特高压直流输电技术的分析与探究

赵建明，蒙 毅

（1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司大理局，云南 大理671000；2.特变电工沈阳变压器集团有限公司，辽宁 沈阳110001）

电力技术发展及应用关系着群众的用电安全，而特高压直流输电作为我国发展建设中的重要组成部分，创造了世界电力工业史上的奇迹。但就目前情况来看，特高压直流输电技术应用中还仍然存在着一些问题有待解决，因此需要电力企业相关从业人员对其进行全方位的分析，并提出合理的对策进行解决，进而保障电力的可持续运输，提高群众的用电质量和用电安全。

1 特高压直流输电技术概述

我国特高压直流输电是指±800kV及以上的电压，随着近几年我国各地区对输送电容量要求的不断提高，为了使我国电力资源得到合理开发和利用，对特高压直流输电技术的研究正不断深化，现已可以实现超远距离输电这一目标，解决了自然资源和能源分布不均的问题，如图1所示。直流输电的工作原理是通过换流器将交流电先整流再逆变，输电过程中注重稳定性以及安全性，该技术的应用能够节约设备占地面积、减少输电损耗，满足我国各地区用电逐年递增的使用需求[1]。

图1 直流输电设备

为推动能源革命，将其转变为绿色经济，我国电力专家开始广泛关注并对技术进行改进，要求在建项目不可破坏周边的生态环境，以此为基础分析未来发展趋势，总结特高压输电相关设备运行维护经验，确保我国的特高压直流输电技术不断创新完善。在如今全世界电力系统大规模采用直流输电的情况下，特高压直流输电技术的应用优势较为明显，综合比较现有的高强度输电手段，该技术的经济效益更高、适用范围更广，能够在使用中灵活改变输电方式，电能输送会最终注入交流电网，不仅可以保证地理优势不明显地区资源的合理利用，且能够减少输电过程中的线路损耗，提高一次能源利用率。

2 特高压直流输电技术的发展与优化

2.1 特高压直流输电技术的发展

如果说中国超高压输电技术的发展令世界惊叹，那么特高压输电技术的兴起则创造了世界电力工业史上的奇迹。2005年建设特高压电网战略构想提出，技术创新爆发出勃勃生机，2009年~2010年首条特高压输电工程试验投入商业运行，这标志着我国在特高压、远距离、大容量输变电核心技术方面取得重大突破，表明了我国电能发展建设正逐渐达到国际领先水平如图2所示。自2013年中国完成“特高压交流输电关键技术、成套设备及工程应用”；2018年完成“特高压±800kV直流输电工程”，仅5年时间就大幅提升了我国在国际电工领域的影响力和话语权，实现了“中国创造”和“中国引领”，中国电网正式步入特高压时代。现如今经过十余年的探索，已实现从“跟跑”到“领跑”的跨越，2020年我国“电力高速公路”作为“新基建”七大领域之一，成为了世界瞩目的焦点。

图2 特高压直流输电塔

2.2 特高压直流输电技术的优化

特高压既是工程建设，更是自主技术攻关，要求在发展中结合“环境友好”这一基本原则开展相关研究，结合以往资料进行自主研究，保证技术能够与时代接轨实现全面创新。由于在自主研究中无法借鉴成熟的经验，为大量科研课题和设计专题研究带来了一定的阻碍，但通过创新设计掌握特高压核心技术和关键技术，后续完善以“安全可靠、经济合理、国际一流”为原则，使特高压建设不断推进，最终建立了世界上首个特高压技术体系，现已逐渐被世界各界认可。当前我国正大力发展“一带一路”倡议，2019年10月中国能建规划设计集团承担特高压直流输电项目，±800kV特高压直流送出二期项目正式投运，标志着中国特高压技术、装备和工程总承包“走出去”再次取得重大突破[2]。

3 特高压直流输电技术的分析

3.1 输电系统结构

发展特高压直流输电能够促进水电、火电、核电的开发，优化电力的分布，但特高压直流输电在输送过程中没有其他输电落点，可见供电稳定性与安全性与换流站设计有着直接的关系，基于此应在系统结构设计中对此加大关注力度，避免应用中因换流站而降低整体效果。同时，当前我国特高压直流输电基本以双极系统接线方式为主，结合12脉动换流站可以提供多种运行方式，如直接将电力输送到终点，该方式的输送容量大、输电距离远，能够在换流阀发生故障时最大程度减小损失，保障输电安全平稳运行，实现电力上的科学发展。

3.2 柔性直流输电

柔性直流输电技术可以解决输电技术中的一些棘手问题，为了能够控制交流侧的无功和有功功率，需要改变VSC电子器件的开断状态，从而保障电网稳定运行。柔性直流输电系统采用两电平换流器，并联换流站与串联换流站相比具有损耗更低，根据桥臂的等效特性扩展方法更加灵活等优点，换流站可采用并联接线方案，换流器仍通过交流电压支撑工作，从而使调节范围进一步扩大，更好地控制电流的传送速度。同时柔性直流输电系统也可以采用全桥式柔性直流换流器，电压出现急剧下降启动保护，对系统中出现的短路电流进行控制，抑制侧短路电流的产生，从而避免因短路而造成容量增大。

3.3 输电分布电容

特高压输电为我国的经济发展、平稳运行提供了有力支撑，地上与地下之间存在分布电容，其所需要的电线的长度更长，且在用电的正常情况下存在电容电流，所以超高压长输电线在稳定的状态下，可能因为电容的存在而受到影响，因此在技术应用中需要对此加大关注力度。可控硅换流器触发电路可以在直流输电中更快地调节、改变电流的方向，可以直接对故障系统提供支援，该技术促进了特高压产业的发展，也为后续研究提供了方向。

4 特高压直流输电技术的应用前景

4.1 应用规模持续提升

特高压直流技术具备大容量、效率高、输送距离远等显著的特点，未来特高压直流技术的应用规模将会持续提升，为开展“西电东送项目”奠定基础，从而有效解决我国能源和人口分布不均衡的问题，未来我国还将进一步扩大其应用范围和规模，加快“西电东送项目”的完成速度，实现特高压供电技术创新发展。

4.2 清洁能源大规模接入

生态环境已经成为全球性问题，我国在发展特高压直流电的过程中，必须以环境友好为基本原则，积极探索清洁能源的使用，从而促进技术的长远发展。因此必须积极结合现代工艺，建立风力、水力发电站，逐步用清洁能源来替代不可再生能源，现如今以清洁能源为基础的特高压直流输电项目已成为未来发展的主要方向。

4.3 绝缘问题逐渐凸显

特高压直流输电技术具有非常显著的优势，但因电压等级相对较高，如果绝缘层质量存在问题，会危及人民群众的生命财产安全，所以需要对该问题加大关注力度。特高压直流输电技术在未来的应用范围将会逐渐扩大，各类安全故障可能也将随之增多，因此必须对绝缘问题加大研究力度，解决现存风险与矛盾问题。

4.4 经济前景广泛

在特高压直流输电技术经济效益相对较高，在建设过程中能够有效节省占地面积，整体发展前景广阔。据统计报表显示，在2022年用电方面预计将使用8.7亿千瓦时，可见特高压直流输电已成为能源供应上不可或缺的一部分，为进一步满足远距离、大容量输电所带来的经济效益问题，必须加快建设特高压电网，从而实现电力工业的可持续性发展[3]。

5 特高压直流输电技术的应用策略

5.1 合理进行主接线选型

特高压直流输电技术应用中，主接线选型十分重要，其基本以成套设计的形式出现，所以需要对系统可靠性、系统损耗、实施难度加大关注，合理选择接线方案以及相应的交流、直流设备具体配置方案，进行完整全面的研究论证，综合考虑现有技术水平，采用换流器串联的接线方案，如图3所示。同时要确定主接线方案的关键因素，考虑换流变压器的设计制造和运输方面因素，不论是2个12脉动换流器方案还是3个12脉动换流器的串联方案，都需要考虑主设备、控制保护和直流场的复杂程度，采用分层接入方式接入500kV/1000kV，明确不同交流电压的等级，要求低端接入1000kV交流电网，提高运行过程中的稳定性。

图3 主接线选型

5.2 过电压与绝缘配合

±1100kV特高压直流工程的电压等级比±800kV工程提升了37.5%，高端换流变压器的绝缘水平将高达2200kV，这也为±1100kV特高压直流工程的实施带来了极大的挑战。为了减少设备制造难度和工程造价，需要保留MH、CBL2、ML和DB等传统避雷器，并在此基础上新增AH和AL避雷器，这样不仅降低了设备的研发难度，且可以进一步减少后续改造的费用，满足发展建设需求。

5.3 间隙计算与直流场选型

±1100kV的特高压直流输入对外绝缘要求大幅提高，在空气间隙计算中应考虑绝缘距离和电场不均匀程度两个方面，可采用传统的户外直流场方案，也可以选择户内直流场方案，通过优化电极形状控制电极表面电场强度，减小安全空气间隙的距离。采用户外直流场方案需充分考虑淋雨、电极微小缺陷、绝缘裕度等因素，通过优化电极形状减小安全空气间隙。户内直流场选型设计时按照棒板间隙模型计算，极线设备对地距离＞20m，无需考虑淋雨和风荷载对设计方案的影响，但需要保持较高的电极形状系数，极线设备对地距离控制在13m左右。

5.4 简化直流滤波器设计

直流滤波器设计对整个主接线方案设计影响很大，在架空输电线路的直流工程中，通过特定频率谐波提供低阻抗通路，降低流入直流线路和接地极引线中的谐波分量，但传统直流滤波器存在一定的缺点，因此必须进行优化设计。可从直流滤波器设计性能指标的角度考虑，放开对等效干扰电流IEQ的限制，取消直流滤波器高频支路的方式简化直流滤波器设计，综合分析各种极端条件组合以及考虑对通信的影响，将主电容由1.45F降低到0.6F，大幅减小直流滤波器的制造难度，该方法符合特高压直流输电技术的应用要求。

5.5 加强监督与运营维护

特高压直流输电项目必须加强维护，明确维护的相关标准等内容，加强工作人员日常运营和维护的能力和水平，采用非磁性材料形成闭合电磁回路，要求金属夹板厚度≥3mm，避免主变套管均压环、导线金具未打排水孔的问题。同时要确保工作人员按照相关标准开展运营和维护工作，详细记录特高压直流输电工程的具体情况，发现问题要及时进行分析并解决，在此基础上需要进一步加强反思，对维护过程中发现的问题进行总结，为后续工作提供支持和保障。

5.6 加强特高压直流输电设计

由于相关设计人员的疏忽，在设计特高压直流输电线路时，没有严格遵循相关标准实施设计，会导致电网运行时出现稳定性问题。为提升特高压直流输电线路的安全性能，设计人员需要严格遵照标准与规范实施设计操作，在设计电网规划时，需要系统调查各个环节，关注特高压直流输电线路的走向，结合当地的环境与情况进行科学设计并针对相应的标准拟定抵抗灾害的标准，如图4所示。设计人员在设计前也应考察施工地区的地势地貌，以此选择合适的杆塔基础型号，在此过程中要考虑输电线路的稳定性等问题，明确施工规定与使用规范，为后续建设提供基础数据支撑。

图4 特高压直流输电塔杆塔

5.7 提高施工人员综合能力

选择具有责任心的工作人员，在施工前通过加强培训提高建设队伍的素质和能力，与此同时，要通过技能培训来提高施工人员的技术水平，对于表现优秀的施工人员可予以一定的物质和精神奖励，从而能提高施工人员的积极性；而管理人员则应通过巡视了解施工人员的情况，判断当前是否存在建设安全问题。同时，施工人员应结合实际情况选用技术设备等，判断地质情况后确定大地接线截面积，如发现接地装置不合格引起的接地问题，可直接更换接地装置，而因施工原因引起的此类事故，则需要进行深入调查，并对违规施工单位给予一定的处罚，后续也应通过培训教育提高相关人员的安全意识。

6 结束语

随着全球能源互联网建设的逐步推进，特高压直流输电工程趋于稳定，但若想在世界保持领先地位，我国还需进一步完善特高压直流输电技术，提高系统对环境的适应性，在此基础上深入研究特高压直流输电系统的技术与经济性。