特高壓直流輸電技術的分析與探究

趙建明，蒙 毅

（1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司大理局，云南 大理671000；2.特變電工沈陽變壓器集團有限公司，遼寧 沈陽110001）

電力技術發展及應用關系著群眾的用電安全，而特高壓直流輸電作為我國發展建設中的重要組成部分，創造了世界電力工業史上的奇跡。但就目前情況來看，特高壓直流輸電技術應用中還仍然存在著一些問題有待解決，因此需要電力企業相關從業人員對其進行全方位的分析，并提出合理的對策進行解決，進而保障電力的可持續運輸，提高群眾的用電質量和用電安全。

1 特高壓直流輸電技術概述

我國特高壓直流輸電是指±800kV及以上的電壓，隨著近幾年我國各地區對輸送電容量要求的不斷提高，為了使我國電力資源得到合理開發和利用，對特高壓直流輸電技術的研究正不斷深化，現已可以實現超遠距離輸電這一目標，解決了自然資源和能源分布不均的問題，如圖1所示。直流輸電的工作原理是通過換流器將交流電先整流再逆變，輸電過程中注重穩定性以及安全性，該技術的應用能夠節約設備占地面積、減少輸電損耗，滿足我國各地區用電逐年遞增的使用需求[1]。

圖1 直流輸電設備

為推動能源革命，將其轉變為綠色經濟，我國電力專家開始廣泛關注并對技術進行改進，要求在建項目不可破壞周邊的生態環境，以此為基礎分析未來發展趨勢，總結特高壓輸電相關設備運行維護經驗，確保我國的特高壓直流輸電技術不斷創新完善。在如今全世界電力系統大規模采用直流輸電的情況下，特高壓直流輸電技術的應用優勢較為明顯，綜合比較現有的高強度輸電手段，該技術的經濟效益更高、適用范圍更廣，能夠在使用中靈活改變輸電方式，電能輸送會最終注入交流電網，不僅可以保證地理優勢不明顯地區資源的合理利用，且能夠減少輸電過程中的線路損耗，提高一次能源利用率。

2 特高壓直流輸電技術的發展與優化

2.1 特高壓直流輸電技術的發展

如果說中國超高壓輸電技術的發展令世界驚嘆，那么特高壓輸電技術的興起則創造了世界電力工業史上的奇跡。2005年建設特高壓電網戰略構想提出，技術創新爆發出勃勃生機，2009年~2010年首條特高壓輸電工程試驗投入商業運行，這標志著我國在特高壓、遠距離、大容量輸變電核心技術方面取得重大突破，表明了我國電能發展建設正逐漸達到國際領先水平如圖2所示。自2013年中國完成“特高壓交流輸電關鍵技術、成套設備及工程應用”；2018年完成“特高壓±800kV直流輸電工程”，僅5年時間就大幅提升了我國在國際電工領域的影響力和話語權，實現了“中國創造”和“中國引領”，中國電網正式步入特高壓時代。現如今經過十余年的探索，已實現從“跟跑”到“領跑”的跨越，2020年我國“電力高速公路”作為“新基建”七大領域之一，成為了世界矚目的焦點。

圖2 特高壓直流輸電塔

2.2 特高壓直流輸電技術的優化

特高壓既是工程建設，更是自主技術攻關，要求在發展中結合“環境友好”這一基本原則開展相關研究，結合以往資料進行自主研究，保證技術能夠與時代接軌實現全面創新。由于在自主研究中無法借鑒成熟的經驗，為大量科研課題和設計專題研究帶來了一定的阻礙，但通過創新設計掌握特高壓核心技術和關鍵技術，后續完善以“安全可靠、經濟合理、國際一流”為原則，使特高壓建設不斷推進，最終建立了世界上首個特高壓技術體系，現已逐漸被世界各界認可。當前我國正大力發展“一帶一路”倡議，2019年10月中國能建規劃設計集團承擔特高壓直流輸電項目，±800kV特高壓直流送出二期項目正式投運，標志著中國特高壓技術、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的分析

3.1 輸電系統結構

發展特高壓直流輸電能夠促進水電、火電、核電的開發，優化電力的分布，但特高壓直流輸電在輸送過程中沒有其他輸電落點，可見供電穩定性與安全性與換流站設計有著直接的關系，基于此應在系統結構設計中對此加大關注力度，避免應用中因換流站而降低整體效果。同時，當前我國特高壓直流輸電基本以雙極系統接線方式為主，結合12脈動換流站可以提供多種運行方式，如直接將電力輸送到終點，該方式的輸送容量大、輸電距離遠，能夠在換流閥發生故障時最大程度減小損失，保障輸電安全平穩運行，實現電力上的科學發展。

3.2 柔性直流輸電

柔性直流輸電技術可以解決輸電技術中的一些棘手問題，為了能夠控制交流側的無功和有功功率，需要改變VSC電子器件的開斷狀態，從而保障電網穩定運行。柔性直流輸電系統采用兩電平換流器，并聯換流站與串聯換流站相比具有損耗更低，根據橋臂的等效特性擴展方法更加靈活等優點，換流站可采用并聯接線方案，換流器仍通過交流電壓支撐工作，從而使調節范圍進一步擴大，更好地控制電流的傳送速度。同時柔性直流輸電系統也可以采用全橋式柔性直流換流器，電壓出現急劇下降啟動保護，對系統中出現的短路電流進行控制，抑制側短路電流的產生，從而避免因短路而造成容量增大。

3.3 輸電分布電容

特高壓輸電為我國的經濟發展、平穩運行提供了有力支撐，地上與地下之間存在分布電容，其所需要的電線的長度更長，且在用電的正常情況下存在電容電流，所以超高壓長輸電線在穩定的狀態下，可能因為電容的存在而受到影響，因此在技術應用中需要對此加大關注力度。可控硅換流器觸發電路可以在直流輸電中更快地調節、改變電流的方向，可以直接對故障系統提供支援，該技術促進了特高壓產業的發展，也為后續研究提供了方向。

4 特高壓直流輸電技術的應用前景

4.1 應用規模持續提升

特高壓直流技術具備大容量、效率高、輸送距離遠等顯著的特點，未來特高壓直流技術的應用規模將會持續提升，為開展“西電東送項目”奠定基礎，從而有效解決我國能源和人口分布不均衡的問題，未來我國還將進一步擴大其應用范圍和規模，加快“西電東送項目”的完成速度，實現特高壓供電技術創新發展。

4.2 清潔能源大規模接入

生態環境已經成為全球性問題，我國在發展特高壓直流電的過程中，必須以環境友好為基本原則，積極探索清潔能源的使用，從而促進技術的長遠發展。因此必須積極結合現代工藝，建立風力、水力發電站，逐步用清潔能源來替代不可再生能源，現如今以清潔能源為基礎的特高壓直流輸電項目已成為未來發展的主要方向。

4.3 絕緣問題逐漸凸顯

特高壓直流輸電技術具有非常顯著的優勢，但因電壓等級相對較高，如果絕緣層質量存在問題，會危及人民群眾的生命財產安全，所以需要對該問題加大關注力度。特高壓直流輸電技術在未來的應用范圍將會逐漸擴大，各類安全故障可能也將隨之增多，因此必須對絕緣問題加大研究力度，解決現存風險與矛盾問題。

4.4 經濟前景廣泛

在特高壓直流輸電技術經濟效益相對較高，在建設過程中能夠有效節省占地面積，整體發展前景廣闊。據統計報表顯示，在2022年用電方面預計將使用8.7億千瓦時，可見特高壓直流輸電已成為能源供應上不可或缺的一部分，為進一步滿足遠距離、大容量輸電所帶來的經濟效益問題，必須加快建設特高壓電網，從而實現電力工業的可持續性發展[3]。

5 特高壓直流輸電技術的應用策略

5.1 合理進行主接線選型

特高壓直流輸電技術應用中，主接線選型十分重要，其基本以成套設計的形式出現，所以需要對系統可靠性、系統損耗、實施難度加大關注，合理選擇接線方案以及相應的交流、直流設備具體配置方案，進行完整全面的研究論證，綜合考慮現有技術水平，采用換流器串聯的接線方案，如圖3所示。同時要確定主接線方案的關鍵因素，考慮換流變壓器的設計制造和運輸方面因素，不論是2個12脈動換流器方案還是3個12脈動換流器的串聯方案，都需要考慮主設備、控制保護和直流場的復雜程度，采用分層接入方式接入500kV/1000kV，明確不同交流電壓的等級，要求低端接入1000kV交流電網，提高運行過程中的穩定性。

圖3 主接線選型

5.2 過電壓與絕緣配合

±1100kV特高壓直流工程的電壓等級比±800kV工程提升了37.5%，高端換流變壓器的絕緣水平將高達2200kV，這也為±1100kV特高壓直流工程的實施帶來了極大的挑戰。為了減少設備制造難度和工程造價，需要保留MH、CBL2、ML和DB等傳統避雷器，并在此基礎上新增AH和AL避雷器，這樣不僅降低了設備的研發難度，且可以進一步減少后續改造的費用，滿足發展建設需求。

5.3 間隙計算與直流場選型

±1100kV的特高壓直流輸入對外絕緣要求大幅提高，在空氣間隙計算中應考慮絕緣距離和電場不均勻程度兩個方面，可采用傳統的戶外直流場方案，也可以選擇戶內直流場方案，通過優化電極形狀控制電極表面電場強度，減小安全空氣間隙的距離。采用戶外直流場方案需充分考慮淋雨、電極微小缺陷、絕緣裕度等因素，通過優化電極形狀減小安全空氣間隙。戶內直流場選型設計時按照棒板間隙模型計算，極線設備對地距離＞20m，無需考慮淋雨和風荷載對設計方案的影響，但需要保持較高的電極形狀系數，極線設備對地距離控制在13m左右。

5.4 簡化直流濾波器設計

直流濾波器設計對整個主接線方案設計影響很大，在架空輸電線路的直流工程中，通過特定頻率諧波提供低阻抗通路，降低流入直流線路和接地極引線中的諧波分量，但傳統直流濾波器存在一定的缺點，因此必須進行優化設計。可從直流濾波器設計性能指標的角度考慮，放開對等效干擾電流IEQ的限制，取消直流濾波器高頻支路的方式簡化直流濾波器設計，綜合分析各種極端條件組合以及考慮對通信的影響，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的應用要求。

5.5 加強監督與運營維護

特高壓直流輸電項目必須加強維護，明確維護的相關標準等內容，加強工作人員日常運營和維護的能力和水平，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、導線金具未打排水孔的問題。同時要確保工作人員按照相關標準開展運營和維護工作，詳細記錄特高壓直流輸電工程的具體情況，發現問題要及時進行分析并解決，在此基礎上需要進一步加強反思，對維護過程中發現的問題進行總結，為后續工作提供支持和保障。

5.6 加強特高壓直流輸電設計

由于相關設計人員的疏忽，在設計特高壓直流輸電線路時，沒有嚴格遵循相關標準實施設計，會導致電網運行時出現穩定性問題。為提升特高壓直流輸電線路的安全性能，設計人員需要嚴格遵照標準與規范實施設計操作，在設計電網規劃時，需要系統調查各個環節，關注特高壓直流輸電線路的走向，結合當地的環境與情況進行科學設計并針對相應的標準擬定抵抗災害的標準，如圖4所示。設計人員在設計前也應考察施工地區的地勢地貌，以此選擇合適的桿塔基礎型號，在此過程中要考慮輸電線路的穩定性等問題，明確施工規定與使用規范，為后續建設提供基礎數據支撐。

圖4 特高壓直流輸電塔桿塔

5.7 提高施工人員綜合能力

選擇具有責任心的工作人員，在施工前通過加強培訓提高建設隊伍的素質和能力，與此同時，要通過技能培訓來提高施工人員的技術水平，對于表現優秀的施工人員可予以一定的物質和精神獎勵，從而能提高施工人員的積極性；而管理人員則應通過巡視了解施工人員的情況，判斷當前是否存在建設安全問題。同時，施工人員應結合實際情況選用技術設備等，判斷地質情況后確定大地接線截面積，如發現接地裝置不合格引起的接地問題，可直接更換接地裝置，而因施工原因引起的此類事故，則需要進行深入調查，并對違規施工單位給予一定的處罰，后續也應通過培訓教育提高相關人員的安全意識。

6 結束語

隨著全球能源互聯網建設的逐步推進，特高壓直流輸電工程趨于穩定，但若想在世界保持領先地位，我國還需進一步完善特高壓直流輸電技術，提高系統對環境的適應性，在此基礎上深入研究特高壓直流輸電系統的技術與經濟性。