国内外高压直流输电的发展与现状

1我国高压直流输电系统的发展历程及现状1.1我国高压直流输电系统的发展历程我国的高压直流输电工程总体上可以说是起步较晚,但发展迅速。1980年国家确定全部依靠自己力量建设中国第一项直流输电工程———舟山直流输电工程。它具有向自主建设大型直流输电工程过渡的工业性试验性质,于1984年开始施工,1987年投入试运行,1989年正式投运。工程最终规模为±1100kV,500A,100MW,线路全长54km。嗓泅直流输电工程(上海―嗓泅岛)是我国自行设计、制造、建设的双极海底电缆直流工程,于1996年完成研究工作,2002年全部建成。工程为双极±500kV,600A,60MW,可双向供电,线路长度66.2km,其中海底电缆59.7km。葛南(葛洲坝―上海南桥)高压直流输电系统,是我国引进的第一个高压直流输电工程,1989年单极投运,1990年双极投运。进入21世纪,我国的高压直流输电发展迅速,相继建成投产了天广(天生桥―广州)、三常(三峡―常州)、三广(三峡―广东)和贵广(贵州―广东)等多项高压直流输电项目。作为引进技术的验证,自主研发设计制造的华中―西北联网灵宝背背直流工程,2005年7月投入运行。1.2我国高压直流输电系统的现状至2004年末,我国高压直流输电工程累计输送容量达12470MW,输电线路长度累计达4840km,已经超过美国位列世界第一。截至2007年年底,我国已建成并正式投入运行葛(洲坝)沪(上海)、三(峡)常(州)、三(峡)广(东)、三(峡)沪(上海)、天(天生桥)广(东)、贵(州)广(东)Ⅰ回、Ⅱ回等7个超高压直流输电工程和灵宝背靠背直流工程,直流输电线路总长度达7085km,输送容量达18560MW,线路总长度和输送容量均居世界第一。与此同时,我国超高压直流输电工程的设计建设、运行管理和设备制造水平也处于国际领先地位。2高压直流输电系统中存在的问题2.1直流输电中的谐波问题工频的交变电流在换流站中的整流和逆变过程中,实际上输出的波形并不是稳定的直流,而是有些许波动的脉动电流。再加上换相的非理想性,使得输出电流进一步畸变。这些原因促成了直流输电系统中谐波的存在。随着高压直流输电的发展,相关的谐波问题也日益突出。输电系统中的换流器在交流侧为谐波电流源,在直流侧为谐波电压源。严重的情况下,可能还会引起谐波放大甚至谐波不稳定,即交直流侧电压、电流通过换流站非线性环节时互相调制,构成了一个AC/DC之间的正反馈调节环。受到扰动时,就会造成谐波振荡的放大,其结果就是换流站交流母线电压严重畸变。现在主要通过小信号分析法、谐波特征值分析法、频域分析和传递函数法、时域仿真―频率扫描法等来进行研究。一般通过加装非特征滤波器、使用有源滤波器、附加谐波阻尼电路或者是采用轻型直流输电技术来抑制谐波。2.2高压直流断路器的制造目前我国的直流输电系统中,高压直流断路器的制造技术还不成熟,多数需要进口。研制高压断路器的难点在于:(1)直流电没有像交流电那样的过零点,所以灭弧的技术很困难;(2)直流回路的电感很大,所以需要的平波电抗器很大,约1H,这在工艺上做起来不容易;(3)由于灭弧时的直流电流很大,故要求断路器能够吸收很大的能量。在实际的生产当中,利用大容量金属氧化物这种新型材料可以较好地解决后2个问题。但灭弧仍然不是很理想,一般采用叠加振荡电流和耗能限流2种方式来实现。后者较为普及,一般采用分段串入电阻、拉长电弧和采用金属氧化物耗能。2.3大地回流造成的接地体腐蚀及对交流系统的影响直流输电过程是以大地作为回流电路的。回流流经大地时,会与附近的金属接地体发生化学反应,腐蚀掉金属。例如对于铁而言,就会发生如下的化学反应:阳极:Fe2++2OH-=Fe(OH)2阴极:2e-+2H+=H2经研究表明:(1)接地体深埋并不会明显地减小腐蚀,并且这种做法在经济上是不合适的;(2)金属接地体与直流接地极之间的距离会显著影响腐蚀的程度,当两者相距10km以外时,腐蚀影响即可忽略不计;(3)在相同的距离条件下,金属接地体的走向会影响腐蚀的程度,一般垂直走向的接地体受腐蚀影响比平行走向的接地体大。同时,强大的直流电流将经接地极注入大地,在极址土壤中形成一个恒定的直流电流场。此时如果极址附近有变压器中性点接地的变电站、地下金属管道或铠装电缆等金属设施,若这些设施可能给地电流提供比大地土壤更为良好的导电通道,则一部分电流将沿着并通过这些设施流向远方,从而给这些设施带来不良影响。其中,中性点直接接地变压器是受影响最大的设备。我国110kV及以上系统的变压器中性点,一般都采用直接接地方式。如变电站位于接地极电流场范围内,那么在场内变压器间会产生电位差,接地极入地电流将有部分直流电流会通过大地、交流输电线路,由一个变电站变压器中性点流入,在另一个变电站变压器中性点流出,由此在变压器三相绕组中产生直流分量,产生直流偏磁电流。流过变压器绕组的直流电流大小不仅与接地极的距离相关,同时与极址土壤导电性能、电网接线和参数等有关。如果流过变压器绕组的直流电流较大,可能引起变压器铁心磁饱和,导致变压器噪音增加、损耗增大、温升增高,对变压器的安全运行构成威胁。变压器发生直流偏磁后,使磁化曲线的运行部分变得不对称,加大铁心的饱和程度,导致噪音增大和变压器铁心、金属紧固件等的发热增加。2.4直流输电系统电磁环境对通信系统的影响由于直流线路强大的直流电流,在其周围也就存在着很强的干扰磁场。这样的磁场将影响到附近通信线路的正常运行。一般可把直流电磁影响分为危险影响和干扰影响。危险影响即指当直流输电线路发生故障时,有可能在附近的通信线路上感应出很高的电压,危及人员生命安全和通信设备安全;干扰影响即指在直流输电线路正常运行的情况下对通信产生影响,使其通信质量下降,误码率提高。因此,在建设直流输电线路时要注意以下几点:首先是和通信线路保持合适的距离;其次是在线路上安装陶瓷放电管或是加挂屏蔽线路;最后是对于市话电路来说,可在分线箱、配电箱处加装放电器。3对我国高压直流输电工程的几点想法3.1换流站站址选择及接地极极址选择换流站可谓是高压直流输电工程的核心建设项目,合理选择换流站站址是确保高压直流输电系统稳定运行的基础。选址原则一般为:(1)是否适合大规模设备运输;(2)是否靠近水源或者易获得充足的水源供应;(3)是否会破坏生态环境,其电磁影响会不会对周边通信线路产生较大的干扰影响。而对于接地极来说,选址原则一般为:(1)要求极址场地的可用面积大、土壤导电性能好、导热性能好、热容率高、表层土壤厚和深层大地电阻率低;(2)若2个或多个接地极处于同一地区内,应对2个甚至多个接地极共用极址方案进行论证。3.2线路路径的选择走廊宽度:主要是合理选择与通信线路以及交流输电线路之间的距离,尽可能地减小干扰,使得线路中心线与其他设备有良好的隔离。一般对于±500kV直流输电系统,要求走廊宽度不小于50m。对地距离及交叉跨越间距:确定导线对地最小距离的决定因素是合成场强和离子流密度。一般为了安全起见,对地距离保持在17～20m。当高压直流线路与铁路、公路、弱电线路、电力线路、建筑物及河流等交叉时,交叉跨越间距均有较大增加。由于对地距离及交叉跨越间距的增大,在路径选择时,应充分利用地形条件,以缩短交叉跨越档距,减小交叉跨越塔高度,尽量避免大档距、大高差及大跨越的出现。3.3如何应对突发性大雪灾等恶劣气象条件2008年春节期间,全国大范围的雪灾天气使我国电网经受了一次较大的考验。电网在冰雪天气下停运会造成巨大的经济损失。鉴于这场大雪的教训,我们在设计高压直流输电工程时,也应考虑到这种极端气象条件下电网的稳定运行问题。其中一点就是导线的选择。导线选择是解决特高压输电关键技术的重要课题,对线路输送容量、传输特性、环境问题(静电感应,电晕引发的电场效应、离子流、无线电干扰、电视干扰、可听噪声等)、技术经济指标等都很有影响。一般选线原则应为:(1)不能制约整条线路的传输能力;(2)要有较高的机械强度和过载能力;(3)铝导线在冰荷载下的安全系数要高,以防止重冰区线路过荷载时断股;(4)弧垂特性要好,以降低杆塔高度;(5)满足环境参数要求。4结束语目前世界上已投入运行的直流输电工程有70多个。在远距离大容量输电、海底电缆和地下电缆输电以及电力系统非同步联网工程中,直流输电已经得到了广泛应用。2007年10月,在湖北省宜昌市召开的第八届国际高压直流输电用户会议上,国家电网公司副总经理舒印彪介绍,根据规划,到2012年,±800kV向家坝—上海、锦屏—苏南直流工程将建成投运;到2020年前后,溪洛渡—株洲、溪洛渡—浙西等特高压直流工程也将建成。届时,我国将建成特高压直流工程15个,包括特高压直流换流站约30座,线路约26000km,输送容量达到94400MW,并成为世界上拥有直流输电工程最多、输送线路最长、容量最大的国家。