特高壓直流輸電外絕緣配合改善策略

張豪

國網四川省電力公司檢修公司 四川成都 610000

電力運作過程，只有運用科學的方法，才能對電力資源進行合理配置，為人們生活以及社會生產提供穩定的能源支持。對于特高壓直流換電站當中設備的絕緣配合體系運行，方案的選擇關系電力運作質量，因此構建完善的配合體系，可保證換流站內部絕緣設備能夠相互配合，保證電力系統具有良好的絕緣性能，保證電力設備能夠穩定發揮作用，防止系統運行階段受到高壓雷擊或者操作失誤導致的過高壓問題，影響運行安全。所以，對于換流站當中絕緣配合體系構建思路進行參考，借鑒同類項目絕緣運行方案，有助于換流站絕緣體系的合理設計，保證絕緣體系能夠順利被應用在電力輸送當中，不但能夠提高電力運行安全，而且還能提高電力企業運行效益，為社會輸送源源不斷的電力能源，加速電力行業發展。

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、水電的研發力度，改進電力布局，縮減電力成本，減少用電費用，提升電力發展的科學水平。

1.2 現狀分析

特高壓輸電最先出現在經濟發展水平領先的國家，比如美國，對其進行了較為深入的探究，且取得了不錯的成效，為此特高壓技術始終是全球各個國家均十分重視的課題。中國是一個電力國家，對于該技術的探究也十分關注。各級政府均不斷增大特高壓技術的探究力度，政府的政策與領先科技均加快了特高壓技術的發展進程。

（1）國內特高壓輸電技術發展現狀。國內對特高壓技術的探究開始于上個世紀八十年代，在之前較長一段時期內，科學研究單位在特高壓方面進行了很多探究，當前，特高壓技術與特高壓工程被普遍運用在我們的實際生活中。國內學者對于電壓遠距輸電形式、電壓等進行了較為深入的研究。

（2）國外特高壓輸電技術的發展情況。自從六十年代中期起很多西方國家便對特高壓輸電開啟了研究的步伐。二十世紀八十年代中期蘇聯便建設完成了變電站與供電線路；后來也有很多國家對此展開了探究，并取得豐碩成果。其他國家所進行的探究以及所得到的研究結論可以作為我國的重要參照[1]。

2 特高壓直流輸電技術特征

2.1 電網結構簡單，易調控

特高壓直流輸電在運送期間中間不設置供電落點，能夠快速將電能輸送到指定位置，輸送路程遠、電壓高、容量突出，能夠運用在電力系統非同步聯網方面，能夠對電網的架構進行簡單調節。

2.2 能夠對短路電流進行更有效的限制

直流系統能夠更有效的調控電流的輸送快慢，能夠把系統內產生的短路電流加以調控，這種情況下系統不會由于短路故障導致容量的變大。

2.3 輸電系統的運行穩定性

通常情況下，可控硅換流器觸發電路能夠更高效的調整、更高電流的方向，直流電能夠平穩輸出，若產生故障，能夠對出現問題系統加以輔助。

2.4 分布電容對輸電影響

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，其近似于正負電流。恰恰由于有電容，為此超高壓長輸電線在平穩的情況下，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

準東-安徽±1100kV特高壓直流輸電工程是當前全球范圍內電壓級別最高、電能輸送距離最遠、技術最領先、運送容量最大的項目，第一次達成了“運送容量、交流網側電壓、直流電壓”的全方位提高，打破了全球記錄。2019年9月，該項目進入運行階段。項目額定的運送容量與額定直流電壓分別是12000MW、±1100kV，線路總長為3324千米，從根本上達到了“交流電壓、運送容量與直流電壓”的全方位提升，大大提升了電網資源配置水平，是世界范圍內高壓輸電方面的非常重要的技術變革[3-5]。

4 ±1100kV特高壓直流工程輸電線路關鍵技術研究

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區域從之前的5.10m上升至8.30m，提升了62.7個百分點。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個百分點。為此，±1100kV線路的過電壓依照真正的過電壓數值考量。為減小空氣空隙對塔頭的條件，±1100kV特高壓直流配備了線路避雷設備以對過電壓進行控制。線路避雷設備運用的是單柱架構，使用不存在空隙的金屬氧化物避雷設施，裝設在線路操作過電壓數值較大的中間區域確定塔位的兩級，可以讓操作過電壓數值減小，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避雷設備之后，能將全線最大操作過電壓倍數從1.58pu限制到1.50pu(基準值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線路歷經距離更長，歷經的環境覆蓋了從極干旱至半干旱至濕潤等五個氣候區，污穢等的區分更加顯著。以污耐壓法核算得到的污穢外絕緣配備和電壓級別線性關聯，海拔相同、污穢級別相同的狀況下，和±800kV線路復合絕緣子架構高度比較而言，±1100kV復合絕緣子架構高度大概增多了37.6個百分點。耐張串使用盤式絕緣子，以污耐壓法為基礎，綜合考量了各種條件下的南北部降水差別、積污特點、現有供電線路運行經驗，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個百分點[6]。

4.3 直流換流站絕緣配合

4.3.1 交流測絕緣保護

系統交流側的保護，應按照換流站的避雷器具體設置方案。換流站中交流母線一側受到避雷器的保護，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，保護效果良好，能夠抵擋交流系統當中的雷電波，對于交流側的保護，可使用配合電流20kA。

4.3.2 閥廳位置的絕緣保護

系統閥廳的絕緣的保護，可按照換流站的避雷裝置實際布置形式進行，將保護措施集中設置在晶體管閥、12脈動換流單元的中間母線、上、下12脈動的換流單元等結構當中。整體分析，對于晶閘管閥采取保護措施，主要是在閥兩端位置設置并聯形式的避雷器，進行電壓保護，可按照保護需求，設置4個避雷器。因為侵入閥廳內部雷電沖擊會被限制，因此，可選擇相對較低的配合電流。針對12脈動的換流單元，可采取隔離開關和穿墻套管相關設備，配合大電流避雷器(CBH)進行直接保護，這種保護措施具有顯著優勢，即不會受到操作負載產生的影響，所以也不必使用過高的配合電流。對于上12脈動單位換流器，其中6脈橋母線，可使型號MH避雷器進行保護，避雷器和CBH型避雷器優勢相同。對于12脈動的換流單元內部母線的絕緣保護，可使用CBL2類型避雷器，也不需要較高配合電流。對于下12脈動當中換流單元內部的絕緣保護，可使用避雷器（ML+V2）保護低壓端位置Y/Y換流變閥的側相地下絕緣；使用型號ML避雷器對于下12脈動的換流器位置的6脈動的橋母線實施保護；使用抗雷電沖擊的避雷器（CBN1+V2）與抗操作沖擊避雷器（CBN2+V2）保護低壓端位置Y/D的換流變閥側相絕緣[7]。

4.3.3 直流母線絕緣保護

按照該換流站的絕緣設備配置方式，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主要是位于其兩側并聯的避雷器完成。

4.3.4 中性母線絕緣配合

針對中性母線采取絕緣保護，由于處于閥側位置的中性母線的保護是CBN1和CBN2兩個避雷器負責，所以，線路的側中性母線主要使用避雷器（E）完成，避雷器（EL）負責接地極間的保護，避雷器（EM）負責金屬回線的保護。

5 結語

電力行業的快速發展，推動了中國社會的經濟發展，有助于國內資源配置科學性的提升，降低資源浪費程度，確保民眾資源訴求得到有效滿足，有助于推動我國各行各業的長效發展。本研究針對特高壓直流換流絕緣機制的運行進行剖析與探討，期望能夠予以有關運作機制與項目單位參考，推動電力運行工作的高效開展，減少公司項目運營的經濟虧損，實現電力運行收入增多、平穩性增強、安全水平提升的多重目標。