±800kV特高压直流输电工程技术

张源

关键词：特高压;?直流输电;?换流站;

1特高压直流输电工程技术

1.1特高压换流技术

特高压换流是特高压直流输电工程的关键技术，其核心设备为换流阀。目前中国投运及在建的±800kV特高压直流输电工程所使用的换流阀主要有5000A/±800kV和6250A/±800kV两种类型，其中后者的输送性能相对于前者有大幅度的提升。文章将对这两种类型的特高压换流阀基本参数和性能进行对比分析。

（1）运行条件

5000A/±800kV和6250A/±800kV换流阀均为全封闭户内设备，其长期运行温度为10～50℃，长期运行湿度为50%RH，并要求阀厅内长期保持微正压条件。

（2）基本参数

与±800kV/5000A换流阀相比，±800kV/6250A换流阀的输送容量提升了25%，其晶闸管导通电压由原来的8.5kV降为7.2kV，晶闸管关断时间由原来的500μs降为450μs，增强抵御换相失败的能力。

（3）阀塔结构设计

目前±800kVUHVDC换流阀典型阀塔结构均为悬吊式二重阀结构，整个阀塔通过悬式绝缘子悬吊于阀厅顶部。每个二重阀为一个6脉波整流/逆变桥的1相，由2个单阀串联构成，而双12脉动阀组的1相则由4个二重阀串联构。

其中，高端阀厅12脉动阀组的悬吊部分的绝缘按直流600kV设计，低端阀厅12脉动阀组的悬吊部分的绝缘按直流200kV设计。

在每个单阀两端采用并联氧化锌避雷器来实现过电压保护，并在阀塔的顶部和底部安装屏蔽罩，以改善换流阀周围电场分布特性，避免换流阀对地产生电晕发电。

（4）阀冷系统设计

换流阀阻尼回路的热损耗严重影响换流阀工作效率和使用寿命，为保证良好的散热，换流阀的冷却系统通常被设计成强迫水冷，由阀内冷系统和阀外冷系统构成。其中阀内冷系统直接串入换流阀散热器上，吸收换流过程中热量，为密闭式去离子水循环系统;而阀外冷系统为开放式水循环系统，主要负责吸收内冷却水的热量。内冷却水在阀塔内吸收换流阀的热量后温度上升，升温后的热水由主循环泵驱动进入室外封闭式冷却塔内的换热盘管，喷淋泵从水池中抽水后均匀喷洒到冷却塔内的换热盘管表面，降温后的内冷却水再由循环水泵送回换流阀，如此周而复始。

为了防止换流阀在高压状况下产生漏电现象，内冷却水的电导率必须控制在0.3μs/cm。系统运行时，内冷水通过去离子回路进行去离子处理，从而保证内冷水的的电导率在合理的范围内。

1.2控制与保护

特高压直流输电的控制保护系统多采用分层分布式结构，完全冗余配置，分为站控层、过程控制层和现地控制层。站控层主要完成全站的控制操作、事件顺序记录（SER）、图形页面显示、报表处理系统、用户管理等功能。过程控制层是直流输电控制系统的核心部分，包括极控系统和交流/直流站控系统。极控系统的功能分3层实现:双极控制层、极控制层和换流器控制层（阀控系统，VBE）;交流/直流站控系统实现换流站交流开关场设备、滤波场设备的控制，完成全站的电气联锁，完成全站主/辅设备监视报警信号的汇总管理，完成站用电控制。现场控制层主要是执行数字量和模拟量的预处理、高压装置的联锁、SER事件的产生、就地控制的I/O控制单元等。

1.3绝缘配合

±800kV换流站主设备的绝缘配合基本原则为:根据换流站主设备在日常运行中可能承受的过电压，并考虑设备的绝缘特性及可能影响绝缘特性的因素，再权衡安全和经济2个方面的要求，确定换流站主设备的绝缘水平。该绝缘配合原则与交流变电站并无明显差异，由于特高压直流换流站与特高压交流变电站存在明显的结构差异，因此在进行绝缘配合时需要考虑以下情况:（1）单个换流阀通常与氧化锌避雷器采用并联结构，使得换流站不同部位有不同的绝缘水平;（2）由于换流变压器和平波电抗器的作用，使得换流阀不直接承受外部过电压;（3）在同一外界环境下，直流设备因恒定的电压极性使得直流绝缘吸附更多的污秽，需要采用更大的爬距和绝缘间隙。

1.4特高压直流线路设计

±800kV输电线路设计是特高压直流工程中的关键课题之一，主要包括铁塔设计、导线及地线选择、绝缘配合3个方面，其设计的优劣直接关乎整个工程投资成本和电能输送能力。结合中国已投运工程的研究结论，特高压直流输电导线通常采用如下的设计原则:

（1）海拔高度≥1000.00m时，正极性导线外20m处，测量频率0.15MHz的双80%无线电干扰值≤58dB。

（2）海拔高度<1000.00m时，正极性导线外20m处，可听噪声中值（L50）≤45dB。

（3）在非居民区，地面合成场强和离子电流密度分别≤30kV/m和≤100nA/m2;在居民区，地面合成场强和离子电流密度分别≤25kV/m和≤80nA/m2。

（4）当线路临近有人居住的民房时，湿导线条件下的民房所在处地面综合场强≤15kV/m。

2特高压直流输电技术的未来

2.1特高压直流输电技术未来需求

面对全球能源安全、环境污染和气候变化的严峻挑战，中国提出发展“全球能源互联网”的重大战略，统筹全球能源资源开发、配置和利用，实施清洁替代、电能替代。根据需求分析，预计2050年，通过北极通道送出的电量规模可达3万亿kWh/a，赤道地区电量外送可达9万亿kWh/a，合计输送电量占全球用电量需求的16%。同时，跨洲与跨国输电通道一般长达数千公里，北极地区的喀拉海风电基地到中国华北地区的距离为4400km左右;白令海峡风电基地到中国华北、日本和韩国的输电距离在5000km左右，而到美国西部负荷中心的距离也有4000km左右。因此，发展输送距离更远、输电容量更大、输电效率更高的特高压直流输电技术是全球能源互联网的必然趋势。

2.2特高压直流输电技术面临的挑战

（1）过电压及绝缘问题。目前，中国投运和在建的特高压直流输电工程电压为±800kV和±1100kV，输送容量较大，一旦线路发生绝缘故障，带来的系统扰动问题和损失将很严重，因此过电压保护以及绝缘配合问题将是特高压直流输电亟需解决的问题。

（2）对送受端交流电网稳定的影响。特高压直流输电工程的超大容量输送能力使得送受端电网之间的耦合日趋紧密，送受端交流电网稳定性出现了新的挑战。如果出现直流单次换相失败将导致送/受端电网有/无功大幅波动，对系统的频率、电压稳定造成很大冲击。因此，加强交流电网结构建设，提升电网抵御直流功率冲击的能力显得尤为重要。

（3）直流闭锁。特高压直流发生单极或双极永久性闭锁故障，通常是利用安全稳定装置切除送端电源和受端负荷量，以维持整个系统的稳定，此举必然导致一定的经济损失和社会不良影响。为提高受端供电可靠性，有必要加强送端系统机网协调能力和受端电网应对直流闭锁措施的相关研究，避免出现单一电源脱网造成系统振荡解列。

3结语

特高压直流输电技术是解决中国能源资源与电力负荷逆向分布问题，实施国家“西电东送”战略和电力跨区域大范围输送的核心技术，创造了37项世界第一，完成关键技术研究141项，是世界电力工业发展史上的重要里程碑。随着全球能源互联网构想的逐步深化落实，特高压直流输电技术将成为大型能源基地超远距离、超大容量电力外送和跨国、跨洲骨干通道建设的关键。

参考文献

[1]肖曼，钟清瑶，汪谦.特高压直流输电的现状与展望[J].科技风，2017（03）:201.