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千里输电,特高压直流技术护航
电子信息
2018-07-25 11:12
作者  舒印彪 等

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特高压±800千伏直流输电技术作为世界上电压最高、容量最高(可达1000万千瓦级)、经济输电距离最远(可达2000公里级)的直流输电技术,可以跨越千里之外,将集中了80%以上能源分布的中西部和北部地区的电力,传输到集中了70%以上电力消费的东部和中部地区。该技术之所以具备这样的优势,是因为直流电压的提高可以大幅降低输电损耗,进而提升经济输电距离和输电走廊利用效率。但这也带来了相当大的挑战:电压和电流的提升使得外绝缘设计、电磁环境控制以及装备研制的难度大幅提升。

为了应对上述挑战,国家电网公司联合多家单位组成研究团队,开展“特高压±800千伏直流输电工程”研究,在过电压抑制与外绝缘配置、直流系统构建、直流设备研制、超大容量直流接入电网的安全稳定控制、试验体系建设和直流集成技术6个方面取得了突破。此外,研究团队先后建成了一批世界上电压等级最高、输电容量最大的特高压直流工程并实现安全运行,全面提升了我国电力科技水平和电工装备制造业的核心竞争力。为表彰这项工程技术对国家重大战略需求所做出的贡献,2017年度国家科学技术进步奖特等奖授予“特高压±800千伏直流输电工程”。

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随着±800千伏直流电压的显著提高,过电压水平也随之放大,过电压抑制与外绝缘配置成为最大的难题之一。同时,实际工程中还面临着重污秽、高海拔和复杂电磁环境的外部条件限制。为此,研究团队通过理论分析、模型计算和试验验证,提出了特高压直流绝缘配合方案、电磁环境限值,并通过±800千伏特高压条件下复合绝缘子的全电压全尺寸污秽耐压特性研究,在世界上首次得出特高压复合绝缘子污秽耐受电压与绝缘距离的量化关系;采用风洞试验,结合空气动力学数值计算方法优化绝缘子的伞形结构设计,成功研制出特高压直流复合绝缘子,确定了高海拔条件下外绝缘的配置原则,为设备研发和工程设计提供了关键技术支撑。

研究团队还提出了±800千伏换流站避雷器立体配置方法,确定了高端阀组钳位避雷器和低端母线接地避雷器的过电压组合限制方案,将关键设备的操作/雷电绝缘水平控制在1600/1800千伏,较±500千伏工程线性外推的绝缘水平分别降低23%和27%,合理降低了设备研制难度,提升了工程的可靠性和经济性。与此同时,在揭示±800千伏多分裂导线的电晕与电磁环境特性以及高海拔影响规律的基础上,提出了极导线任意布置方式下的同走廊多回直流离子流场计算方法、离子流场三维计算方法以及电磁环境控制限值和控制方法。电磁环境实测结果优于国家环保要求,实现了工程技术方案的优化。

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其次,±800千伏作为全新的直流输电系统电压等级,还需同时满足直流系统运行方式、谐波污染综合治理和设备选型等各方面需求。研究团队通过主回路迭代计算和谐波矩阵运算,提出了新型主接线方案,实现了特高压直流的超大容量输电,确保了特高压±800千伏直流的可靠性和灵活性。

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其中,提出的双十二脉动阀组(400千伏+400千伏)串联的主接线方案与十二脉动阀组方案相比,换流变压器尺寸更为紧凑,换流设备的经济性和可靠性大幅提高,实现了直流大容量输电技术要求与装备制造能力突破的最优配合;在世界上首次提出干式平波电抗器极线、中性线平衡布置方案,有效降低了最高电位点换流变压器阀侧的过电压水平;提出的高低端十二脉动阀组并联旁路开关的接线方式和阀组解耦运行策略,将运行方式从±500千伏直流的5种增加到46种,减小了单极故障率及换流器故障对交流系统的冲击,单、双极强迫停运率分别降低60%和50%;在直流主接线中加装基频阻波器和倍频滤波器的低频谐波综合治理方案,有效降低了直流系统的谐振风险。

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电压由±500千伏提升至±800千伏,电流由3000安提升至5000安及以上,此时,换流阀、换流变压器和平波电抗器等一次设备的研制需解决特高交直流混合电压和强电流带来的电磁场严重畸变、局部放电、热点温升控制等多物理场协调控制及紧凑化设计难题,双十二脉动阀组串联结构也对控制保护系统各阀组协调控制、快速响应和可靠性带来了挑战,成套装备研制难度极大。

为此,研究团队在世界上首次研制成功±800千伏特大容量直流换流阀,在世界上首次研制出6英寸晶闸管,提高了通流能力。该设计创新性地采用了“电压片厚比极大化”的设计理念,利用自主发明的“弥漫式软着陆”扩散工艺来解决大面积深结工艺参数均匀性的难题,用“深结变掺杂”技术很好地解决了高电压、大电流可靠性难题,实现了大容量晶闸管静动态电参数的良好匹配,世界上首次研制成功6英寸特大功率晶闸管,突破了特高压直流工程输电容量进一步提升的技术瓶颈。

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在这方面,研究团队还取得了多项“世界上首次研制成功”的成果:±800千伏特高压大容量直流换流变压器,其采用连续式屏蔽系统和静电环内外套结构,解决了受限空间下特高交直流混合电压、谐波及直流偏磁电流引起电场严重畸变、局部放电、磁致振动等抑制难题;±800千伏特高压直流干式平波电抗器采用多包封线圈自均流设计技术,使用了自主开发的全绝缘膜包矩形换位铝绞线,并采用加强复合绝缘支撑结构,其吸音降噪装置的最大降幅达15分贝,极大地改善了平抗运行对环境的影响;±800千伏直流输电控制保护系统则采用分层独立控制和协调控制架构,可实现双极多阀组灵活组态运行。

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特高压直流传输距离远,送电容量大,面临电源和电网快速发展带来的多种复杂运行方式,因此故障扰动对电网的冲击影响大,需要综合利用多直流、交直流和网源等协调控制手段。研究团队综合分析了特高压大容量直流接入后系统安全稳定特性、受端电压支撑能力、严重故障承受能力、多馈入直流等问题,提出了基于直流紧急功率支援的源/网/直流多元协调优化控制策略,所建立的交直流大电网安全稳定控制系统包含多回直流,涉及多个厂站,提高了系统承受直流双极故障的能力。以多回直流与交流系统的无功交换量为优化目标,提出了不同工况下的多时间尺度无功协调控制策略,解决了故障后系统电压控制难题。

准确模拟复杂运行环境的难度较大,是特高压直流输电技术面临的一大难题。针对这一问题,研究团队提出了一系列试验技术和措施。

  • 一是建成国际领先的特高压直流外绝缘试验平台,实现了世界上尺寸最大、电压水平最高、复杂环境模拟功能最全的人工气候罐,设计并建成实现冲击、工频、直流全套真型试验能力的特高压试验大厅和户外场。

  • 二是建成世界首个特高压高海拔试验平台,提出了高海拔下7200千伏标准雷电波、2500微秒长波头操作波、直流极性快速转换等试验要求的技术方案,开展了高海拔全套试验研究。

  • 三是通过可实现多种导线极性排列方式的换极性塔和有载调节线段对地高度和极间距的液压装置,建成了世界上第一条可实现单回和同塔双回多种导线排列方式、电压连续可调的特高压直流试验线段。

  • 四是首次实现了不同技术路线的换流阀控制模块与直流控制保护系统的联调,建成了换流阀控制与直流控制保护一体化测试平台,解决了多技术路线设备协调控制技术难题。

  • 五是提出增设800千伏隔直间隙、保护滤波电路的特高压直流电压合成试验方法,和特高压直流线路和超高压交流线路同塔架设和并行架设的电磁环境叠加影响模拟试验等解决特高压直流设计和性能评估难题的全系列试验方法。

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超大容量特高压直流输电工程规模庞大,需要研究掌握设计、设备、施工、调试、运行、维护全套技术,也就是说,要将上述技术有效集成起来,实现安全性、可靠性、经济性的有机统一。

研究团队通过自主创新,提出了特高压换流站、直流线路、接地极及接地极线路整套设计原则和方法,开发了具有自主知识产权的系统设计软件,为世界第一批±800千伏直流设备提供了全套技术参数,并成功通过工程全面检验。依托大截面、多分裂导线,成功研发了全新的放线工艺技术、放线滑车等工机具,极大地提高了放线质量和施工效率。同时,针对多种基础型式研发了机械化施工手段,发布了特高压直流线路标准化工艺流程,提高了施工质量和效率。在迈向实际应用的最后一环,研究团队构建了世界首套特高压直流全套现场交接验收试验和系统调试方法,首次完成特高压换流变压器1.5倍额定电压下长时感应电压和局部放电现场试验以及±800千伏电压等级下短路试验、过负荷试验等调试项目,全面检验了特高压直流系统和设备性能。

经过研究团队的一系列探索,目前特高压±800千伏直流输电技术的规模化推广应用已全面展开,国家电网公司先后建成向上、锦苏、哈郑、溪浙、灵绍、酒湖、晋江等10回工程,后续还规划建设10余回国内及与周边国家互联互通的超大容量特高压直流工程。建设特高压直流工程已成为开发西部、西南部、北部巨型能源基地的必要条件。此外,研究团队的成功实践也得到了国际上的广泛认同。受中国特高压直流输电技术蓬勃发展的影响,国际电工技术委员会(IEC)专门成立直流输电技术委员会TC115并将秘书处设在中国,其中6个工作组的召集人由国家电网公司专家担任,已发布IEC/TS62344等6项国际标准;国家电网公司成功中标巴西美丽山I、II期特高压直流工程,并与哈萨克斯坦、俄罗斯、蒙古等国开展了互联互通特高压直流项目可行性研究。

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特高压直流技术研究和工程应用极大提升了中国电工装备制造的自主创新能力和国际竞争力,以±800千伏特高压直流输电技术为代表的电工装备成为中国制造的“金色名片”。该技术不仅使西南水电、西北风电、太阳能资源的集约开发和大范围消纳成为可能,还为加速能源革命、实现能源绿色低碳发展、应对全球气候变化奠定了技术基础。未来,这张“金色名片”还将继续跨越千山万水,将电力源源不断、安全稳定地输送到需要的地区。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2018年5月刊。

作者:舒印彪、刘泽洪、张福轩、马为民、余军

(舒印彪:教授级高级工程师,国家电网公司董事长、党组书记。

刘泽洪:教授级高级工程师,国家电网公司副总经理。

张福轩:高级工程师,国家电网公司直流建设部主任。

马为民:教授级高级工程师,国网北京经济技术研究院副院长。

余军:教授级高级工程师,国家电网公司直流建设部副主任。)

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