±500kV直流輸電已有15年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),其運(yùn)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)境的控制指標(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、平波電抗器和交流濾波器。特高壓直流的噪聲比±500kV直流的更為嚴(yán)重。正常運(yùn)行時(shí),每個(gè)換流站有24臺(tái)變壓器。當(dāng)其滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),交流濾波器有近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,還要注意將高噪聲設(shè)備布置在遠(yuǎn)離居民區(qū)的位置,必要時(shí)要設(shè)立局部隔離措施和吸噪設(shè)施。
接地極的影響主要是當(dāng)單極大地回線運(yùn)行時(shí),有很大的電流注入大地,因而會(huì)帶來一系列問題:①入地電流引起接地極周圍地電位升高,須要考慮人畜安全問題。②負(fù)極性入地電流將對附近地下金屬產(chǎn)生腐蝕。③對周圍中性點(diǎn)接地的變壓器產(chǎn)生直流電流,在變壓器中會(huì)產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象,導(dǎo)致這些變壓器的噪聲增加、損耗加大、溫度升高。前2個(gè)問題在接地極設(shè)計(jì)時(shí)已有考慮;第3個(gè)問題亦已引起重視和研究,提出了一些解決方案。如在變壓器中性點(diǎn)串接電阻以限制直流電流數(shù)值,串接電容以隔離直流電流,或采取補(bǔ)償措施以限制的電流值。目前,主要還是控制運(yùn)行方式,盡量少采取大地回線方式運(yùn)行。
5 結(jié)束語
我國的“西電東送”戰(zhàn)略要求輸電工程具有更大的輸電能力和更高的輸電效率,實(shí)現(xiàn)安全可靠、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。
特高壓直流輸電工程的設(shè)備從基本原理和結(jié)構(gòu)而言與±500kV直流輸電類似,但由于承受的直流電壓更高,因此其對外絕緣、內(nèi)外絕緣的配合等方面的要求更嚴(yán)格。因而±800kV特高壓直流輸電工程建設(shè)的難度更大,但由于有高壓直流工程的長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累,故特高壓直流輸電工程建設(shè)在技術(shù)上的難題是完全可克服的。目前,特高壓直流輸電工程的電磁環(huán)境指標(biāo)可以按±500kV直流輸電工程的限值來控制,但應(yīng)加強(qiáng)對環(huán)境問題的觀察和研究。
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