我國(guó)特高壓工程輸電技術(shù)在南方電網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用

1、南方電網(wǎng)的現(xiàn)狀和發(fā)展

南方電網(wǎng)覆蓋廣東、廣西、云南、貴州和海南五省區(qū)，面積約100萬(wàn)km，至2004年底總裝機(jī)容量78.76GW，其中統(tǒng)調(diào)裝機(jī)53.39GW，統(tǒng)調(diào)最高負(fù)荷46.07GW，公司系統(tǒng)售電量308.2TWh。經(jīng)過(guò)十幾年的努力，南方電網(wǎng)已經(jīng)形成以6回500kV交流線路、3回500kV直流線路為西電東送主干網(wǎng)架、各省內(nèi)交流500kV環(huán)網(wǎng)供電的主網(wǎng)。

根據(jù)南方五省區(qū)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃，2010年和2020年電力最大負(fù)荷分別為103.89GW和180.91GW。為滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的高用電需求，南方電網(wǎng)新增西電送廣東電力“十一五”期間為10.30GW，“十二五”，期間為10.05GW并使西電送廣東達(dá)到31.23GW。屆時(shí)，南方電網(wǎng)將形成特高壓和超高壓交直流混合運(yùn)行的統(tǒng)一開(kāi)放、結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)先進(jìn)、安全可靠的堅(jiān)強(qiáng)主網(wǎng)。

2、發(fā)展特高壓輸電技術(shù)的必要性

2.1優(yōu)化電網(wǎng)資源配置，協(xié)調(diào)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展

南方五省區(qū)東西部能源資源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡，東部廣東省占五省區(qū)GDP65%，但能源含量?jī)H占3.5%，電力電量不足已嚴(yán)重影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展;而經(jīng)濟(jì)相對(duì)不發(fā)達(dá)的云南、貴州卻擁有>90%的五省區(qū)能源儲(chǔ)量，其中云南省可開(kāi)發(fā)的水電裝機(jī)容量達(dá)95.70GW。因此，進(jìn)一步地實(shí)施大容量西電東送，促進(jìn)資源優(yōu)化配置，是南方區(qū)域能源發(fā)展的必由之路，也是南方電網(wǎng)公司的重要戰(zhàn)略。

2.2縮小輸電通道走廊，節(jié)省寶貴土地資源

輸電通道資源緊缺是電網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中的國(guó)際性的問(wèn)題。人均耕地面積小，廣東珠三角地區(qū)電力負(fù)荷密度過(guò)高，電網(wǎng)建設(shè)占地過(guò)多的矛盾尤其突出。到2030年西電東送采用交流500kV送電方案需增加16回線路，走廊寬達(dá)960m，占地面積217萬(wàn)畝;采用交流1000kV送電方案走廊寬度為500m，占地面積110萬(wàn)畝;而采用直流±800kV送電，走廊寬度為300m，占地僅70萬(wàn)畝。此外，滇西南三江出口峽谷地段受地理位置限制，不可能采用500kV方案，特高壓輸電方案可有效解決問(wèn)題。

2.3限制短路電流，提高電網(wǎng)穩(wěn)定，節(jié)約設(shè)備費(fèi)用

隨著迅猛增長(zhǎng)的供電需求，電網(wǎng)系統(tǒng)容量增加很快，目前廣東珠三角負(fù)荷密集區(qū)部分500kV變電站的短路電流水平已接近或超過(guò)設(shè)備可以承受的50kA的水平。如仍僅采用500kV電壓等級(jí)，預(yù)計(jì)2010年后該地區(qū)大部分變電站的短路電流水平將>50kA并逼近目前常規(guī)設(shè)備制造極限63kA，電網(wǎng)穩(wěn)定可靠供電和設(shè)備安全的困難難以解決。特高壓交直流輸電技術(shù)可增強(qiáng)骨干電網(wǎng)輸電能力，有效控制每一電壓等級(jí)的系統(tǒng)短路電流。在加強(qiáng)各級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，為現(xiàn)有500kV輸電網(wǎng)提供了分片運(yùn)行的條件，在保證供電可靠性的前提下降低了短路電流水平。

2.4特高壓輸電的經(jīng)濟(jì)性明顯

國(guó)內(nèi)外的研究表明，交流輸電1000kV方案的單位輸送容量投資約為500kV方案的73%，運(yùn)行損耗下降80%。直流輸電800kV方案的單位輸送容量投資約為500kV方案的72%，運(yùn)行損耗下降70%。此外，如前所述特高壓輸電技術(shù)可節(jié)省大量輸電走廊用地，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展政策的要求。

2.5我國(guó)電工制造技術(shù)跨越式發(fā)展的空前機(jī)遇

經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)攻關(guān)、引進(jìn)、消化吸收，國(guó)內(nèi)設(shè)備制造業(yè)已具備500KV交流輸電設(shè)備的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，750KV交流輸變電關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化也已取得進(jìn)展，正負(fù)500KV直流輸電關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)制造技術(shù)已基本掌握。特高壓輸變電設(shè)備在國(guó)際上也是處于研制階段，國(guó)內(nèi)制造廠可以以計(jì)劃中的特高壓工程為依托，主要設(shè)備以我為主、聯(lián)合開(kāi)發(fā)、國(guó)內(nèi)制造、掌握設(shè)備制造關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備制造技術(shù)升級(jí)，快速提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

3、南方電網(wǎng)特高壓輸電應(yīng)用研究工作

3.1特高壓研究工作的主要過(guò)程

南方電網(wǎng)公司2003年8月在電力發(fā)展規(guī)劃的基礎(chǔ)上組織開(kāi)展了高一級(jí)電壓等級(jí)應(yīng)用研究，2004年12月完成并出版了《南方電網(wǎng)高一級(jí)電壓等級(jí)應(yīng)用研究報(bào)告》2005年1月25日以?！蛾P(guān)于特高壓應(yīng)用研究工作情況的報(bào)告》將研究的主要內(nèi)容、結(jié)論和項(xiàng)目規(guī)劃建議正式上報(bào)。

3.2研究的主要結(jié)論

(1)國(guó)際上交流特高壓輸電技術(shù)已經(jīng)基本成熟，具有制造全套設(shè)備的能力;直流特高壓(±750kV或±800kV)輸電工程技術(shù)上可行。(2)高海拔、重污染以及覆冰等因素對(duì)設(shè)備外絕緣過(guò)電壓水平可能提高的較高要求可通過(guò)增加空氣凈距和絕緣子片數(shù)等方法滿足。(3)設(shè)計(jì)合理的特高壓輸電線路的可聽(tīng)噪聲、無(wú)線電干擾水平可與現(xiàn)有超高壓輸電線路相當(dāng)。(4)特高壓輸電系統(tǒng)較現(xiàn)有輸電系統(tǒng)的過(guò)電壓倍數(shù)低。(5)特高壓交流線路單段長(zhǎng)度不宜>500km，中間設(shè)開(kāi)關(guān)站情況下可按2x350km控制。

3.3南方電網(wǎng)特高壓輸電網(wǎng)的規(guī)劃方案

結(jié)合電網(wǎng)總體規(guī)劃及各種輸電方案的輸電走廊、短路電流控制、輸電能力、投資和運(yùn)行費(fèi)用等的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦南方電網(wǎng)特高壓輸電規(guī)劃方案為結(jié)合云南小灣、金安橋、糯扎渡等水電站的投產(chǎn)建設(shè)云南至廣東2回±800kV直流輸電工程，實(shí)現(xiàn)特高壓、遠(yuǎn)距離、大容量、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)送電;2030年前建設(shè)云南至廣東5～6回1000kV交流輸電通道，在珠江三角洲地區(qū)北部建成雙回路1000kV環(huán)網(wǎng)。2005年初南方電網(wǎng)公司根據(jù)戰(zhàn)略和電網(wǎng)規(guī)劃成立了特高壓工程建設(shè)部，負(fù)責(zé)實(shí)施南方電網(wǎng)特高壓交直流工程，云南至廣東±800kV特高壓直流工程為第一個(gè)管理項(xiàng)目。

4、云廣特高壓直流輸電工程

4.1系統(tǒng)方案

云廣特高壓輸電工程系統(tǒng)方案，從合理利用輸電走廊資源、換流站站址和接地極極址資源、促進(jìn)直流輸電技術(shù)進(jìn)步和電網(wǎng)技術(shù)升級(jí)角度出發(fā)，結(jié)合今后西南水電外送規(guī)劃，考慮工程建設(shè)周期要求，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定采用±800kV電壓等級(jí)，輸電容量5GW。送端換流站位于云南省楚雄州祿豐縣三灣鎮(zhèn)，本期出線7回：至小灣水電站3回，至金安橋電站2回，至昆西北變電站2回。受端換流站位于廣東增城市朱村鎮(zhèn)π接500kV增城至橫瀝雙回線，路，新建2回線路至500kV水鄉(xiāng)變電站，并預(yù)留交流主變和220kV出線。

4.2工程主要參數(shù)

該工程線路長(zhǎng)1438km，采用6×630mm2導(dǎo)線，其余參數(shù)見(jiàn)表1。

4.3工程技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題

4.3.1換流閥和閥組

規(guī)劃云廣直流工程送電容量5GW，電壓±800kV，額定電流3125A，相對(duì)現(xiàn)有±500kV/3GW直流工程的3000A額定電流僅提高4.2%。通過(guò)優(yōu)化換流變短路阻抗參數(shù)、提高單個(gè)閥片的冷卻水流量等措施，該工程完全可用現(xiàn)±500kV工程應(yīng)用成熟的127mm閥片，從而節(jié)省大量研發(fā)費(fèi)用和時(shí)間，經(jīng)濟(jì)實(shí)用且無(wú)國(guó)產(chǎn)化障礙。建設(shè)、設(shè)計(jì)單位、生產(chǎn)廠商均已確認(rèn)，送受端均采用(400kV+400kV)雙12脈動(dòng)閥組串聯(lián)接線為最優(yōu)方案，它在設(shè)備的研制和運(yùn)輸、運(yùn)行的靈活和可靠方面優(yōu)勢(shì)明顯，已有國(guó)外工程成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。

4.3.2特高壓直流換流變壓器

由于采用雙12脈動(dòng)閥組，工程共需48臺(tái)換流變(另加備用8臺(tái))。其中36臺(tái)≤±600kV的換流變可使用成熟技術(shù)，12臺(tái)靠近極母線的±800kV換流變?nèi)蚓鶡o(wú)，需要研發(fā)。±800kV與±500kV換流變的主要判別有三：一是絕緣水平更高，二是運(yùn)行中直流偏磁更大，三是尺寸增大使運(yùn)輸困難。因此，特高壓換流變絕緣結(jié)構(gòu)、設(shè)備尺寸要求接近制造極限，挑戰(zhàn)很大。國(guó)內(nèi)外制造商研究云廣工程后已提出換流變的主要參數(shù)，分析計(jì)算認(rèn)為設(shè)計(jì)制造800kV換流變技術(shù)上可行并可滿足國(guó)內(nèi)鐵路運(yùn)輸條件需要。部分制造商表示2006年可產(chǎn)出樣機(jī)。

4.3.3閥側(cè)變壓器套管和直流穿墻套管

閥側(cè)變壓器套管和直流穿墻套管是特高壓設(shè)備制造難點(diǎn)之一，目前主要依靠國(guó)外技術(shù)，SIEMENS和ABB已提前投入該技術(shù)并取得較好效果。ABB公司1993年即已研制出直流±800kV油紙絕緣瓷外套穿墻套管并通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)，后將部分陶瓷外套涂上合成材料以增加外絕緣功能，安裝在瑞典STRI實(shí)驗(yàn)室，安全運(yùn)行至今。ABB稱有把握在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出合成材料的穿墻套管。SIEMENS已研制出特高壓變壓器合成材料套管以及用于換流變特高壓閥側(cè)線圈引出線與套管連接部分的絕緣桶(Barriersystem)，其在奧地利格拉茨技術(shù)大學(xué)開(kāi)展的電氣試驗(yàn)已基本完成。由于試驗(yàn)室環(huán)境條件所限直流耐壓試驗(yàn)和極性翻轉(zhuǎn)電壓試驗(yàn)僅完成設(shè)計(jì)值的93%和96%，但都曾經(jīng)短時(shí)間加至100%試驗(yàn)電壓試品未見(jiàn)異常。補(bǔ)充試驗(yàn)可在所內(nèi)完成。換流變套管技術(shù)與穿墻套管相似而難度更大，前者的解決，意味著后者也迎刃而解。特高壓的閥側(cè)變壓器套管和直流穿墻套管技術(shù)已基本解決，但也關(guān)注到套管尺寸加大后，其機(jī)械性能也應(yīng)相應(yīng)提高，并通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)。

4.3.4平波電抗器

特高壓直流換流站首選干式平波電抗器，每?jī)膳_(tái)一組串聯(lián)，分別布置在每極的極母線和中性線上，經(jīng)濟(jì)且無(wú)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，是為最佳方案。

4.3.5特高壓直流設(shè)備外絕緣

特高壓直流場(chǎng)內(nèi)有直流高速開(kāi)關(guān)、隔離刀閘、互感器等設(shè)備、如陶瓷絕緣材料很難滿足其外絕緣爬距的要求。解決方案，一是建設(shè)戶內(nèi)直流場(chǎng)，可以在一定程度上減緩污穢程度，更重要的是保持設(shè)備干燥，防止污閃發(fā)生;二是采用合成絕緣材料，以滿足外爬距要求，但有研發(fā)和試制的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。前者投資和運(yùn)行費(fèi)用較大，多數(shù)專家傾向于后一方案。平波電抗器也要解決支柱絕緣子外絕緣問(wèn)題。目前已有數(shù)家廠商研制出特高壓直流合成支柱絕緣子和線路絕緣子樣品，可望在現(xiàn)有的直流工程中掛網(wǎng)試運(yùn)行。

4.3.6控制保護(hù)

我國(guó)尚未使用過(guò)雙12脈動(dòng)串聯(lián)閥的控制保護(hù)技術(shù)，但國(guó)外如巴西伊泰普±600kV直流輸電工程多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)已證明系統(tǒng)的安全可靠。對(duì)此國(guó)內(nèi)外廠商均表示無(wú)任何技術(shù)困難。