特高壓直流輸電技術及環保型GIL發展的現狀與關鍵問題分析

胡未洪

（國能浙江北侖第一發電有限公司,浙江 寧波 315800）

電力系統主要由發電、變電、輸電、配電、用電五個環節構成。作為電能生產和電能交換使用的中間環節，輸電技術是電力系統的重要組成部分。隨著國民經濟的蓬勃發展，我國的電力系統已經越來越向著特高壓、大容量、大電廠、大機組和高度自動化發展。由于電能是不可大量儲存的二次能源，故發電量、用電量迅速增長的態勢，給我國電力網絡的輸電環節帶來了巨大的挑戰。

輸電系統的電壓等級可以分為高壓、超高壓和特高壓。在交流輸電系統中，高壓（high voltage，HV）指的是10 kV～220 kV的輸電系統，超高壓（extra high voltage，EHV）指的是330 kV～750 kV的輸電系統，交流特高壓（ultra-high voltage，UHV）的電壓等級范圍在1 000 kV以上。目前世界上最高電壓等級的交流輸電系統是我國的1 000 kV輸電系統。而對于直流輸電系統，各電壓等級的劃分是不一樣的。直流輸電系統不使用500 kV以下的高壓輸電等級，這是因為直流輸電技術的優勢只有在超特高壓、遠距離輸電時才可體現。我國現有的超高壓直流輸電技術（high voltage direct current，HVDC）主要是±500 kV直流系統。直流特高壓電壓等級包含了±800 kV和±1 100 kV兩種，目前世界上最高電壓等級的直流輸電技術所使用的就是±1 100 kV電壓級。

1 特高壓直流輸電技術概述

1.1 發展特高壓輸電技術的必要性

隨著社會的進步與我國工業化發展的快速邁進，低功耗、長距離、大容量的電力輸電網絡建設已經成為我國電力行業發展的歷史必然趨勢[1]。

（1）我國正處于城鎮化與工業化快速發展的關鍵階段。全社會用電量從2005年的2.5 萬億kW·h增長至2020年的7.5 萬億kW·h。電力系統越來越向著大容量、高電壓發展，年發電量以及年裝機容量逐年增長，這也給輸電網絡帶巨大的挑戰。特高壓輸電網絡的建設，能夠提高電網對于各類能源的承載與傳輸接納水平，改善電網的調峰特性[2]，更容易完成堅強電力網絡的建設。

（2）我國特有的負荷中心與能源資源的逆向分布。在特高壓電網建設過程中，能源資源與負荷中心的電力配置涉及電網的經濟性、安全性、靈活性與穩定性，是一個需要綜合考慮的問題。我國幅員遼闊，西北地區相較東部地區地廣人稀，用電量較小，而東部地區呈現出以華北、華東與南方三個負荷中心為主要高密度的負荷用電區域，這些負荷區域與現有大規模水煤資源基地的距離大都在800 km～3 000 km范圍。由此我國大力實施了南水北調、北煤南運、西氣東輸以及西電東送等調節區域資源負荷不平衡的政策措施。

（3）大規模清潔能源并網輸送的需求。在2020年9月舉辦的第七十五屆聯合國大會上，中國首次提出了2030年努力使碳排放達到峰值以及2060年前力爭實現碳中和的“雙碳”目標[3]，這體現了我國在新時代發展綠色經濟的決心。就此，我國的能源結構將從傳統的火電形式向清潔能源多輪驅動的能源供應體系轉變。然而，由于光伏和風電等清潔能源存在波動性、間歇性、隨機性以及不可大量儲存的缺陷，如何解決輸電網絡對上述清潔能源的接納問題成為國內外重要的研究方向。柔性直流輸電技術基于電力電子器件對于潮流的靈活控制能力能夠緩解發電、用電功率對電網的沖擊，尤其是對于偏遠山區電場，能夠大幅削弱清潔能源發電所帶來的間歇性、波動性問題，成為新型電力網絡發展的重要趨勢[4-6]。

1.2 特高壓直流輸電的優勢

我國電力系統的電能輸送形式以交流輸電為主，直流輸電技術由于換流站造價高于交流輸電技術中的變電站，且受端用戶所使用的都是三相交流電，故采用較少。目前，雖然直流輸電技術應用較少，但是直流輸電技術由于在超特高壓領域體現出在經濟、靈活以及穩定運行等方面的優勢，已經逐漸成為未來輸電系統設計的重要方向。具體來講，特高壓直流輸電的優勢可以概括為以下四點。

（1）節約線路成本及運行費用。直流輸電技術用正、負兩根導線替代了交流三相的三根導線，因此輸送相同容量電能時直流輸電技術的成本僅為交流輸電技術的2/3。換言之，在輸送相同容量電能時，直流輸電的輸送容量是交流輸電的1.5倍。在特高壓長距離輸送時，減少一根導線的成本是極為可觀的，能夠節省大量有色金屬、鋼材和絕緣材料等耗材。此外，由于減少了一根導線的投資，所帶來的經濟優勢還包含了年運行費用、線路走廊占地以及桿塔成本的節約。因此，在線路成本與運行費用上直流輸電技術能夠大幅縮減電力系統輸電的投資成本。

（2）運行更加穩定可靠。直流系統的頻率f恒為零，所以不存在電抗X，也就沒有了靜態穩定性PM的要求和電容充電電流的問題。并且，由于兩個系統之間不會由于電抗壓降等因素產生頻率波動，直流電網十分容易完成互聯。而交流輸電系統中兩個系統由于連接距離較遠，會在連接線上產生一定的壓降，使得兩側電網的頻率不一致，無法進行同步運行，從而很容易造成電壓、頻率、相角差的問題。此外，在應對極端停電事故，例如單相接地短路時，交流輸電系統由于三相之間的關系往往會造成全系統停電，而直流輸電系統僅需要停運一根正極或負極導線，另一根導線則利用大地作為回路，輸送一半以上的電能。由此可見，直流輸電系統對于保障電力系統安全平穩運行也具有一定的優勢。

（3）潮流控制更加迅速。直流輸電系統引進了大量的電力電子開關器件，能夠在日常運行時通過換流器快速調整系統有功與無功功率的收支平衡與方向，這不僅可以保證系統的穩定運行，還為電能質量的提高做出了突出貢獻。當交流系統受到了擾動時，直流系統中的電力電子器件還能夠通過調節直流功率從而抵消交流系統因擾動引起的功率波動。尤其是在發生潮流事故時，直流系統中的器件能夠快速調節功率大小并實現潮流反轉以提高系統運行的可靠性。

（4）提高電能輸送距離和經濟容量。交流輸電技術的輸電距離一般被限制在千公里范圍內，而輸電容量通常也在5 000 MW以下，而直流輸電技術在特高壓領域的輸電距離和輸電容量可以得到成倍的增長，兩者典型的輸電距離和容量對比如表1所示。

表1 特高壓交直流線路的輸送距離與容量[2]

1.3 特高壓直流輸電的缺陷

（1）直流換流站的造價較高。由于受電側用戶使用的都是交流電，要想完成直流輸電，需要進行如下電能轉換：在送電時將交流電整流成為直流電，在受電時又需要將直流電逆變成為交流電，才可供用戶使用。在上述電能變換系統中，將交流電整流成為直流電的節點稱為整流站，將直流電逆變成為交流電的節點稱為逆變站，整流站和逆變站也被稱為直流輸電的換流站。直流換流站一般采用成千只大電流晶閘管來串聯得到巨型橋閥，還附帶有電容電抗器、分壓電阻、冷卻絕緣結構等，相較于交流的變電站，直流換流站的投資數額巨大。

（2）無功功率的大量消耗與電網諧波污染。電力電子開關器件的大量引入消耗了大量的電網無功功率，整流站消耗的無功功率占有功功率的35%～55%，逆變站占45%～65%。此外，電力電子器件工作時還會產生諧波電壓與電流，會造成發電機過熱與通信干擾等問題。為了治理電網的諧波干擾與污染問題，一般都在交直流側安裝合適的濾波器，兼具無功補償裝置來使用。

（3）直流斷路器的研制困難。直流電弧不存在類似交流電弧那樣的自然過零點熄弧的特性，故在熄滅電弧時存在較大的挑戰。目前，直流斷路器的造價較高，且對于較大電流值的電弧難以快速熄滅，工程中一般使用閉鎖換流器的控制脈沖發揮斷路器的功能，當電流降到零時熄滅電弧。

2 環保型特高壓直流輸電技術的發展現狀與關鍵問題分析

距離第七十五屆聯合國大會上中國首次提出“雙碳”目標已經過去一年多，在此背景下，我國的能源結構正從傳統的火電形式向清潔能源多輪驅動的能源供應體系轉變。如今，內陸和海上的大型風電場以及太陽能發電站正在規劃或建設中，這就需要可靠和經濟的電力傳輸技術。20世紀60年代氣體絕緣開關設備技術（GIS）和輸電管道技術（GIL）首次被發明至今，受到了全世界電網建設者們的一致重視與研究投入。因此，GIL輸電被認為是“雙碳”背景下解決我國輸電重大需求問題的關鍵性辦法之一，尤其是直流特高壓GIL，能夠充分利用直流傳輸在長距離下的巨大優勢，應該得到進一步的探索與研究。圖1列舉了目前緊湊型特高壓直流GIL輸電線路的主要研究熱點。

圖1 緊湊型GIL研究熱點總結[7-11]

2.1 SF6替代氣體

六氟化硫（SF6）是一種無毒無味不可燃并具有穩定化學惰性的氣體，由于其具備較好的絕緣強度、滅弧性能以及經濟性，在特高壓絕緣領域得到了極為廣泛的利用，尤其是在目前特高壓±500 kV和±1 000 kV的GIL和GIS中已經占據了主要地位。然而，SF6也造成了嚴重的環境問題。SF6氣體被《聯合國氣候變化框架公約的京都議定書》（以下簡稱《京都議定書》）確定為七種主要的溫室效應氣體之一，其全球變暖潛能值（GWP）是CO2的23 500倍。此外，SF6在大氣中的壽命長達3 200年，排在了《京都議定書》清單的榜首。SF6氣體的應用雖然在短期內滿足了電氣設備的絕緣滅弧需求，但從長期來看勢必會阻礙全世界碳排放與碳治理的重要進程。為了嚴格限制SF6的使用和排放，目前最為常用且有效的辦法就是用其他較低GWP的惰性絕緣氣體取代部分SF6。這些絕緣氣體必須滿足較高的安全穩定性，具備不易分解的特性，更為關鍵的是要能在特高壓領域具有出色的絕緣性能。以下將對目前國內外所研究的SF6主要替代氣體的上述性能進行總結，并通過單一氣體完全替代技術以及多元氣體的混合替代技術進行了分類。

2.1.1 混合替代方案

全氟碳氣體中目前最可能替代SF6的是全氟環丁烷（c-C4F8），其表現出非常高的介電強度[12]，而其絕緣強度也約為SF6的1.3倍，GWP為8 700，是SF6的38.2%。此外，c-C4F8還具有無毒、不破壞O3、熱穩定性高等特點。但是，由于其高沸點（-8 ℃），c-C4F8不能對SF6完全替代，一般與CF4、N2、CO2或空氣混合使用。

此外，國內外許多學者還嘗試使用含SF6的混合氣體，以此降低SF6的使用量，但是尤其要注意設備絕緣性能的下降問題。比如SF6/N2二元混合氣體的替代技術，目前已較為成熟，許多國內學者對此進行了大量的仿真研究。屠幼萍等[13]基于Peng-Robinson（PR）狀態方程和van der Waals混合規則對SF6/N2的露點溫度進行了仿真計算。肖曉林等[14]基于PIC法對SF6/N2混合氣體中絕緣子表面的露點溫度進行了仿真計算。此外，SF6/N2二元混合氣體的SF6替代技術在許多國家已經投入運行實踐，比如瑞士日內瓦機場采用SF6/N2混合氣體來替代SF6完成了220 kV GIL線路的運行使用。

2.1.2 完全替代方案

由于SF6所帶來的溫室效應問題之緊迫，也有不少研究者積極探索了SF6氣體的完全替代技術，力爭實現SF6溫室效應問題的根除。SF6完全替代氣體絕緣必須滿足環保指標，并具備無毒、優良的電氣性能，才能實現在不降低設備絕緣安全性能的同時，改善溫室效應對環境帶來的破壞問題。以下將主要從上述性能指標來衡量絕緣氣體是否具備完全替代SF6的可能性。

（1）g3（green gas for grid）氣 體 由3MTM公 司 與GE共同研發，該氣體對全球變暖的影響比SF6小98個百分點，而其性能卻可與SF6相媲美，是目前發展特高壓交直流輸電的一項重要環保技術。g3氣體是基于4mol%或6mol%NovecTM4710液體濃度根據一定的工作溫度和壓力制得的。Kieffel等[8]通過大量實驗測試了g3的特性和性能，相比于SF6高達23 500的GWP值，g3的GWP值降低了98個百分點或更多，且其在耐受高溫、介電強度等多個方面都展現出了極為優異的性能。該氣體雖已被確定為低毒性，但與SF6相比，g3不被歸類為致癌、誘變和生殖毒物的氣體。在多數情況下，可以被用作SF6的完全替代氣體。

（2）全氟碳類化合物因氟元素極強的電負性都具備了良好的絕緣性能，目前常見可利用的全氟碳類化合物有全氟甲烷（CF4）、全氟乙烷（C2F6）、全氟丙烷（C3F8）和全氟環丁烷（c-C4F8）等，這些全氟碳的GWP均低于SF6，且介電強度都與SF6相當，都具備了良好的絕緣性能。表2比較了常見的全氟碳類替代SF6氣體的性能特點。

表2 常見的SF6可替代全氟碳氣體的性能比較

CF4和C2F6的大氣存活壽命分別長達5萬年和1萬年，不利于大氣的自愈循環。此外，在安全性方面，CF4可能會導致窒息疾病。因此，CF4和C2F6不宜用作SF6的替代氣體絕緣。因此，全氟碳氣體中目前最可能替代SF6的是C3F8和c-C4F8，尤其是c-C4F8表現出最高的介電強度[16]，而其絕緣強度也約為SF6的1.3倍，GWP為8 700，是SF6的38.2%。此外，c-C4F8還具有無毒、不破壞O3、熱穩定性高等特點。但是，由于其高沸點（-8 ℃），c-C4F8不進行SF6的完全替代，使用時應注意與CF4、N2、CO2或空氣混合使用。研究表明，C3F8的GWP約為8 830，僅為SF6的38.7%。另外，C3F8氣體對大氣平流層中的臭氧無害，還具有低毒、良好的熱穩定性、相對較低的沸點以及與SF6相當的絕緣強度[13]。因此，C3F8和c-C4F8都有可能取代SF6成為一種可利用的環保絕緣氣體。

2.2 電磁環境控制

目前，國內外許多研究者對特高壓輸電線路所產生的電磁環境問題開展了火熱的研究。工頻磁感應強度、工頻電場強度、無線電干擾與可聽噪聲共同構成了輸電線路設計的電磁環境指標[14]。輸電線路電磁環境問題不僅影響了輸電線路居民的日常生活，還對附近工頻電場、磁場以及無線電等造成了較大的干擾，尤其在高海拔區域，由于實驗基地低氣壓、污穢污染等環境問題，輸電線路的電磁環境問題愈加嚴重[10]。在特高壓輸電線路周圍，常常產生紫色的放電電弧，并伴有“滋滋”的噪聲，該現象被稱為電暈放電。在高電壓領域，電暈放電是指極不均勻場所特有的一種自持放電現象，由于特高壓輸電線路附近的局部場強嚴重畸變，在高場強區域即線路表面及周圍空氣中更容易產生局部的放電現象。電暈放電會造成線路的電暈損耗、無線電干擾等各方面問題，其中，可聽噪聲問題嚴重影響了附近居民的生活，而無線電干擾使得通訊信號在傳輸過程的滯后、阻斷甚至污染，已經成為特高壓輸電線路導線設計的關鍵性問題。

3 結語

隨著我國用電發電的總量不斷增長，以及使用清潔能源的環境限制與“雙碳”目標下，全球來自可再生清潔能源的輸送需求也在增長，特別是隨著大型光伏電站和海上風電能源的大力發展，對輸電技術電壓等級的提高提出了新的要求。清潔能源的波動間歇性，更對特高壓輸電技術提出了更高穩定性等要求。在此背景下，加深特高壓直流（UHVDC）技術輸送電能的研究十分必要。

隨著下一代UHVDC遠距離大容量輸電技術的升級與轉型，緊湊型GIS/GIL系統的需求預計將在未來幾年大幅增長，具體的研究熱點主要包含緊湊化結構研究、帶電作業、大負荷試驗、電磁環境研究以及SF6環保氣體替代技術。SF6環保氣體替代的研究對實現我國在2020年提出的雙碳目標至關重要，擁有可行的完全替代方案固然是美好愿景，但是現有的研究還不足以實現。諸如g3等替代氣體在特高壓環保GIL的運行中仍然面臨尺度效應、氣體供應不足和標準缺失等多項挑戰。SF6/N2、CF3I/CO2等混合氣體的關鍵技術研究和樣機研制相對更成熟，但運行中仍存在不確定性，可推廣應用于110 kV 以上電壓等級，也可逐步取代變電站 GIS長母線進行相應測試，同時，仍需開展多項關鍵技術的攻關研究，借鑒現國外線路運行的現有的研究成果和工程經驗，開展110～ 550 kV 電壓等級的樣機研制及應用，便于提升設備的環保效益。