日本直流输电的现状_技术水平与发展趋向

日本直流输电的现状、技术水平与发展趋向尹克宁西安交通大学一、直流输电工程日本对直流输电的研究和工程建设是从年代初开始的,迄今为止,共有佐久间变频站、新信浓变频站以及北海道—本州直流输电线路三项工程陆续建成投入运行,现将各工程及其运行简况分述于后飞佐久间变频站该变频站位于关东地区的静冈县内,主要为联系日本国内赫以关东地区为主的电力系统和赫以关西地区为主的电力系统的二大电力系统,依靠这种“背靠背”的交直换流站,来实现频率不同的二大系统间的功率交换,借以提高系统运行经济性、减少备用容量,并于事故时进行紧急功率交换,以提高系统的运行可靠性和稳定性。该变频站于年月建成投运,设备容量为万千瓦,电压为士千伏。新信浓变频站由于系统容量的不断扩大,原有的佐久间变频站已不满足需要,日本又于年建成新信浓变频站。该变频站位干日本的长野县境内,同样是为了联接东、西两大电力系统的需要而建设的。该变频站投入时容量为万千瓦,「匕压为千伏,计划的最终容量为万千瓦。是日本第一个采用高压大容量可控硅阀做为换流设备的变频站,而且所用的置于油箱内的油浸风冷式可控硅阀,当时在世界上也属新型的设备。北海道—本州直流输电工程北海道—本州的直流输电工程是为了联系北海道和本州的电力系统,以实现二大电网间的功率交换,是日本靠国产设备建成的第一条大容量直流联络线路。直流线路全长约公里,其中跨越著名的津轻海峡的海底电缆线路长约公里。该直流输电工程是分期建设的。第一期工程的容量为兆瓦,直流电压千伏,电流安,于年月投入运行第二期工程的容量为。。兆瓦,直流电压千伏,单极,电流。安,于。年月日投入运行至今。关于直流输电工程在日本国内进一步的发展问题,在上述三个工程的建设和运行的基础之上,日本国内的一些主管部门曾于年前后广泛征求各电力公司、制造厂商、科研部门等的意见,并进行讨论归纳后,得出今后在日本直流输电的大致适用范围如表所示,可供作参考。另外,日本为了规划世纪年代及比纪初的电源与系统发展,于年代末专门成立了刀特高压送电专门委员会。根据近年来的分析讨论,基于日本国内的资源条件,初步确定今后以在远离负荷中心的偏远地区建设大规模的原子能电厂,采用远距离的交、直流特高压输电作为重点。规划的特高压交流输电的电压为千伏。规划中的特高压直流输电电压为土千伏,输送容量为千万千瓦左右,拟采用双极双回线,输送距离约为公里左右。迄今正大力开展各项科研、试制工作,但尚无工程着手建设的具体期限。表电力系统构成直流输适用范围的透适用范围用效果适用的可能性电一电源远距离大容量输电无稳定性问题线路建设等方面所取得的经济性与输送容量、距离有关。地区间联络线直流分割电力公司间联络线直流分割和联系包括不同频率间联系…限制短路容量增大解决稳定性问题进行潮流控制事故时功率的紧急支援主千系统从经济性出发与容量、离距中一小关一关有一一大有城市近郊一般地区地下电缆配电网络解决短路容量问题由于是小容量,经济性小系统构成的自由度小从经济性出发与容量、距离负荷系统海岛、大陆间输电系统海底电缆输送功率没有界限一一一一一一一曰口二、直流输电的设备制造与科学研究方面的发展下面仅就近年来日本在直流输电的设备制造与科学研究成果的几个方面,择要加以介绍。光直接触发可控硅元件和阀的研制光直接触发可控硅的原理如图所示。即把从与大地等电位的发光元件发光二极管所发出的光信号,传送到位于高压下的光可控硅使之直接触发。比起以往的光间接触发方式来图,不仅可以大大减少设备部件,还显著地提高了可靠性。具体说来,其主要优点为图二种可控硅触发方式”光间接触发的光直接触发一发光元件一脉冲发生器一光导束一受光元件一电源一分压电路一阳极电抗器。由于不需要处于高电位下的光电转换系统包括电源以及控制极触发脉冲放大回路等,因而整个阀的部件数可大幅度减低,约为以往方式的一肠。由于部件数大幅度减少,显著地提高了阀组的运行可靠性,约为以往方式的二倍以上。由于直接靠光来触发,故抗千扰性能较好。由于高压控制极回路不要电源,故对于旁通对方式运行,系统电压降低时的运行等的限制较少。由于大大简化了控制极回路,故可减少阀体的尺寸,简化其整体结构,方便运行维护,并预期造价也将降低。表为日本东芝公司对两种阀的比较。表、表为日立公司和东芝公司所研制的光直接触发的可控硅元件的技术规范。对千伏,安的元件而言,所采用的硅片直径为毫米。在研制光直接触发的可控硅元件时,主要的课题之一是临界关断电压上升率和触发灵敏度这样两个具有相反倾向的特性如何均能得到满足的问题。其次,要实现光直接触发,还需表二种阀的比较一一、一阀型项目光间风冷一千伏接触发阀组光直接触发阀组,。。安水冷一千伏,安水冷一千伏,安阀体。体积比公‘体积千瓦比肠肠呱透肠肠量比肠肠透一肠肠肠肠!一重幢一一一量数代年件重部的造阀阀制要研制高出力的发光二极管,目前研制成功的发光二极管的出力约为瓦,完全满足光可控硅元件的最小触发光输入为毫瓦的要求。另外,不仅要求发光二极管是高出力的,还要求光出力与光导纤维的藕合是高效率的。为此,把集光部的形状从一般的球形改为新型的产品结构,其指向特性可大大提高。表日立公司制光直接触发可控硅元件规范一—一示一’一”’一”’’’’’”一姗’”””’石’引规格反复施加峰值关断电压反复施加反向峰值电压平均导通电流临界导通电流上升率临界关断电压上升率最小触发光输入导通电压千安娜阻伏伏安安微秒伏微秒毫瓦伏度瓦。。表东芝公司制光可控硅元件规范乙石己火习乙伏伏伏伏伏伏……………平平均导通电流流、、安安安安安安安安峰峰值导通电压压『伏伏伏伏伏伏伏伏关关断时间间微秒秒微秒秒微秒秒微秒秒临临界关断电压上升率率。伏微秒秒。。伏微秒秒伏微秒秒。伏微秒秒临临界导通电流上升率率安微秒秒安微秒秒安微秒秒安微秒秒毫瓦瓦瓦毫瓦毫瓦瓦充气体绝缘的密闭式交直换流站的研制随着直流输电的不断发展,除了要求提高可靠性之外,还要求缩小换流站的体积与降低造价。但据世界上现有直流工程运行情况的统计,换流装置的故障其大部分起因于控制装置以及空气中绝缘部分的绝缘击穿。对于控制装置的故障,可依靠数字化、提高元件的可靠性、简化回路、重要回路的多重化等措施来加以解决详后而空气中的绝缘击穿事故,则根据交流全封闭充尸气体的组合式配电装置简称装置的运行经验可知,这类装置可以大大降低空气中的绝缘事故,还可缩小配电装置的尺寸。因而,就考虑到了研制类似交流装置的交直换流站的必要性。要研制这样的装置,认为研制新型的用。气体绝缘和冷却的阀简称充气式阀还是必要的,这种阀与空气绝缘水冷阀、油绝缘油冷阀的性能比较结果如表所示。一一一空空气绝缘水冷式式油绝缘油冷式式习尸气体绝缘、、绝绝缘距离大大大习尸。气体冷却式式绝绝绝缘距离小、重量大大绝缘距离小、高电压压化化化化有利利冷冷却性能好大电流化化冷却性能好大电流化化有可能大电流化化最最合适适合适适适结结构构迭积式结构、屋内’珍接地油箱式结构、屋外式式接地油箱式结构、屋外式式抗抗震性性出不磊一鱿危支撑需要专…“强强““微护衡霭聚毓留”施从阀厅沙由一气“管部分去联接接容易联接适应性强强可靠性根据阀厅的性能受周围环境的影响不受周围环境的影响、可靠性高不受周围环境影响可靠性高更换部件的单元较小组件空气干净更换部件的单元大阀体维护险查简便运行维护及其它必须有除湿,水质管理措施阀需在现场组装更换部件的单元大阀体。需要对绝缘油的劣化管理3.易燃性,油处理不方便4.阀需要在现场组装3.阀体在工厂组装,整体运输4.可缩短换流站的建设时间有运行经验,可实现高电压、大电流,为目前的主犬方式有一定运行经验综合评价对高电压化有利,可靠性高。适应于气体缘封闭式换流站,绝用的可能性很大。来将为了研制这种SF6气体绝缘的密闭式换流站,日本的三菱电机公司和关西电力公司协作,首先进行了在直流高压下SF。气体绝缘特性、冷却特性等的基础研究以及氧化锌元件的直流耐压特性的研究,并在比基础之上以未来的500千伏大容量充气密闭式交直换流站为目标,进行了产品的研制。迄今己完成125千伏的充SF6气体的阀体组件的试制以及16千伏,600安“背靠背”式气体绝缘的密闭式换流站的试品的研制,还进行直流500千伏气体绝缘密闭式交直换流站的概念设计,论证了其可行性。3.直流高压断路器的研制:为了在更广的范围内发挥直流输电的优点,研制超高压的直流断路器是令人嘱目以求的。由于直流电流没有过零点而给熄灭电弧造成困难,因而,关键在于,首先应以某种方式使直流电流产生过零点。迄今为止,欧美、日本等国对直流高压断路器的研制都做了大量的工作。据日本研究,直流高压断路器从原理上可分为下列类型:—产生反向电压的方式(由电弧产生反向电压并限流)(1)限流式—l’—换流方式(由电吝、电阻等以换流)一—产生自激振荡的方式(把振幅逐渐加大的高频电流迭加到直(2)振荡电流式一,流上,.傅之产生电流的零点)插入反向电流的方式(把从预…先充电的电容所产生的高频电流迭加于直流上,使之产生电’—流的零点)。据报导,目前日本已完成了250千伏、]200安的直流高压断路器的样品的试制。另外,目前进行的直流输电系统,一般都是两端系统,由于换流装置与直流输电线是1比1相对应的,所以在主干线上可以不装直流断路器,具体工程中采用的例子也没有。但是,在两端输电系统中,直流高压断路器有时也用于单极输电时的返回线的保护,以提高运行的可靠性。图2为在北海道—本州的直流输电工程中采用直流断路器作为金属返回线保护时的接线示意图。这种方式又称为MRPB,使用它后当返回线发生接地事故时,可以在不停止运行的情况下除去故障。通常MRPB回路是由换流断路器CB,换流电感Ls,换流电容C:(换流站的过电压吸收电容),氧化锌限流元件Zl:。,隔离开关DS等所构成的。在正常运行时,CB、DS均在开路状态。当返回线上出现接地事故时,CB(DS)将投入。这样,返回线的两端成为接地状态,使接地电弧熄弧,并使电流经由CB而入大地。当接地电弧熄灭后,如断开断路器CB,则由于断口的电弧的负电阻特性与L:一C:所形成的共振回路,将白动地使直流电流产生零点,从而使电路开断成功。此后电流将流入氧化锌限流元件回路,被限流断开。接着电流转换到返回线,线路又重新恢复正常运行状态。忿2无材4才K再f夕7尤刀图2北—本线采用直流断路器作为金属返回线保护时的接线示意图4.新型控制保护袭里为了保证主千直流输电系统运行的高度可靠性,研制具有优异性能的控制保护装置是很有必要的。据认为这样的装置应当满足下列要求:(1)单纯的控制保护回路的故障(如部件损坏、软件不良、外界干扰等)不会造成换流装置停运。为此,应具有多重化功能,个别部件损坏不致影响整体的功能等。(2)能经常自行监查重要的部位以及故障发生频率较高的部位的运行情况以预防整个系统的崩溃,即所谓自行诊断的功能。可以不停止直流系统运行而自行进行检查。(4)调试简单,调整的时间也较短。为此应实现检验方法的程序化。(5)即使信号传输系统故障,仍然可以继续运行。(6)与其他计算机容易进行信息的授受,与电源发电机易于实现协调控制。在具体装置方面,日本从70年代初起就进行了直流输电控制系统的数字化的尝试,最初是采用小型计算机,从70年代的后半期起,由于微型机的飞跃发展,开始将微处理机应用于控制系统,进一步还研制了性能更好的具有微处理机和小型机相组合的阶层式控制系统。目前研制的直流输电的数字控制系统的概略情况如图3所示,其各主要部分的规格大致如表6所示。表6新型控制保护装置的组成和规范「’一犷K’’’’茗’矿…””’一’」.””兹成’扩~,id’’’”一”一~”’厂’一”引奋考控制极相位控制装置瞬时响应式数字自动脉冲移相装置,即使交流电压大幅度降低、脉冲也不停止的方式专用的硬件各端子控制装置具备有定电流,定电压,定熄弧角,定功率,潮流反转等功能。各端子保护装置具备有桥臂短路,换相失败,直流线路接地,短路等保护以及故障区间判断,交流波形畸变等保护功能.用微型机进行控制以传统的模拟方式为主体,但在必需采用复杂的判断功能时则采用数字式保护中央系统控制保护装置设有用于与原动机的协调控制装置以及系统