胡未洪

（國能浙江北侖第一發(fā)電有限公司,浙江 寧波 315800）

電力系統(tǒng)主要由發(fā)電、變電、輸電、配電、用電五個環(huán)節(jié)構(gòu)成。作為電能生產(chǎn)和電能交換使用的中間環(huán)節(jié)，輸電技術(shù)是電力系統(tǒng)的重要組成部分。隨著國民經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，我國的電力系統(tǒng)已經(jīng)越來越向著特高壓、大容量、大電廠、大機組和高度自動化發(fā)展。由于電能是不可大量儲存的二次能源，故發(fā)電量、用電量迅速增長的態(tài)勢，給我國電力網(wǎng)絡(luò)的輸電環(huán)節(jié)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

輸電系統(tǒng)的電壓等級可以分為高壓、超高壓和特高壓。在交流輸電系統(tǒng)中，高壓（high voltage，HV）指的是10 kV～220 kV的輸電系統(tǒng)，超高壓（extra high voltage，EHV）指的是330 kV～750 kV的輸電系統(tǒng)，交流特高壓（ultra-high voltage，UHV）的電壓等級范圍在1 000 kV以上。目前世界上最高電壓等級的交流輸電系統(tǒng)是我國的1 000 kV輸電系統(tǒng)。而對于直流輸電系統(tǒng)，各電壓等級的劃分是不一樣的。直流輸電系統(tǒng)不使用500 kV以下的高壓輸電等級，這是因為直流輸電技術(shù)的優(yōu)勢只有在超特高壓、遠(yuǎn)距離輸電時才可體現(xiàn)。我國現(xiàn)有的超高壓直流輸電技術(shù)（high voltage direct current，HVDC）主要是±500 kV直流系統(tǒng)。直流特高壓電壓等級包含了±800 kV和±1 100 kV兩種，目前世界上最高電壓等級的直流輸電技術(shù)所使用的就是±1 100 kV電壓級。

1 特高壓直流輸電技術(shù)概述

1.1 發(fā)展特高壓輸電技術(shù)的必要性

隨著社會的進步與我國工業(yè)化發(fā)展的快速邁進，低功耗、長距離、大容量的電力輸電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已經(jīng)成為我國電力行業(yè)發(fā)展的歷史必然趨勢[1]。

（1）我國正處于城鎮(zhèn)化與工業(yè)化快速發(fā)展的關(guān)鍵階段。全社會用電量從2005年的2.5 萬億kW·h增長至2020年的7.5 萬億kW·h。電力系統(tǒng)越來越向著大容量、高電壓發(fā)展，年發(fā)電量以及年裝機容量逐年增長，這也給輸電網(wǎng)絡(luò)帶巨大的挑戰(zhàn)。特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，能夠提高電網(wǎng)對于各類能源的承載與傳輸接納水平，改善電網(wǎng)的調(diào)峰特性[2]，更容易完成堅強電力網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。

（2）我國特有的負(fù)荷中心與能源資源的逆向分布。在特高壓電網(wǎng)建設(shè)過程中，能源資源與負(fù)荷中心的電力配置涉及電網(wǎng)的經(jīng)濟性、安全性、靈活性與穩(wěn)定性，是一個需要綜合考慮的問題。我國幅員遼闊，西北地區(qū)相較東部地區(qū)地廣人稀，用電量較小，而東部地區(qū)呈現(xiàn)出以華北、華東與南方三個負(fù)荷中心為主要高密度的負(fù)荷用電區(qū)域，這些負(fù)荷區(qū)域與現(xiàn)有大規(guī)模水煤資源基地的距離大都在800 km～3 000 km范圍。由此我國大力實施了南水北調(diào)、北煤南運、西氣東輸以及西電東送等調(diào)節(jié)區(qū)域資源負(fù)荷不平衡的政策措施。

（3）大規(guī)模清潔能源并網(wǎng)輸送的需求。在2020年9月舉辦的第七十五屆聯(lián)合國大會上，中國首次提出了2030年努力使碳排放達(dá)到峰值以及2060年前力爭實現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)[3]，這體現(xiàn)了我國在新時代發(fā)展綠色經(jīng)濟的決心。就此，我國的能源結(jié)構(gòu)將從傳統(tǒng)的火電形式向清潔能源多輪驅(qū)動的能源供應(yīng)體系轉(zhuǎn)變。然而，由于光伏和風(fēng)電等清潔能源存在波動性、間歇性、隨機性以及不可大量儲存的缺陷，如何解決輸電網(wǎng)絡(luò)對上述清潔能源的接納問題成為國內(nèi)外重要的研究方向。柔性直流輸電技術(shù)基于電力電子器件對于潮流的靈活控制能力能夠緩解發(fā)電、用電功率對電網(wǎng)的沖擊，尤其是對于偏遠(yuǎn)山區(qū)電場，能夠大幅削弱清潔能源發(fā)電所帶來的間歇性、波動性問題，成為新型電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢[4-6]。

1.2 特高壓直流輸電的優(yōu)勢

我國電力系統(tǒng)的電能輸送形式以交流輸電為主，直流輸電技術(shù)由于換流站造價高于交流輸電技術(shù)中的變電站，且受端用戶所使用的都是三相交流電，故采用較少。目前，雖然直流輸電技術(shù)應(yīng)用較少，但是直流輸電技術(shù)由于在超特高壓領(lǐng)域體現(xiàn)出在經(jīng)濟、靈活以及穩(wěn)定運行等方面的優(yōu)勢，已經(jīng)逐漸成為未來輸電系統(tǒng)設(shè)計的重要方向。具體來講，特高壓直流輸電的優(yōu)勢可以概括為以下四點。

（1）節(jié)約線路成本及運行費用。直流輸電技術(shù)用正、負(fù)兩根導(dǎo)線替代了交流三相的三根導(dǎo)線，因此輸送相同容量電能時直流輸電技術(shù)的成本僅為交流輸電技術(shù)的2/3。換言之，在輸送相同容量電能時，直流輸電的輸送容量是交流輸電的1.5倍。在特高壓長距離輸送時，減少一根導(dǎo)線的成本是極為可觀的，能夠節(jié)省大量有色金屬、鋼材和絕緣材料等耗材。此外，由于減少了一根導(dǎo)線的投資，所帶來的經(jīng)濟優(yōu)勢還包含了年運行費用、線路走廊占地以及桿塔成本的節(jié)約。因此，在線路成本與運行費用上直流輸電技術(shù)能夠大幅縮減電力系統(tǒng)輸電的投資成本。

（2）運行更加穩(wěn)定可靠。直流系統(tǒng)的頻率f恒為零，所以不存在電抗X，也就沒有了靜態(tài)穩(wěn)定性PM的要求和電容充電電流的問題。并且，由于兩個系統(tǒng)之間不會由于電抗壓降等因素產(chǎn)生頻率波動，直流電網(wǎng)十分容易完成互聯(lián)。而交流輸電系統(tǒng)中兩個系統(tǒng)由于連接距離較遠(yuǎn)，會在連接線上產(chǎn)生一定的壓降，使得兩側(cè)電網(wǎng)的頻率不一致，無法進行同步運行，從而很容易造成電壓、頻率、相角差的問題。此外，在應(yīng)對極端停電事故，例如單相接地短路時，交流輸電系統(tǒng)由于三相之間的關(guān)系往往會造成全系統(tǒng)停電，而直流輸電系統(tǒng)僅需要停運一根正極或負(fù)極導(dǎo)線，另一根導(dǎo)線則利用大地作為回路，輸送一半以上的電能。由此可見，直流輸電系統(tǒng)對于保障電力系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行也具有一定的優(yōu)勢。

（3）潮流控制更加迅速。直流輸電系統(tǒng)引進了大量的電力電子開關(guān)器件，能夠在日常運行時通過換流器快速調(diào)整系統(tǒng)有功與無功功率的收支平衡與方向，這不僅可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，還為電能質(zhì)量的提高做出了突出貢獻(xiàn)。當(dāng)交流系統(tǒng)受到了擾動時，直流系統(tǒng)中的電力電子器件還能夠通過調(diào)節(jié)直流功率從而抵消交流系統(tǒng)因擾動引起的功率波動。尤其是在發(fā)生潮流事故時，直流系統(tǒng)中的器件能夠快速調(diào)節(jié)功率大小并實現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)以提高系統(tǒng)運行的可靠性。

（4）提高電能輸送距離和經(jīng)濟容量。交流輸電技術(shù)的輸電距離一般被限制在千公里范圍內(nèi)，而輸電容量通常也在5 000 MW以下，而直流輸電技術(shù)在特高壓領(lǐng)域的輸電距離和輸電容量可以得到成倍的增長，兩者典型的輸電距離和容量對比如表1所示。

表1 特高壓交直流線路的輸送距離與容量[2]

1.3 特高壓直流輸電的缺陷

（1）直流換流站的造價較高。由于受電側(cè)用戶使用的都是交流電，要想完成直流輸電，需要進行如下電能轉(zhuǎn)換：在送電時將交流電整流成為直流電，在受電時又需要將直流電逆變成為交流電，才可供用戶使用。在上述電能變換系統(tǒng)中，將交流電整流成為直流電的節(jié)點稱為整流站，將直流電逆變成為交流電的節(jié)點稱為逆變站，整流站和逆變站也被稱為直流輸電的換流站。直流換流站一般采用成千只大電流晶閘管來串聯(lián)得到巨型橋閥，還附帶有電容電抗器、分壓電阻、冷卻絕緣結(jié)構(gòu)等，相較于交流的變電站，直流換流站的投資數(shù)額巨大。

（2）無功功率的大量消耗與電網(wǎng)諧波污染。電力電子開關(guān)器件的大量引入消耗了大量的電網(wǎng)無功功率，整流站消耗的無功功率占有功功率的35%～55%，逆變站占45%～65%。此外，電力電子器件工作時還會產(chǎn)生諧波電壓與電流，會造成發(fā)電機過熱與通信干擾等問題。為了治理電網(wǎng)的諧波干擾與污染問題，一般都在交直流側(cè)安裝合適的濾波器，兼具無功補償裝置來使用。

（3）直流斷路器的研制困難。直流電弧不存在類似交流電弧那樣的自然過零點熄弧的特性，故在熄滅電弧時存在較大的挑戰(zhàn)。目前，直流斷路器的造價較高，且對于較大電流值的電弧難以快速熄滅，工程中一般使用閉鎖換流器的控制脈沖發(fā)揮斷路器的功能，當(dāng)電流降到零時熄滅電弧。

2 環(huán)保型特高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵問題分析

距離第七十五屆聯(lián)合國大會上中國首次提出“雙碳”目標(biāo)已經(jīng)過去一年多，在此背景下，我國的能源結(jié)構(gòu)正從傳統(tǒng)的火電形式向清潔能源多輪驅(qū)動的能源供應(yīng)體系轉(zhuǎn)變。如今，內(nèi)陸和海上的大型風(fēng)電場以及太陽能發(fā)電站正在規(guī)劃或建設(shè)中，這就需要可靠和經(jīng)濟的電力傳輸技術(shù)。20世紀(jì)60年代氣體絕緣開關(guān)設(shè)備技術(shù)（GIS）和輸電管道技術(shù)（GIL）首次被發(fā)明至今，受到了全世界電網(wǎng)建設(shè)者們的一致重視與研究投入。因此，GIL輸電被認(rèn)為是“雙碳”背景下解決我國輸電重大需求問題的關(guān)鍵性辦法之一，尤其是直流特高壓GIL，能夠充分利用直流傳輸在長距離下的巨大優(yōu)勢，應(yīng)該得到進一步的探索與研究。圖1列舉了目前緊湊型特高壓直流GIL輸電線路的主要研究熱點。

圖1 緊湊型GIL研究熱點總結(jié)[7-11]

2.1 SF6替代氣體

六氟化硫（SF6）是一種無毒無味不可燃并具有穩(wěn)定化學(xué)惰性的氣體，由于其具備較好的絕緣強度、滅弧性能以及經(jīng)濟性，在特高壓絕緣領(lǐng)域得到了極為廣泛的利用，尤其是在目前特高壓±500 kV和±1 000 kV的GIL和GIS中已經(jīng)占據(jù)了主要地位。然而，SF6也造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題。SF6氣體被《聯(lián)合國氣候變化框架公約的京都議定書》（以下簡稱《京都議定書》）確定為七種主要的溫室效應(yīng)氣體之一，其全球變暖潛能值（GWP）是CO2的23 500倍。此外，SF6在大氣中的壽命長達(dá)3 200年，排在了《京都議定書》清單的榜首。SF6氣體的應(yīng)用雖然在短期內(nèi)滿足了電氣設(shè)備的絕緣滅弧需求，但從長期來看勢必會阻礙全世界碳排放與碳治理的重要進程。為了嚴(yán)格限制SF6的使用和排放，目前最為常用且有效的辦法就是用其他較低GWP的惰性絕緣氣體取代部分SF6。這些絕緣氣體必須滿足較高的安全穩(wěn)定性，具備不易分解的特性，更為關(guān)鍵的是要能在特高壓領(lǐng)域具有出色的絕緣性能。以下將對目前國內(nèi)外所研究的SF6主要替代氣體的上述性能進行總結(jié)，并通過單一氣體完全替代技術(shù)以及多元氣體的混合替代技術(shù)進行了分類。

2.1.1 混合替代方案

全氟碳?xì)怏w中目前最可能替代SF6的是全氟環(huán)丁烷（c-C4F8），其表現(xiàn)出非常高的介電強度[12]，而其絕緣強度也約為SF6的1.3倍，GWP為8 700，是SF6的38.2%。此外，c-C4F8還具有無毒、不破壞O3、熱穩(wěn)定性高等特點。但是，由于其高沸點（-8 ℃），c-C4F8不能對SF6完全替代，一般與CF4、N2、CO2或空氣混合使用。

此外，國內(nèi)外許多學(xué)者還嘗試使用含SF6的混合氣體，以此降低SF6的使用量，但是尤其要注意設(shè)備絕緣性能的下降問題。比如SF6/N2二元混合氣體的替代技術(shù)，目前已較為成熟，許多國內(nèi)學(xué)者對此進行了大量的仿真研究。屠幼萍等[13]基于Peng-Robinson（PR）狀態(tài)方程和van der Waals混合規(guī)則對SF6/N2的露點溫度進行了仿真計算。肖曉林等[14]基于PIC法對SF6/N2混合氣體中絕緣子表面的露點溫度進行了仿真計算。此外，SF6/N2二元混合氣體的SF6替代技術(shù)在許多國家已經(jīng)投入運行實踐，比如瑞士日內(nèi)瓦機場采用SF6/N2混合氣體來替代SF6完成了220 kV GIL線路的運行使用。

2.1.2 完全替代方案

由于SF6所帶來的溫室效應(yīng)問題之緊迫，也有不少研究者積極探索了SF6氣體的完全替代技術(shù)，力爭實現(xiàn)SF6溫室效應(yīng)問題的根除。SF6完全替代氣體絕緣必須滿足環(huán)保指標(biāo)，并具備無毒、優(yōu)良的電氣性能，才能實現(xiàn)在不降低設(shè)備絕緣安全性能的同時，改善溫室效應(yīng)對環(huán)境帶來的破壞問題。以下將主要從上述性能指標(biāo)來衡量絕緣氣體是否具備完全替代SF6的可能性。

（1）g3（green gas for grid）氣 體 由3MTM公 司 與GE共同研發(fā)，該氣體對全球變暖的影響比SF6小98個百分點，而其性能卻可與SF6相媲美，是目前發(fā)展特高壓交直流輸電的一項重要環(huán)保技術(shù)。g3氣體是基于4mol%或6mol%NovecTM4710液體濃度根據(jù)一定的工作溫度和壓力制得的。Kieffel等[8]通過大量實驗測試了g3的特性和性能，相比于SF6高達(dá)23 500的GWP值，g3的GWP值降低了98個百分點或更多，且其在耐受高溫、介電強度等多個方面都展現(xiàn)出了極為優(yōu)異的性能。該氣體雖已被確定為低毒性，但與SF6相比，g3不被歸類為致癌、誘變和生殖毒物的氣體。在多數(shù)情況下，可以被用作SF6的完全替代氣體。

（2）全氟碳類化合物因氟元素極強的電負(fù)性都具備了良好的絕緣性能，目前常見可利用的全氟碳類化合物有全氟甲烷（CF4）、全氟乙烷（C2F6）、全氟丙烷（C3F8）和全氟環(huán)丁烷（c-C4F8）等，這些全氟碳的GWP均低于SF6，且介電強度都與SF6相當(dāng)，都具備了良好的絕緣性能。表2比較了常見的全氟碳類替代SF6氣體的性能特點。

表2 常見的SF6可替代全氟碳?xì)怏w的性能比較

CF4和C2F6的大氣存活壽命分別長達(dá)5萬年和1萬年，不利于大氣的自愈循環(huán)。此外，在安全性方面，CF4可能會導(dǎo)致窒息疾病。因此，CF4和C2F6不宜用作SF6的替代氣體絕緣。因此，全氟碳?xì)怏w中目前最可能替代SF6的是C3F8和c-C4F8，尤其是c-C4F8表現(xiàn)出最高的介電強度[16]，而其絕緣強度也約為SF6的1.3倍，GWP為8 700，是SF6的38.2%。此外，c-C4F8還具有無毒、不破壞O3、熱穩(wěn)定性高等特點。但是，由于其高沸點（-8 ℃），c-C4F8不進行SF6的完全替代，使用時應(yīng)注意與CF4、N2、CO2或空氣混合使用。研究表明，C3F8的GWP約為8 830，僅為SF6的38.7%。另外，C3F8氣體對大氣平流層中的臭氧無害，還具有低毒、良好的熱穩(wěn)定性、相對較低的沸點以及與SF6相當(dāng)?shù)慕^緣強度[13]。因此，C3F8和c-C4F8都有可能取代SF6成為一種可利用的環(huán)保絕緣氣體。

2.2 電磁環(huán)境控制

目前，國內(nèi)外許多研究者對特高壓輸電線路所產(chǎn)生的電磁環(huán)境問題開展了火熱的研究。工頻磁感應(yīng)強度、工頻電場強度、無線電干擾與可聽噪聲共同構(gòu)成了輸電線路設(shè)計的電磁環(huán)境指標(biāo)[14]。輸電線路電磁環(huán)境問題不僅影響了輸電線路居民的日常生活，還對附近工頻電場、磁場以及無線電等造成了較大的干擾，尤其在高海拔區(qū)域，由于實驗基地低氣壓、污穢污染等環(huán)境問題，輸電線路的電磁環(huán)境問題愈加嚴(yán)重[10]。在特高壓輸電線路周圍，常常產(chǎn)生紫色的放電電弧，并伴有“滋滋”的噪聲，該現(xiàn)象被稱為電暈放電。在高電壓領(lǐng)域，電暈放電是指極不均勻場所特有的一種自持放電現(xiàn)象，由于特高壓輸電線路附近的局部場強嚴(yán)重畸變，在高場強區(qū)域即線路表面及周圍空氣中更容易產(chǎn)生局部的放電現(xiàn)象。電暈放電會造成線路的電暈損耗、無線電干擾等各方面問題，其中，可聽噪聲問題嚴(yán)重影響了附近居民的生活，而無線電干擾使得通訊信號在傳輸過程的滯后、阻斷甚至污染，已經(jīng)成為特高壓輸電線路導(dǎo)線設(shè)計的關(guān)鍵性問題。

3 結(jié)語

隨著我國用電發(fā)電的總量不斷增長，以及使用清潔能源的環(huán)境限制與“雙碳”目標(biāo)下，全球來自可再生清潔能源的輸送需求也在增長，特別是隨著大型光伏電站和海上風(fēng)電能源的大力發(fā)展，對輸電技術(shù)電壓等級的提高提出了新的要求。清潔能源的波動間歇性，更對特高壓輸電技術(shù)提出了更高穩(wěn)定性等要求。在此背景下，加深特高壓直流（UHVDC）技術(shù)輸送電能的研究十分必要。

隨著下一代UHVDC遠(yuǎn)距離大容量輸電技術(shù)的升級與轉(zhuǎn)型，緊湊型GIS/GIL系統(tǒng)的需求預(yù)計將在未來幾年大幅增長，具體的研究熱點主要包含緊湊化結(jié)構(gòu)研究、帶電作業(yè)、大負(fù)荷試驗、電磁環(huán)境研究以及SF6環(huán)保氣體替代技術(shù)。SF6環(huán)保氣體替代的研究對實現(xiàn)我國在2020年提出的雙碳目標(biāo)至關(guān)重要，擁有可行的完全替代方案固然是美好愿景，但是現(xiàn)有的研究還不足以實現(xiàn)。諸如g3等替代氣體在特高壓環(huán)保GIL的運行中仍然面臨尺度效應(yīng)、氣體供應(yīng)不足和標(biāo)準(zhǔn)缺失等多項挑戰(zhàn)。SF6/N2、CF3I/CO2等混合氣體的關(guān)鍵技術(shù)研究和樣機研制相對更成熟，但運行中仍存在不確定性，可推廣應(yīng)用于110 kV 以上電壓等級，也可逐步取代變電站 GIS長母線進行相應(yīng)測試，同時，仍需開展多項關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)研究，借鑒現(xiàn)國外線路運行的現(xiàn)有的研究成果和工程經(jīng)驗，開展110～ 550 kV 電壓等級的樣機研制及應(yīng)用，便于提升設(shè)備的環(huán)保效益。