趙建明，蒙 毅

（1.中國(guó)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(yáng)變壓器集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng)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(guó)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(lái)看，特高壓直流輸電技術(shù)應(yīng)用中還仍然存在著一些問(wèn)題有待解決，因此需要電力企業(yè)相關(guān)從業(yè)人員對(duì)其進(jìn)行全方位的分析，并提出合理的對(duì)策進(jìn)行解決，進(jìn)而保障電力的可持續(xù)運(yùn)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(guó)特高壓直流輸電是指±800kV及以上的電壓，隨著近幾年我國(guó)各地區(qū)對(duì)輸送電容量要求的不斷提高，為了使我國(guó)電力資源得到合理開(kāi)發(fā)和利用，對(duì)特高壓直流輸電技術(shù)的研究正不斷深化，現(xiàn)已可以實(shí)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(wèn)題，如圖1所示。直流輸電的工作原理是通過(guò)換流器將交流電先整流再逆變，輸電過(guò)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(mǎn)足我國(guó)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(dòng)能源革命，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色經(jīng)濟(jì)，我國(guó)電力專(zhuān)家開(kāi)始廣泛關(guān)注并對(duì)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，要求在建項(xiàng)目不可破壞周邊的生態(tài)環(huán)境，以此為基礎(chǔ)分析未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)特高壓輸電相關(guān)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，確保我國(guó)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(shì)較為明顯，綜合比較現(xiàn)有的高強(qiáng)度輸電手段，該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)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(huì)最終注入交流電網(wǎng)，不僅可以保證地理優(yōu)勢(shì)不明顯地區(qū)資源的合理利用，且能夠減少輸電過(guò)程中的線(xiàn)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(shuō)中國(guó)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(jī)，2009年~2010年首條特高壓輸電工程試驗(yàn)投入商業(yè)運(yùn)行，這標(biāo)志著我國(guó)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(guó)電能發(fā)展建設(shè)正逐漸達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平如圖2所示。自2013年中國(guó)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(shí)間就大幅提升了我國(guó)在國(guó)際電工領(lǐng)域的影響力和話(huà)語(yǔ)權(quán)，實(shí)現(xiàn)了“中國(guó)創(chuàng)造”和“中國(guó)引領(lǐng)”，中國(guó)電網(wǎng)正式步入特高壓時(shí)代?，F(xiàn)如今經(jīng)過(guò)十余年的探索，已實(shí)現(xiàn)從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的跨越，2020年我國(guó)“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(diǎn)。

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(kāi)展相關(guān)研究，結(jié)合以往資料進(jìn)行自主研究，保證技術(shù)能夠與時(shí)代接軌實(shí)現(xiàn)全面創(chuàng)新。由于在自主研究中無(wú)法借鑒成熟的經(jīng)驗(yàn)，為大量科研課題和設(shè)計(jì)專(zhuān)題研究帶來(lái)了一定的阻礙，但通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(jì)合理、國(guó)際一流”為原則，使特高壓建設(shè)不斷推進(jìn)，最終建立了世界上首個(gè)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(guó)正大力發(fā)展“一帶一路”倡議，2019年10月中國(guó)能建規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)承擔(dān)特高壓直流輸電項(xiàng)目，±800kV特高壓直流送出二期項(xiàng)目正式投運(yùn)，標(biāo)志著中國(guó)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(jìn)水電、火電、核電的開(kāi)發(fā)，優(yōu)化電力的分布，但特高壓直流輸電在輸送過(guò)程中沒(méi)有其他輸電落點(diǎn)，可見(jiàn)供電穩(wěn)定性與安全性與換流站設(shè)計(jì)有著直接的關(guān)系，基于此應(yīng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)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(shí)，當(dāng)前我國(guó)特高壓直流輸電基本以雙極系統(tǒng)接線(xiàn)方式為主，結(jié)合12脈動(dòng)換流站可以提供多種運(yùn)行方式，如直接將電力輸送到終點(diǎn)，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(shí)最大程度減小損失，保障輸電安全平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)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(wèn)題，為了能夠控制交流側(cè)的無(wú)功和有功功率，需要改變VSC電子器件的開(kāi)斷狀態(tài)，從而保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)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(kuò)展方法更加靈活等優(yōu)點(diǎn)，換流站可采用并聯(lián)接線(xiàn)方案，換流器仍通過(guò)交流電壓支撐工作，從而使調(diào)節(jié)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，更好地控制電流的傳送速度。同時(shí)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(dòng)保護(hù)，對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的短路電流進(jìn)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(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、平穩(wěn)運(yùn)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(xiàn)的長(zhǎng)度更長(zhǎng)，且在用電的正常情況下存在電容電流，所以超高壓長(zhǎng)輸電線(xiàn)在穩(wěn)定的狀態(tài)下，可能因?yàn)殡娙莸拇嬖诙艿接绊?，因此在技術(shù)應(yīng)用中需要對(duì)此加大關(guān)注力度。可控硅換流器觸發(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(duì)故障系統(tǒng)提供支援，該技術(shù)促進(jìn)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(diǎn)，未來(lái)特高壓直流技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模將會(huì)持續(xù)提升，為開(kāi)展“西電東送項(xiàng)目”奠定基礎(chǔ)，從而有效解決我國(guó)能源和人口分布不均衡的問(wèn)題，未來(lái)我國(guó)還將進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍和規(guī)模，加快“西電東送項(xiàng)目”的完成速度，實(shí)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(wèn)題，我國(guó)在發(fā)展特高壓直流電的過(guò)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(jìn)技術(shù)的長(zhǎng)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(lái)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(xiàng)目已成為未來(lái)發(fā)展的主要方向。

4.3 絕緣問(wèn)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(shì)，但因電壓等級(jí)相對(duì)較高，如果絕緣層質(zhì)量存在問(wèn)題，會(huì)危及人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，所以需要對(duì)該問(wèn)題加大關(guān)注力度。特高壓直流輸電技術(shù)在未來(lái)的應(yīng)用范圍將會(huì)逐漸擴(kuò)大，各類(lèi)安全故障可能也將隨之增多，因此必須對(duì)絕緣問(wèn)題加大研究力度，解決現(xiàn)存風(fēng)險(xiǎn)與矛盾問(wèn)題。

4.4 經(jīng)濟(jì)前景廣泛

在特高壓直流輸電技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較高，在建設(shè)過(guò)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(jì)報(bào)表顯示，在2022年用電方面預(yù)計(jì)將使用8.7億千瓦時(shí)，可見(jiàn)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(jìn)一步滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離、大容量輸電所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題，必須加快建設(shè)特高壓電網(wǎng)，從而實(shí)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(jìn)行主接線(xiàn)選型

特高壓直流輸電技術(shù)應(yīng)用中，主接線(xiàn)選型十分重要，其基本以成套設(shè)計(jì)的形式出現(xiàn)，所以需要對(duì)系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)損耗、實(shí)施難度加大關(guān)注，合理選擇接線(xiàn)方案以及相應(yīng)的交流、直流設(shè)備具體配置方案，進(jìn)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(xiàn)方案，如圖3所示。同時(shí)要確定主接線(xiàn)方案的關(guān)鍵因素，考慮換流變壓器的設(shè)計(jì)制造和運(yùn)輸方面因素，不論是2個(gè)12脈動(dòng)換流器方案還是3個(gè)12脈動(dòng)換流器的串聯(lián)方案，都需要考慮主設(shè)備、控制保護(hù)和直流場(chǎng)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(jí)，要求低端接入1000kV交流電網(wǎng)，提高運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性。

圖3 主接線(xiàn)選型

5.2 過(guò)電壓與絕緣配合

±1100kV特高壓直流工程的電壓等級(jí)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(shí)施帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。為了減少設(shè)備制造難度和工程造價(jià)，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(jìn)一步減少后續(xù)改造的費(fèi)用，滿(mǎn)足發(fā)展建設(shè)需求。

5.3 間隙計(jì)算與直流場(chǎng)選型

±1100kV的特高壓直流輸入對(duì)外絕緣要求大幅提高，在空氣間隙計(jì)算中應(yīng)考慮絕緣距離和電場(chǎng)不均勻程度兩個(gè)方面，可采用傳統(tǒng)的戶(hù)外直流場(chǎng)方案，也可以選擇戶(hù)內(nèi)直流場(chǎng)方案，通過(guò)優(yōu)化電極形狀控制電極表面電場(chǎng)強(qiáng)度，減小安全空氣間隙的距離。采用戶(hù)外直流場(chǎng)方案需充分考慮淋雨、電極微小缺陷、絕緣裕度等因素，通過(guò)優(yōu)化電極形狀減小安全空氣間隙。戶(hù)內(nèi)直流場(chǎng)選型設(shè)計(jì)時(shí)按照棒板間隙模型計(jì)算，極線(xiàn)設(shè)備對(duì)地距離＞20m，無(wú)需考慮淋雨和風(fēng)荷載對(duì)設(shè)計(jì)方案的影響，但需要保持較高的電極形狀系數(shù)，極線(xiàn)設(shè)備對(duì)地距離控制在13m左右。

5.4 簡(jiǎn)化直流濾波器設(shè)計(jì)

直流濾波器設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)主接線(xiàn)方案設(shè)計(jì)影響很大，在架空輸電線(xiàn)路的直流工程中，通過(guò)特定頻率諧波提供低阻抗通路，降低流入直流線(xiàn)路和接地極引線(xiàn)中的諧波分量，但傳統(tǒng)直流濾波器存在一定的缺點(diǎn)，因此必須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。可從直流濾波器設(shè)計(jì)性能指標(biāo)的角度考慮，放開(kāi)對(duì)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(jiǎn)化直流濾波器設(shè)計(jì)，綜合分析各種極端條件組合以及考慮對(duì)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(qiáng)監(jiān)督與運(yùn)營(yíng)維護(hù)

特高壓直流輸電項(xiàng)目必須加強(qiáng)維護(hù)，明確維護(hù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，加強(qiáng)工作人員日常運(yùn)營(yíng)和維護(hù)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(xiàn)金具未打排水孔的問(wèn)題。同時(shí)要確保工作人員按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展運(yùn)營(yíng)和維護(hù)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(wèn)題要及時(shí)進(jìn)行分析并解決，在此基礎(chǔ)上需要進(jìn)一步加強(qiáng)反思，對(duì)維護(hù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，為后續(xù)工作提供支持和保障。

5.6 加強(qiáng)特高壓直流輸電設(shè)計(jì)

由于相關(guān)設(shè)計(jì)人員的疏忽，在設(shè)計(jì)特高壓直流輸電線(xiàn)路時(shí)，沒(méi)有嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)穩(wěn)定性問(wèn)題。為提升特高壓直流輸電線(xiàn)路的安全性能，設(shè)計(jì)人員需要嚴(yán)格遵照標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范實(shí)施設(shè)計(jì)操作，在設(shè)計(jì)電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)，需要系統(tǒng)調(diào)查各個(gè)環(huán)節(jié)，關(guān)注特高壓直流輸電線(xiàn)路的走向，結(jié)合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境與情況進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)并針對(duì)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(jì)人員在設(shè)計(jì)前也應(yīng)考察施工地區(qū)的地勢(shì)地貌，以此選擇合適的桿塔基礎(chǔ)型號(hào)，在此過(guò)程中要考慮輸電線(xiàn)路的穩(wěn)定性等問(wèn)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(guò)加強(qiáng)培訓(xùn)提高建設(shè)隊(duì)伍的素質(zhì)和能力，與此同時(shí)，要通過(guò)技能培訓(xùn)來(lái)提高施工人員的技術(shù)水平，對(duì)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(jiǎng)勵(lì)，從而能提高施工人員的積極性；而管理人員則應(yīng)通過(guò)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(wèn)題。同時(shí)，施工人員應(yīng)結(jié)合實(shí)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(xiàn)截面積，如發(fā)現(xiàn)接地裝置不合格引起的接地問(wèn)題，可直接更換接地裝置，而因施工原因引起的此類(lèi)事故，則需要進(jìn)行深入調(diào)查，并對(duì)違規(guī)施工單位給予一定的處罰，后續(xù)也應(yīng)通過(guò)培訓(xùn)教育提高相關(guān)人員的安全意識(shí)。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的逐步推進(jìn)，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(guó)還需進(jìn)一步完善特高壓直流輸電技術(shù)，提高系統(tǒng)對(duì)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(jì)性。