特高壓直流輸電外絕緣配合改善策略

張豪

國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司 四川成都 610000

電力運(yùn)作過程，只有運(yùn)用科學(xué)的方法，才能對(duì)電力資源進(jìn)行合理配置，為人們生活以及社會(huì)生產(chǎn)提供穩(wěn)定的能源支持。對(duì)于特高壓直流換電站當(dāng)中設(shè)備的絕緣配合體系運(yùn)行，方案的選擇關(guān)系電力運(yùn)作質(zhì)量，因此構(gòu)建完善的配合體系，可保證換流站內(nèi)部絕緣設(shè)備能夠相互配合，保證電力系統(tǒng)具有良好的絕緣性能，保證電力設(shè)備能夠穩(wěn)定發(fā)揮作用，防止系統(tǒng)運(yùn)行階段受到高壓雷擊或者操作失誤導(dǎo)致的過高壓問題，影響運(yùn)行安全。所以，對(duì)于換流站當(dāng)中絕緣配合體系構(gòu)建思路進(jìn)行參考，借鑒同類項(xiàng)目絕緣運(yùn)行方案，有助于換流站絕緣體系的合理設(shè)計(jì)，保證絕緣體系能夠順利被應(yīng)用在電力輸送當(dāng)中，不但能夠提高電力運(yùn)行安全，而且還能提高電力企業(yè)運(yùn)行效益，為社會(huì)輸送源源不斷的電力能源，加速電力行業(yè)發(fā)展。

1 特高壓輸電概述

1.1 范圍分析

所謂特高壓輸電指的是加快核電、火電、水電的研發(fā)力度，改進(jìn)電力布局，縮減電力成本，減少用電費(fèi)用，提升電力發(fā)展的科學(xué)水平。

1.2 現(xiàn)狀分析

特高壓輸電最先出現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平領(lǐng)先的國家，比如美國，對(duì)其進(jìn)行了較為深入的探究，且取得了不錯(cuò)的成效，為此特高壓技術(shù)始終是全球各個(gè)國家均十分重視的課題。中國是一個(gè)電力國家，對(duì)于該技術(shù)的探究也十分關(guān)注。各級(jí)政府均不斷增大特高壓技術(shù)的探究力度，政府的政策與領(lǐng)先科技均加快了特高壓技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。

（1）國內(nèi)特高壓輸電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。國內(nèi)對(duì)特高壓技術(shù)的探究開始于上個(gè)世紀(jì)八十年代，在之前較長一段時(shí)期內(nèi)，科學(xué)研究單位在特高壓方面進(jìn)行了很多探究，當(dāng)前，特高壓技術(shù)與特高壓工程被普遍運(yùn)用在我們的實(shí)際生活中。國內(nèi)學(xué)者對(duì)于電壓遠(yuǎn)距輸電形式、電壓等進(jìn)行了較為深入的研究。

（2）國外特高壓輸電技術(shù)的發(fā)展情況。自從六十年代中期起很多西方國家便對(duì)特高壓輸電開啟了研究的步伐。二十世紀(jì)八十年代中期蘇聯(lián)便建設(shè)完成了變電站與供電線路；后來也有很多國家對(duì)此展開了探究，并取得豐碩成果。其他國家所進(jìn)行的探究以及所得到的研究結(jié)論可以作為我國的重要參照[1]。

2 特高壓直流輸電技術(shù)特征

2.1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，易調(diào)控

特高壓直流輸電在運(yùn)送期間中間不設(shè)置供電落點(diǎn)，能夠快速將電能輸送到指定位置，輸送路程遠(yuǎn)、電壓高、容量突出，能夠運(yùn)用在電力系統(tǒng)非同步聯(lián)網(wǎng)方面，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)的架構(gòu)進(jìn)行簡單調(diào)節(jié)。

2.2 能夠?qū)Χ搪冯娏鬟M(jìn)行更有效的限制

直流系統(tǒng)能夠更有效的調(diào)控電流的輸送快慢，能夠把系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的短路電流加以調(diào)控，這種情況下系統(tǒng)不會(huì)由于短路故障導(dǎo)致容量的變大。

2.3 輸電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性

通常情況下，可控硅換流器觸發(fā)電路能夠更高效的調(diào)整、更高電流的方向，直流電能夠平穩(wěn)輸出，若產(chǎn)生故障，能夠?qū)Τ霈F(xiàn)問題系統(tǒng)加以輔助。

2.4 分布電容對(duì)輸電影響

高壓輸電電線間、相和地間、相和相間具有分布電容，若電壓處于高位，其需較長長度的電線，這種情況下其所具有的分布電容的電流數(shù)值也處于高位。在正常使用電能的狀況下電容電流也是不容忽視的，其近似于正負(fù)電流。恰恰由于有電容，為此超高壓長輸電線在平穩(wěn)的情況下，電壓的高低與線路電流皆由于電容的存在而受很大程度的不良影響，為此超高壓上的電容是不容小覷的[2]。

3 工程案例分析

準(zhǔn)東-安徽±1100kV特高壓直流輸電工程是當(dāng)前全球范圍內(nèi)電壓級(jí)別最高、電能輸送距離最遠(yuǎn)、技術(shù)最領(lǐng)先、運(yùn)送容量最大的項(xiàng)目，第一次達(dá)成了“運(yùn)送容量、交流網(wǎng)側(cè)電壓、直流電壓”的全方位提高，打破了全球記錄。2019年9月，該項(xiàng)目進(jìn)入運(yùn)行階段。項(xiàng)目額定的運(yùn)送容量與額定直流電壓分別是12000MW、±1100kV，線路總長為3324千米，從根本上達(dá)到了“交流電壓、運(yùn)送容量與直流電壓”的全方位提升，大大提升了電網(wǎng)資源配置水平，是世界范圍內(nèi)高壓輸電方面的非常重要的技術(shù)變革[3-5]。

4 ±1100kV特高壓直流工程輸電線路關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 直流線路空氣間隙

和±800kV直流線路比較而言，±1100kV特高壓直流線路的過電壓從之前的1.70pu下降至1.58pu，操作沖擊所需要的最低空隙距離在海拔0m區(qū)域從之前的5.10m上升至8.30m，提升了62.7個(gè)百分點(diǎn)。如果±1100kV特高壓直流線路過電壓最高峰值依照1.70pu核算，海拔0m地區(qū)所需的空隙距離是9.50m，和±800kV線路比較而言，間隙距離增多了86.3個(gè)百分點(diǎn)。為此，±1100kV線路的過電壓依照真正的過電壓數(shù)值考量。為減小空氣空隙對(duì)塔頭的條件，±1100kV特高壓直流配備了線路避雷設(shè)備以對(duì)過電壓進(jìn)行控制。線路避雷設(shè)備運(yùn)用的是單柱架構(gòu)，使用不存在空隙的金屬氧化物避雷設(shè)施，裝設(shè)在線路操作過電壓數(shù)值較大的中間區(qū)域確定塔位的兩級(jí)，可以讓操作過電壓數(shù)值減小，詳情見下圖1。

圖1 直流線路過電壓

在±1100kV特高壓直流線路裝設(shè)避雷設(shè)備之后，能將全線最大操作過電壓倍數(shù)從1.58pu限制到1.50pu(基準(zhǔn)值1122kV)以下，最大操作過電壓由1773kV降低到1683kV以下，操作過電壓間隙可減小0.8m左右，從而縮小塔頭尺寸，塔重減輕約2%，節(jié)約工程投資約4200萬元。

4.2 直流線路外絕緣

和±800kV供電線路比較而言，±1100kV線路歷經(jīng)距離更長，歷經(jīng)的環(huán)境覆蓋了從極干旱至半干旱至濕潤等五個(gè)氣候區(qū)，污穢等的區(qū)分更加顯著。以污耐壓法核算得到的污穢外絕緣配備和電壓級(jí)別線性關(guān)聯(lián)，海拔相同、污穢級(jí)別相同的狀況下，和±800kV線路復(fù)合絕緣子架構(gòu)高度比較而言，±1100kV復(fù)合絕緣子架構(gòu)高度大概增多了37.6個(gè)百分點(diǎn)。耐張串使用盤式絕緣子，以污耐壓法為基礎(chǔ)，綜合考量了各種條件下的南北部降水差別、積污特點(diǎn)、現(xiàn)有供電線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，和±800kV線路絕緣子串長比較而言，±1100kV耐張絕緣子串長多出37到57個(gè)百分點(diǎn)[6]。

4.3 直流換流站絕緣配合

4.3.1 交流測絕緣保護(hù)

系統(tǒng)交流側(cè)的保護(hù)，應(yīng)按照換流站的避雷器具體設(shè)置方案。換流站中交流母線一側(cè)受到避雷器的保護(hù)，由于避雷器安裝位置和每組交流濾波器的母線十分接近，因此，保護(hù)效果良好，能夠抵擋交流系統(tǒng)當(dāng)中的雷電波，對(duì)于交流側(cè)的保護(hù)，可使用配合電流20kA。

4.3.2 閥廳位置的絕緣保護(hù)

系統(tǒng)閥廳的絕緣的保護(hù)，可按照換流站的避雷裝置實(shí)際布置形式進(jìn)行，將保護(hù)措施集中設(shè)置在晶體管閥、12脈動(dòng)換流單元的中間母線、上、下12脈動(dòng)的換流單元等結(jié)構(gòu)當(dāng)中。整體分析，對(duì)于晶閘管閥采取保護(hù)措施，主要是在閥兩端位置設(shè)置并聯(lián)形式的避雷器，進(jìn)行電壓保護(hù)，可按照保護(hù)需求，設(shè)置4個(gè)避雷器。因?yàn)榍秩腴y廳內(nèi)部雷電沖擊會(huì)被限制，因此，可選擇相對(duì)較低的配合電流。針對(duì)12脈動(dòng)的換流單元，可采取隔離開關(guān)和穿墻套管相關(guān)設(shè)備，配合大電流避雷器(CBH)進(jìn)行直接保護(hù)，這種保護(hù)措施具有顯著優(yōu)勢，即不會(huì)受到操作負(fù)載產(chǎn)生的影響，所以也不必使用過高的配合電流。對(duì)于上12脈動(dòng)單位換流器，其中6脈橋母線，可使型號(hào)MH避雷器進(jìn)行保護(hù)，避雷器和CBH型避雷器優(yōu)勢相同。對(duì)于12脈動(dòng)的換流單元內(nèi)部母線的絕緣保護(hù)，可使用CBL2類型避雷器，也不需要較高配合電流。對(duì)于下12脈動(dòng)當(dāng)中換流單元內(nèi)部的絕緣保護(hù)，可使用避雷器（ML+V2）保護(hù)低壓端位置Y/Y換流變閥的側(cè)相地下絕緣；使用型號(hào)ML避雷器對(duì)于下12脈動(dòng)的換流器位置的6脈動(dòng)的橋母線實(shí)施保護(hù)；使用抗雷電沖擊的避雷器（CBN1+V2）與抗操作沖擊避雷器（CBN2+V2）保護(hù)低壓端位置Y/D的換流變閥側(cè)相絕緣[7]。

4.3.3 直流母線絕緣保護(hù)

按照該換流站的絕緣設(shè)備配置方式，可將通過直流母線的過高壓劃分成兩部分，其一是直流極線，其中電壓保護(hù)能夠由直流極位置避雷器與直流母線位置避雷器提供；其二為平波電抗器，平波電抗器電壓保護(hù)主要是位于其兩側(cè)并聯(lián)的避雷器完成。

4.3.4 中性母線絕緣配合

針對(duì)中性母線采取絕緣保護(hù)，由于處于閥側(cè)位置的中性母線的保護(hù)是CBN1和CBN2兩個(gè)避雷器負(fù)責(zé)，所以，線路的側(cè)中性母線主要使用避雷器（E）完成，避雷器（EL）負(fù)責(zé)接地極間的保護(hù)，避雷器（EM）負(fù)責(zé)金屬回線的保護(hù)。

5 結(jié)語

電力行業(yè)的快速發(fā)展，推動(dòng)了中國社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有助于國內(nèi)資源配置科學(xué)性的提升，降低資源浪費(fèi)程度，確保民眾資源訴求得到有效滿足，有助于推動(dòng)我國各行各業(yè)的長效發(fā)展。本研究針對(duì)特高壓直流換流絕緣機(jī)制的運(yùn)行進(jìn)行剖析與探討，期望能夠予以有關(guān)運(yùn)作機(jī)制與項(xiàng)目單位參考，推動(dòng)電力運(yùn)行工作的高效開展，減少公司項(xiàng)目運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)虧損，實(shí)現(xiàn)電力運(yùn)行收入增多、平穩(wěn)性增強(qiáng)、安全水平提升的多重目標(biāo)。