原创 特高压直流输电的技术特点与工程应用

1 特高压直流输电的技术特点


　
　特高压直流输电的电压等级概念与交流输电不一样。对于交流输电来说，一般将220kV及以下的电压等级称为高压，330～750kV的称为超高压,
1000kV及以上的称为特高压。直流输电则稍有不同，±100kV以上的统称为高压；±500kV和±600kV仍称为高压，一般不称为超高压；而超过
±600kV的则称为特高压。

　　对于单项直流输电工程而言，通常根据其送电容量、送电距离等因素进行技术、经济方面的综合比较，对工程
进行个性化设计而确定相应的直流电压等级。我国对特高压直流输电的电压等级进行研究和论证时，考虑到我国对直流输电技术的研发水平和直流设备的研制能力，
认为确定一个特高压直流电压水平是必要的，并把±800kV确定为我国特高压直流输电的标称电压。这有利于我国特高压直流输电技术和设备制造的标准化、规
范化、系列化开发，有利于进行我国特高压直流输电工程的规划、设计、实施和管理。

　　特高压直流输电技术不仅具有高压直流输电技术的所有特点，而且能将直流输电技术的优点更加充分发挥。直流输电的优点和特点主要有^［1］：①
输送容量大。现在世界上已建成多项送电3GW的高压直流输电工程。②送电距离远。世界上已有输送距离达1700km的高压直流输电工程。我国的葛南（葛洲
坝—上海南桥）直流输电工程输送距离为1052km，天广（天生桥—广东）、三常（三峡—常州）、三广（三峡—广东）、贵广（贵州—广东）等直流输电工程
输送距离都接近1000km。③输送功率的大小和方向可以快速控制和调节。④直流输电的接入不会增加原有电力系统的短路电流容量，也不受系统稳定极限的限
制。⑤直流输电可以充分利用线路走廊资源，其线路走廊宽度约为交流输电线路的一半，且送电容量大，单位走廊宽度的送电功率约为交流的4倍。如直流±
500kV线路走廊宽度约为30m，送电容量达3GW；而交流500kV线路走廊宽度为55m，送电容量却只有1GW。⑥直流电缆线路不受交流电缆线路那
样的电容电流困扰，没有磁感应损耗和介质损耗，基本上只有芯线电阻损耗，绝缘水平相对较低。⑦直流输电工程的一个极发生故障时，另一个极能继续运行，并通
过发挥过负荷能力，可保持输送功率或减少输送功率的损失。⑧直流系统本身配有调制功能，可以根据系统的要求做出反应，对机电振荡产生阻尼，阻尼低频振荡，
提高电力系统暂态稳定水平。⑨能够通过换流站配置的无功功率控制进行系统的交流电压调节。⑩大电网之间通过直流输电互联（如背靠背方式），2个电网之间不
会互相干扰和影响，必要时可以迅速进行功率交换。

　　特高压直流输电的特点：①电压高，高达±800kV。对与电压有关的设备，如高压端
（ ±800kV）的换流变压器及其套管、穿墙套管、避雷器等研发提出了高要求；对承受±800kV的外绝缘，如支持瓷柱、线路绝缘子等需要进行新的研
发。②送电容量大。规划的特高压直流输电工程的送电容量高达5GW和6.4GW，相应的直流额定电流将达到3125A和4000A。③送电距离长，长达
1500km，甚至超过2000km。
 

2 特高压直流输电面临的技术挑战 

　　特高压直流输电面临的技术挑战主要有^［2］：

　　（1） 设备制造难度大。±800kV特高压直流输电中换流变压器、换流变压器套管、穿墙套管、换流阀等特高压直流输电设备的设计制造难度加大。

　
　（2）
设备外绝缘要求高。随着电压等级的提高，设备外绝缘能否到达要求令人担心。特高压对线路绝缘子的绝缘要求很高，绝缘子在特高压情况下受直流积污效应的影响
所能承受的电压与绝缘距离的关系较常规电压变化很大，可能存在拐点，即当电压达到一数值时，绝缘子长度的增加，所能承受的电压变化很小。换流站的开关场的
外绝缘也要采取特殊办法。采用合成绝缘材料代替瓷和玻璃是一个解决问题的办法。设备所要求的空气净距更大。另外由于我国特高压直流输电工程经过西部高海拔
地区，还必须考虑高海拔对外绝缘的影响。

　　（3） 换流站主接线的基本结构复杂。±800kV特高压直流输电换流阀采用双12脉冲阀串接，晶闸管的数量大大增加。换流变压器台数增加，一个换流站需要24台变压器，运行方式复杂，控制保护的要求高，设备布置难度大。

　　（4） 电磁环境的要求更高。电磁环境主要涉及可听噪声、无线电干扰、地面场强等方面。

　
　（5）
接地极入地的电流更大。±800kV特高压直流输电单极运行时接地极入地的电流达3125A或4000A，如此大的入地电流会对周围环境造成很大的影响。
如对周围金属的腐蚀；对附近中性点接地变压器产生直流偏磁，引起变压器非正常发热、噪声增大；造成附近地面电位场强增加，对人畜造成威胁。

　　（6） 极闭锁故障对电力系统的冲击。因为特高压直流输电输电容量大，单极故障或双极故障将造成受电端系统供电容量的严重不足，这会对电力系统造成很大的冲击，如果交流系统不能承受，将造成电网崩溃，引起灾难性后果，因此对受电端交流系统提出了较高的要求。

3 特高压直流输电的应用前景 

　　特高压直流输电有利于实施“西电东送”战略，将应用于大型水电厂群、大型火电基地的电力外送，送电距离一般都在1000km以上。

　
　我国拟建设的第一个特高压直流输电工程是云广（云南—广东）±800kV直流输电工程，以便将云南的电力外送。云南的小湾水电厂装机4.2GW，附近的
金安桥水电厂装机2.4GW。云广直流工程为适应这2座水电站的电力外送，计划于2009年单极投运，2010年双极投运。工程额定电压为±800kV，
额定容量为5GW，额定电流为3125A，送电距离为1500km。为了将金沙江的溪洛渡、向家坝水电厂的电力外送，规划了3回±800kV直流输电工
程，其中1回送华中，距离约为1000km；其余2回送华东，每回输送容量为6.2～6.4GW，送电距离约2000km。还有规划中的±800kV直流
输电工程，将实现糯扎渡水电厂至广东、锦屏水电厂至江苏苏州、乌东德水电厂至福建泉州、白鹤滩水电厂至湖北东部等电力输送^［3］。

　　大型火电基地用±800kV直流输电工程实现电力外送的项目有：内蒙古东部呼盟火电基地至东北沈阳、至华北、至山东，宁夏火电基地至华东，新疆哈密火电基地至华中等。

　　这些±800kV直流输电工程的送电容量规划为6.2～6.4GW，输电距离都超过1000km，有的甚至超过2000km。

世
界上，印度和南非也有发展特高压直流输电的设想。印度规划中的东北部至南部的±800kV直流输电工程的送电距离约为2000km，规划送电容量为
6GW。南非设想将刚果的水电用直流输电方式输送到南非，送电距离长达3000km，计划输送功率为3GW，电压等级为±750kV或±800kV。
   

4 特高压直流输电技术的应用研究   

4.1 特高压直流输电的基本参数

　　直流电压、直流功率、直流电流、线路长度是直流输电工程的基本参数。其中，直流功率W、直流电流I和直流电压U满足公式W=UI的关系。

　　基于提高送电容量、优化损耗和技术经济比较的综合考虑，我国的特高压直流电压等级定为±800kV。额定电压是绝缘水平、环境影响（如电晕、电磁干扰和噪声等）、设备制造、工程设计、工程投资，以及工程建设难度的决定性因素。

　　直流额定功率的选择在考虑送电要求的前提下，要考虑直流系统当发生单极和双极闭锁故障时交流系统的稳定极限。如果存在问题，要么减少直流输送功率，要么加强交流系统。

　
　在额定电压下，直流电流的大小由直流功率决定，但也与晶闸管阀片通流能力有关。直流功率选择5GW，直流电流为3125A，可以使用在±500kV、送
电3GW直流工程中使用的直径为125mm（简称5in）阀片；直流功率选择为6.4GW，直流电流达到4000A，则需要开发直径为150mm（简称
6in）的阀片。

　　输电线路长度是决定直流电压选择的关键因素之一。输送距离越长（尤其是1500km以上），特高压直流输电在技术经济指标比较中的优势越明显，选择特高压直流输电方式越有必要。

4.2 换流站的主接线

确定特高压直流输电换流站的主接线，首先要研究换流器的结构。换流器结构可供选择的方案有4种：

　　（1） 方案1。每极单12脉冲阀组结构(见图1)。与±500kV通用结构相同，结构简单、设备少、占地面积小。但由于换流变压器的质量、尺寸过大，运输到现场较困难。

　　（2） 方案2。每极2组12脉冲阀组串接(见图2)。结构较复杂、设备多，换流变压器的数量加倍。但换流变压器的质量和尺寸能满足运输要求，当一个阀组出现故障时只须将其旁路，其他阀组照样可正常运行，提高了可用率（需配旁路开关）。

　　（3） 方案3。每极12脉冲阀组并联(见图3)。可以减少单阀组通流能力，但结构复杂、设备多，换流阀和平波电抗器的数量是单阀组的2倍。

5 结束语  

　　我国的“西电东送”战略要求输电工程具有更大的输电能力和更高的输电效率，实现安全可靠、经济合理的大容量、远距离送电。特高压直流输电是满足这种要求的关键技术之一。

　
　特高压直流输电工程的设备从基本原理和结构而言与±500kV直流输电类似，但由于承受的直流电压更高，因此其对外绝缘、内外绝缘的配合等方面的要求更
严格。因而±800kV特高压直流输电工程建设的难度更大，但由于有高压直流工程的长期运行经验和技术积累，故特高压直流输电工程建设在技术上的难题是完
全可克服的。目前，特高压直流输电工程的电磁环境指标可以按±500kV直流输电工程的限值来控制，但应加强对环境问题的观察和研究。
 

6 参考文献

［1］ 李立浧.直流输电技术的发展及其在我国电网中的作用［J］.电力设备, 2004，5(11)：1～3.

［2］ CIGRE WG 14.32.HVDC converter stations for voltage
above 600kV［R］.December 2002.

［3］ 中国电力顾问集团特高压系统研究组.特高压电网目标网架规划（讨论稿）［R］. 2005.