特高壓輸電的四大技術(shù)難題分析

1880年12月,美國紐約提供了真正意義上的公用照明電力服務(wù),由BrushElectricCompanys建設(shè)的輸電線路,供電距離在曼哈頓的幾條街道之間,只有3.2公里;1889年,俄勒岡波特蘭通用電氣創(chuàng)造了14公里的輸電距離,額定輸送功率4千瓦,創(chuàng)造當(dāng)時世界范圍電力傳輸?shù)摹案邏骸逼孥E。

125年后的今天,在中國,河南已經(jīng)通過一條800千伏特高壓直流輸電通道與新疆相連,每年從新疆可以接受370億千瓦時的電量,其線路總長2192公里,途經(jīng)新疆、甘肅、寧夏、陜西、山西、河南六省(區(qū))。自2009年以來,國家電網(wǎng)已經(jīng)先后建成投運2條交流與3條直流特高壓輸電工程。

電力科學(xué)家們怎樣從輸電距離3.2公里縱深到2000公里以上?或者未來的5000公里?技術(shù)秘訣是提升輸電電壓。為此,科學(xué)家們?yōu)樘岣呒瓤床灰娨裁�不著的輸電電壓等級不懈努�?電網(wǎng)建設(shè)歷史記錄,百年來輸送電壓從10千伏、35千伏、110千伏、220千伏、330千伏、500千伏、750千伏,直到1000千伏。

但是,每一次提高電壓都面臨電力傳輸技術(shù)的障礙。交流輸電電壓一般分為高壓、超高壓和特高壓,國際上高壓通常指35-220千伏的電壓;超高壓通常指330千伏及以上、1000千伏以下的電壓;特高壓指1000千伏及以上的電壓。每提高一個輸電壓等級,都面臨技術(shù)極限的突破與挑戰(zhàn)。

難題之一:提高電壓與抑制電壓

陳維江是特高壓輸電研究領(lǐng)域的專家,是國家電網(wǎng)公司交流建設(shè)部副主任,同時也是中國武漢特高壓交流試驗基地的主要建設(shè)者,在特高壓輸電重大關(guān)鍵技術(shù)的研究中發(fā)揮了重要作用。當(dāng)記者在國家電網(wǎng)辦公大樓的一間會議室問及特高壓技術(shù)突破的最大難點是什么時,他回答:“首要攻克的是解決電壓控制難題”。

特高壓,顧名思義就是傳輸高等級的電壓,科學(xué)家們千方百計提高電壓傳輸?shù)燃?為何首要考慮的卻是如何控制電壓?“電壓控制”是輸電技術(shù)領(lǐng)域的重要概念,是指電源電壓超過其額定值時的電壓控制,包括三種方面:第一是運行電壓控制,第二是內(nèi)部過電壓控制(包括暫時過電壓、操作過電壓以及特快速瞬態(tài)過電壓),第三是雷擊過電壓控制(外部過電壓)。

當(dāng)電網(wǎng)正常運行時,線路50赫茲正弦波的電壓是運行電壓,比如1000千伏特高壓線路,正常運行的線電壓是1000千伏,500千伏超高壓線路,運行電壓就是500千伏,運行電壓也被稱為穩(wěn)態(tài)電壓;而過電壓則是一種瞬態(tài)電壓,只在某個瞬間突然出現(xiàn),而不像正弦波那樣反復(fù)不變。過電壓要比運行電壓高很多,如果以音響設(shè)備比喻,播放正常音量時可視為運行電壓,而當(dāng)插拔信號線瞬間發(fā)出的砰砰巨響可以視為過電壓。電網(wǎng)里日常的線路、變壓器、并聯(lián)電抗器的投切、分合閘,乃至線路故障等都會引起線路的過電壓,統(tǒng)稱為內(nèi)部過電壓。而線路、桿塔、地線避雷線遭到自然雷擊引起的過電壓稱為雷擊過電壓。

從超高壓500千伏到特高壓1000千伏,電壓等級翻了一番,控制電壓的允許值是簡單的倍數(shù)關(guān)系嗎?陳維江說“不是的”。他介紹:實際上,特高壓允許運行電壓升高的過電壓裕量反而變小了。以運營電壓做基礎(chǔ)是1倍,在110千伏、220千伏時過載電壓有3倍的裕度,當(dāng)電壓為500千伏時是2.0倍,750千伏是1.8倍,到1000千伏特高壓時只有1.6倍的裕度。裕度,是指留有一定余地的程度。

“需求是要提高電壓的傳輸?shù)燃?因為特高電壓輸送的能量大、距離長;但是從技術(shù)的要求上看,越是高電壓等級,操作過電壓允許的倍數(shù)越小,意味電壓控制更加困難,”陳維江說。

使用什么手段抑制特高壓內(nèi)部過電壓與雷擊過電壓呢?從2004年開始,中國電力科學(xué)研究院先后有幾十位科研人員做1000千伏特高壓交流輸電系統(tǒng)過電壓的研究,研究課題包括標(biāo)準(zhǔn)電壓選擇、過電壓與絕緣配合、防雷防護(hù)、同塔雙回路系統(tǒng)斷路器瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)過電壓與電磁暫態(tài)優(yōu)化等十多項研究。這些工程急需的科技成果,特別是相關(guān)參數(shù)經(jīng)過仿真計算以及試驗驗證后,有力支撐了特高壓設(shè)備研發(fā)與選型。

以抑制暫時過電壓為例,最主要的設(shè)備就是電抗器,它也是特高壓最重要的設(shè)備之一,因為線路在故障或無故障情況下甩負(fù)荷而引起電壓突然升高,其幅值是按秒計算的,只能通過大容量的特高壓電抗器有效限制工頻過電壓的幅值。在西安,中國西電集團(tuán)公司副總經(jīng)理、總工程師宓傳龍的辦公室,他向記者介紹了研制生產(chǎn)電抗器的過程,宓傳龍獲得2012年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步特等獎,排名第三。

制造電抗器是西電的強項。宓傳龍毫不掩飾西電的技術(shù)優(yōu)勢,上個世紀(jì)他們曾為三峽工程研制了±500千伏直流輸電換流變壓器和平波電抗器,結(jié)束了中國該類電工大型裝備依賴進(jìn)口的局面。2008年,西電承接為中國首條特高壓交流試驗示范工程研制1000千伏級320Mvar、240Mvar(兆乏,是無功補償裝置的補償容量單位)特高壓并聯(lián)電抗器。

“電抗器也叫電感器,主要起保證線路輸送的最大功率,限制電網(wǎng)電壓突變和操作過電壓引起的電流沖擊的作用。因為電抗器的額定電壓是1100千伏,與變壓器額定電壓1000千伏比較,特高壓電抗器的絕緣水平比特高壓變壓器高出5%左右”,他介紹說。

西電研制國內(nèi)首臺特高壓電抗器的過程非常順利:首先制定了設(shè)計主要方案和確定相關(guān)參數(shù),之后是制定電氣方案、結(jié)構(gòu)方案。在制定方案的過程中,如何驗證參數(shù)?比如重絕緣參數(shù)?他們按比例制作了小模型,通過波峰測量實驗?zāi)�擬產(chǎn)品沖擊波,測量每個線圈的重絕緣電場是怎樣分布的。之后整理數(shù)據(jù)和計算值進(jìn)行比較,看其相似度是多少?哪個地方電壓差異比較多。之后再做實驗,再驗證。當(dāng)反復(fù)比較后沒