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特高壓直流知識
發布時間 :2015-1-13 10:53:23
特高壓直流設備技術可行嗎
 自20世紀50年代高壓直流輸電投運以來,經過50多年的發展,高壓、超高壓直流輸電技術已逐步完善,其中巴西兩回±600千伏超高壓直流輸電工程已運行20多年,我國的±500千伏超高壓直流輸電工程也已建設、運行近20年,通過超高壓直流輸電工程的建設、運行,對直流輸電技術有了更成熟的認識,也為±800千伏特高壓直流輸電工程的設備制造奠定了堅實的技術基礎。
 上世紀70、80年代,前蘇聯進行過±750千伏特高壓直流輸電工程實踐,其主要設備已通過出廠試驗并已建成1000多公里輸電線路。國際工業界和學術界對超過±600千伏的特高壓直流輸電技術的研究一直沒有中斷,主要工作集中在±800千伏這一電壓等級。1000千伏級交流輸電技術的研究和開發,特別是前蘇聯和日本交流特高壓工程的建設和運行,以及750千伏級交流輸電30多年運行經驗的積累,交流變壓器、避雷器、開關等關鍵設備的設計、制造技術已發展成熟,有關知識和經驗盡管不能直接照搬,但可在±800千伏特高壓直流設備的研發過程中充分借鑒。各種研究和試驗均表明,±800千伏特高壓直流輸電技術工程應用的條件已經具備,目前已經可以制造出±800千伏特高壓直流所需的所有設備,特高壓直流輸電技術用于實際工程是完全可行的。

 
換流站主要設備特點及主要作用是什么
 換流站是直流輸電工程中直流和交流進行相互能量轉換的系統,除有交流場等與交流變電站相同的設備外,直流換流站還有以下特有設備:換流器、換流變壓器、交直流濾波器和無功補償設備、平波電抗器。
 換流器主要功能是進行交直流轉換,從最初的汞弧閥發展到現在的電控和光控晶閘管閥,換流器單位容量在不斷增大。
 換流變壓器是直流換流站交直流轉換的關鍵設備,其網側與交流場相聯,閥側和換流器相聯,因此其閥側繞組需承受交流和直流復合應力。由于換流變壓器運行與換流器的換向所造成的非線性密切相關,在漏抗、絕緣、諧波、直流偏磁、有載調壓和試驗方面與普通電力變壓器有著不同的特點。
 交直流濾波器為換流器運行時產生的特征諧波提供入地通道。換流器運行中產生大量的諧波,消耗換流容量40%~60%的無功。交流濾波器在濾波的同時還提供無功功率。當交流濾波器提供的無功不夠時,還需要采用專門的無功補償設備。
 平波電抗器能防止直流側雷電和陡波進入閥廳,從而使換流閥免于遭受這些過電壓的應力;能平滑直流電流中的紋波。另外,在直流短路時,平波電抗器還可通過限制電流快速變化來降低換向失敗概率。

 
特高壓直流輸電技術的主要特點
 (1)特高壓直流輸電系統中間不落點,可點對點、大功率、遠距離直接將電力送往負荷中心。在送受關系明確的情況下,采用特高壓直流輸電,實現交直流并聯輸電或非同步聯網,電網結構比較松散、清晰。
 (2)特高壓直流輸電可以減少或避免大量過網潮流,按照送受兩端運行方式變化而改變潮流。特高壓直流輸電系統的潮流方向和大小均能方便地進行控制。
 (3)特高壓直流輸電的電壓高、輸送容量大、線路走廊窄,適合大功率、遠距離輸電。
 (4)在交直流并聯輸電的情況下,利用直流有功功率調制,可以有效抑制與其并列的交流線路的功率振蕩,包括區域性低頻振蕩,明顯提高交流的暫態、動態穩定性能。
 (5)大功率直流輸電,當發生直流系統閉鎖時,兩端交流系統將承受大的功率沖擊。

 
如何進行特高壓直流輸電線路導線型式的選擇?
 在特高壓直流輸電工程中,線路導線型式的選擇除了要滿足遠距離安全傳輸電能外,還必須滿足環境保護的要求。其中,線路電磁環境限值的要求成為導線選擇的最主要因素。同時,從經濟上講,線路導線型式的選擇還直接關系到工程建設投資及運行成本。因此特高壓直流導線截面和分裂型式的研究,除了要滿足經濟電流密度和長期允許載流量的要求外,還要在綜合考慮電磁環境限值以及建設投資、運行損耗的情況下,通過對不同結構方式、不同海拔高度下導線表面場強和起暈電壓的計算研究,以及對電場強度、離子流密度、可聽噪聲和無線電干擾進行分析,從而確定最終的導線分裂型式和子導線截面。對于±800千伏特高壓直流工程,為了滿足環境影響限值要求,尤其是可聽噪聲的要求,應采用6×720平方毫米及以上的導線結構。

 
如何確定特高壓直流線路的走廊寬度和鄰近民房時的房屋拆遷范圍?
 特高壓直流輸電線路的走廊寬度主要依據兩個因素確定:1. 導線最大風偏時保證電氣間隙的要求;2.滿足電磁環境指標(包括電場強度、離子流密度、無線電干擾和可聽噪聲)限值的要求。根據線路架設的特點,在檔距中央影響最為嚴重。研究表明,對于特高壓直流工程,線路鄰近民房時,通過采取拆遷措施,保證工程建成后的電氣間隙和環境影響滿足國家規定的要求。通常工程建設初期進行可行性研究時就要計算電場強度、離子流密度、無線電干擾和可聽噪聲的指標,只有這些指標滿足國家相關規定時,工程才具備核準條件。

特高壓直流輸電技術的經濟優勢體現在哪兒?
 800千伏直流輸電方案的單位輸送容量投資約為±500千伏直流輸電方案的72%。溪洛渡、向家壩、烏東德、白鶴灘水電站送出工程采用±800千伏級直流與采用±620千伏級直流相比,輸電線路可以從10回減少到6回,并節約綜合投資約150億元。

 
直流特高壓送出工程技術研究實現了哪些技術創新?
 近年來,通過對金沙江下游水電和錦屏水電送出方案的滾動研究和綜合論證,推薦金沙江一期送出工程采用3回±800千伏、640萬千瓦特高壓直流送出方案。目前,已經完成了直流送出工程和送端500千伏配套工程可行性研究報告,并通過了評審。直流輸電工程的環境影響評價、水土保持方案、地質災害危險性評估、壓覆礦產評估、地震安全性評價和文物普探六項專題工作也于近期順利完成。
 在技術研究中,立足科技創新,實現跨越式發展,取得了突破性進展:
 1.提出單回±800千伏、640萬千瓦直流方案,該方案充分發揮特高壓直流的規模優勢,通過工程實踐,其標準化設計具有十分廣闊的市場前景。
 2.研制6英寸晶閘管元件,將在中國建成世界惟一的6英寸元件生產線,研制和開發6英寸元件(換流閥),將大大提升中國的電力電子業制造水平。
 3.研究重冰區線路熔冰,通過適當改變特高壓直流系統接線方式、短時增大通過線路的電流方案,在覆冰嚴重時段對線路進行熔冰,可大規模降低線路本體投資。
 4.開展污穢測量,采用完全自主設計開發的直流污穢測量系統,開展特高壓工程站址直流積污試驗,總體技術處于國際先進水平。
 5.開展走廊數字化和整體航飛,將溪洛渡、向家壩水電站的出線規劃作為一個系統工程,進行了整體航飛,提高了出線規劃工作的準確性,節省工程費用。
 6.提出并研究特高壓直流電磁環境指標,提出將原《高壓直流架空輸電線路設計導則》要求的標稱場強,改為以對環境產生實際影響并可直接測量的合成場強指標,用以衡量直流線路的電場的修改意見,優化了原導則,已被國家環保總局采納。

 
特高壓直流輸電在我國應用前景如何?
 特高壓直流輸電具備點對點、超遠距離、大容量送電能力,主要定位于我國西南大水電基地和西北大煤電基地的超遠距離、超大容量外送。
 特高壓直流在我國的應用前景廣闊。以國家電網為例,金沙江一期溪洛渡和向家壩送出工程將采用3回±800千伏、640萬千瓦直流特高壓送出,四川錦屏水電站采用1回±800千伏、640萬千瓦直流特高壓送出,以上工程計劃在2011年底~2016年期間陸續建成投運。金沙江二期烏東德、白鶴灘水電站送出工程也將采用3回±800千伏、640萬千瓦直流特高壓送出。發展特高壓直流輸電,還為我國后備能源基地西藏水電和新疆煤電開發提供經濟的輸電方式,為加強與俄羅斯、蒙古、哈薩克斯坦等國的電力合作提供技術保障。

 
從系統特性看,特高壓直流輸電和特高壓交流輸電有哪些區別?
 從技術上看,采用±800千伏特高壓直流輸電,線路中間無需落點,能夠將大量電力直送大負荷中心;在交直流并列輸電情況下,可利用雙側頻率調制有效抑制區域性低頻振蕩,提高斷面暫(動)穩極限;解決大受端電網短路電流超標問題。采用1000千伏交流輸電,中間可以落點,具有電網功能;加強電網支撐大規模直流送電;從根本上解決大受端電網短路電流超標和500千伏線路輸電能力低的問題,優化電網結構。
 從輸電能力和穩定性能看,采用±800千伏特高壓直流輸電,輸電穩定性取決于受端電網有效短路比(ESCR)和有效慣性常數(Hdc)以及送端電網結構。采用1000千伏交流輸電,輸電能力取決于線路各支撐點的短路容量和輸電線路距離(相鄰兩個變電站落點之間的距離);輸電穩定性(同步能力)取決于運行點的功角大小(線路兩端功角差)。
 從需要注意的關鍵技術問題看,采用±800千伏特高壓直流輸電,要注重受端電網靜態無功功率平衡和動態無功功率備用及電壓穩定性問題,要注重多回直流饋入系統因同時換相失敗引起的系統電壓安全問題。采用1000千伏交流輸電,要注重運行方式變化時的交流系統調相調壓問題;要注重嚴重故障條件下,相對薄弱斷面大功率轉移等問題;要注重大面積停電事故隱患及其預防措施。

 
與超高壓直流輸電相比,特高壓直流輸電有哪些技術和經濟優勢?
 和±600千伏級及600千伏以下超高壓直流相比,特高壓直流輸電的主要技術和經濟優勢可歸納為以下六個方面:
 一、輸送容量大。采用4000安培晶閘管閥,±800千伏直流特高壓輸電能力可達到640萬千瓦,是±500千伏、300萬千瓦高壓直流方式的2.1倍,是±600千伏級、380萬千瓦高壓直流方式的1.7倍,能夠充分發揮規模輸電優勢。
 二、送電距離長。采用±800千伏直流輸電技術使得超遠距離的送電成為可能,經濟輸電距離可以達到2500公里甚至更遠,為西南大水電基地開發提供了輸電保障。
 三、線路損耗低。在導線總截面、輸送容量均相同的情況下,±800千伏直流線路的電阻損耗是±500千伏直流線路的39%,是±600千伏級直流線路的60%,提高輸電效率,節省運行費用。
 四、工程投資省。根據有關設計部門的計算,對于超長距離、超大容量輸電需求,±800千伏直流輸電方案的單位輸送容量綜合造價約為±500千伏直流輸電方案的72%,節省工程投資效益顯著。
 五、走廊利用率高。±800千伏、640萬千瓦直流輸電方案的線路走廊為76米,單位走廊寬度輸送容量為8.4萬千瓦/米,是±500千伏、300萬千瓦方案和±620千伏、380萬千瓦方案的1.3倍左右,提高輸電走廊利用效率,節省寶貴的土地資源;由于單回線路輸送容量大,顯著節省山谷、江河跨越點的有限資源。
 六、運行方式靈活。國家電網公司特高壓直流輸電擬采用400+400千伏雙十二脈動換流器串聯的接線方案,運行方式靈活,系統可靠性大大提高。任何一個換流閥模塊發生故障,系統仍能夠保證75%額定功率的送出。

 
直流輸電線路的絕緣子片數是如何確定的?
 由于直流線路的靜電吸附作用,直流線路的污穢水平要比同樣條件下的交流線路的高,所需的絕緣子片數也比交流的多,其絕緣水平主要決定于絕緣子串的污穢放電特性。因此,目前在選擇絕緣子片數時主要有兩種方法:1.按照絕緣子人工污穢試驗采用絕緣子污耐受法,測量不同鹽密下絕緣子的污閃電壓,從而確定絕緣子的片數。2. 按照運行經驗采用爬電比距法,一般地區直流線路的爬電比距為交流線路的兩倍。兩種方法中,前者直觀,但需要大量的試驗和檢測數據,且試驗檢測的結果分散性大。后者簡便易行,但精確性較差。實際運用中,通常將兩者結合進行。

 
特高壓直流換流站設備面臨的主要問題是什么?
 特高壓直流換流站設備面臨的關鍵問題有以下幾類:
 1. 因電壓等級升高,換流變壓器閥側繞組、出線結構和套管的內絕緣問題將是需要解決的主要難題之一。閥側繞組承受較高的交直流混合場強,需使用大量的絕緣成型件等絕緣材料。±800千伏換流變壓器閥側引線絕緣成型件的研制和試驗,閥繞組主絕緣、匝絕緣的場強設計和試驗是設備研制中需重點解決的難題。
 2.因換流站污穢等級較高而造成的直流場設備絕緣問題。直流設備的污閃在直流場事故中占很大比重,是需要重點解決的難題。根據以往工程經驗和試驗研究,由于直流場的吸污特性,直流設備的爬電距離約為同等污穢條件下交流設備爬距的2倍。隨著城市化和工業化的發展,大氣污染問題日益嚴重,特高壓直流換流站污穢已達Ⅱ級甚至Ⅲ級水平,按此要求爬距需達到70毫米/千伏或更高的要求。在特高壓電壓下,按標準要求的爬電比距設計,設備已超過現有制造或運行能承受的高度。在重污穢地區,戶內場或設備合成化是解決耐污問題的兩個可行途徑。國家電網公司已將此問題作為重點研究項目,在換流站址進行直流場強下的污穢實測,確定合理、客觀的直流污穢水平,通過實際尺寸試驗等深入研究,確保設備具有安全、合理的外絕緣水平,以保障特高壓直流安全穩定運行。

 
國家電網特高壓直流工程有哪些特點?
 國家電網公司首次提出±800千伏、4000安培、 640萬千瓦系列特高壓直流工程方案。溪洛渡、向家壩和錦屏共采用4回±800千伏特高壓直流輸電工程送出,每回輸送容量為640萬千瓦,是目前規劃中電壓等級最高,容量最大的直流輸電工程。
 因輸送容量大,電壓高造成高端換流變壓器體積大,運輸重量增加,據廠家概念設計估算,送端高端換流變壓器最大重量可達360噸/臺。由于送端地區運輸條件限制,經過技術經濟分析,國家電網公司在金沙江外送特高壓直流輸電工程站址規劃中,將送端3個換流站全部集中在四川宜賓市,既解決大件設備的運輸問題,又節省了工程造價,而且有利于特高壓換流站的運行維護。
 
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