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百科 | 我国特高压的关键设备,你了解多少?

国际能源网能源资讯频道  来源:国际能源网  日期:2018-07-10
  随着经济的不断发展,社会对电能需求量的日益增加,单一的本地能源供电消耗方式已不能满足用电需求,而且发电能源与负荷中心不均匀分布,这就要求电能必须远距离输送,在输送电能的过程中,提高输送效率必然要减少线损,减少线损必然要提高输送电压,因此出现了特高压
 
  特高压是指超远距离、超大规模的输电技术,是全球输电技术中的制高点,在我国,特高压包括直流特高压和交流特高压。中国特高压人对特高压交流设备一直不断的努力和突破。
 
  今天,小编为你带来直流特高压和交流特高压关键设备的大盘点。
 
  直流特高压
 
  特高压直流输电是指±800kV(±750kV)及以上电压等级的直流输电及相关技术。特高压直流输电的主要特点是输送容量大、输电距离远,电压高,可用于电力系统非同步联网。
 
  直流输电是工程师们首次远距离输电采用的输电方式,但由公式P=UI可得,输送功率越大,若不提高电压等级,电阻引起的热损耗I?R会造成电能的极大损失。
 
  20世纪50年代末60年代初,硅整流器件的诞生,电力电子技术逐渐发展了整理器、逆变器、变频器等并应用于多个领域。但至此,电力电子器件还不能应用于高频、高压、大电流的输电环境。直到20世纪80年代末和90年代初期,以功率MOSFET和IGBT(绝缘栅双极型晶体管)为代表,能适应高频、高压、大电流输电环境的功率半导体复合器件诞生,标志着传统电力电子技术已经进入现代电力电子技术时代。
 
  截至目前,中国已建成了数条特高压直流(±800kV以上)输电线路,其中,在换流变压器,换流阀,控制保护系统和平波电抗器四种特高压直流设备中取得了巨大成果。
 
  直流特高压关键设备
 
  直流特高压设备主要包括:换流变压器、换流阀及其控制保护系统,平波电抗器、直流滤波器、直流开关设备、直流测量设备和直流避雷器。其中,直流特高压关键设备包括换流变压器,换流阀,控制保护系统和平波电抗器。
 
  01:换流变压器
 
  中国特高压直流工程输送容量逐步提高,单台换流变压器的容量从云南-广东工程的250MVA提升至锡盟-泰州工程的509.3MVA,单台换流变容量见表1。
 

 
  表1 不同输送容量特高压直流工程的换流变容量
 
  中国研制的特高压换流变压器采用连续式屏蔽系统和静电环内外套结构,解决了交直流混合电压、谐波及直流偏磁电流引起电场严重畸变、局部放电、磁致振动等难题;采用新型强油导向冷却线圈结构的冷却系统,解决了超大电流引起的热点温升控制难题;采用外置式(可拆卸)阀侧出线装置,有效控制了换流变压器尺寸,解决了换流变运输难题。图1为灵州-绍兴±800kV特高压工程换流变压器实物图,其性能参数见表2。
 
  
图1 灵州-绍兴±800kV特高压工程换流变压器

 
  表2 ±800kV换流变性能参数参数
 
  02:换流阀
 
  换流阀是交直流电能转换的核心单元,交直流混合电压和强电流造成的电磁场畸变、局部放电、热点温升等问题给换流阀的设计制造带来了很大的挑战。中国攻克了换流阀多物理场协调控制难题,研制出±800kV/5000A双列对称阀塔换流阀,其单阀性能参数见表3。
 
  
表3 ±800kV/5000A换流阀单阀性能参数

 
  图2 运行中的±800kV/5000A特高压换流阀
 
  图2为在锦屏—苏南工程中运行的±800kV/5000A换流阀实物图。目前,中国已经研发成功容量更大的±800kV/6250A换流阀,并将在建设中的上海庙-山东等10GW工程中应用。
 
  03:控制保护系统
 
  中国攻克了直流输电控制保护的阀组独立触发、电压平衡、阀组投退、故障处理等关键技术,成功研制了用于±800kV 特高压直流输电的控制保护系统,解决了双十二脉动阀组串联结构直流系统快速协调控制难题,实现了双极多阀组灵活组态运行,控制模式达10种、直流系统运行方式达46种。中国还建成了换流阀控制与直流控制保护一体化测试平台,实现了不同技术路线换流阀控制模块与直流控制保护系统的联合调试。
 
  04:平波电抗器
 
  中国研制的特高压直流平波电抗器采用干式绝缘技术路线,对地绝缘由支撑绝缘子承担,匝间绝缘要求低,潮流反转时无电荷效应,非铁心结构,电感高度线性。设备主要性能参数见表4。
 
  
表4 ±800kV干式平波电抗器主要性能参数
 
  05:其他设备
 
  中国在特高压直流输电工程实践过程中,还研制成功了±800kV/5300A的特高压直流转换开关,全系列换流站避雷器和线路避雷器,交、直流滤波器和宽动态响应的直流电压测量装置。
 
  特高压交流输电
 
  特高压交流输电是指1000千伏及以上的交流输电,具有输电容量大、距离远、损耗低、占地少等突出优势。电力系统和输电规模的扩大,世界高新技术的发展,推动了特高压输电技术的研究。
 
  在1885年5月1日的匈牙利布达佩斯国家博览会上,一台150V,70Hz单相交流发电机发出的电流经过75台5kVA变压器降压,点亮了1067只爱迪生灯泡,标志着现代实用变压器的诞生。至此,交流输电设备快速发展,交流输电迅速占领了统治地位。截至目前中国已建成了数条1000kV以上的交流特高压线路。
 
  交流特高压关键设备
 
  特高压交流设备主要包括:变压器、并联电抗器、开关、串联补偿装置、互感器、电容器、避雷器、绝缘子、套管、导地线、金具和杆塔等。其中,交流特高压关键设备有特高压变压器、并联电抗器、开关、串联补偿装置。
 
  01:变压器
 
  中国攻克了特高压变压器全场域电场控制、无局放绝缘设计、减振降噪、温升控制等技术难题,在世界上率先研制出单相三柱式特高压变压器,单柱容量334 MVA,单台总容量达到1000MVA。
 
  在成功解决单柱容量提升带来的漏磁控制问题的基础上,中国进一步研制出单柱容量为500MVA的1000MVA、1000kV变压器(两柱结构)和1500MVA、1000kV变压器(三柱结构)。
 
  为满足发电厂直接升压需求,研制出400MVA、(1100/√3-4×1.25%)/27kV的特高压升压变压器,并应用于工程中。
 
  为解决容量提升导致变压器运输受限的问题,分别成功研制了局部解体和全部解体式1500MVA特高压变压器,将单件运输重量在75t以内?。
 
  通过特高压输电工程实践,中国逐步开发形成了较为完善的特高压变压器序列,满足不同工程建设需求,表1给出了特高压交流变压器的部分性能参数,1500MVA特高压变压器实物图见图1。
 
  
表1 特高压交流变压器性能参数
  
  

图2 1500MVA特高压变压器
 
  02:并联电抗器
 
  中国相继成功研制了200Mvar、240Mvar和320Mvar特高压并联电抗器,其中320Mvar单体容量世界最大,性能参数见表2。
 
  
表2 特高压并联电抗器性能参数
 
  为满足电压灵活调整的需要,中国还研制了1000kV/200MVA特高压分级式可控高抗,性能参数见表3。
 


表3 特高压可控高抗性能参数
 
  03:断路器
 
  中国的特高压变电站均采用气体绝缘金属封闭开关电器(GIS)设备。在攻克了双/四断口高效能灭弧室设计、大容量高可靠性分合闸电阻装置研发、特大功率操作机构设计等技术难题的基础上,中国先后成功研制了额定短路开断电流为50 kA和63 kA 的GIS设备,性能参数见表4。
 
  基于对特快速瞬态过电压抑制技术,操作过电压柔性限制技术和混合绝缘气体技术的深入研究,中国正在开展新一代特高压GIS设备的研制和应用工作,进一步提升设备的可靠性和环保性。
 
  

表4  特高压交流SF6气体绝缘金属封闭设备性能参数
 
  04:串联补偿装置
 
  为进一步提升系统输送能力,中国交流特高压工程采用了串联电容补偿技术,解决了二次系统抗强电磁干扰、超大容量电容器组的设计和保护、火花间隙通流及动作可靠性、限压器压力释放及均流、旁路开关快速开合以及阻尼装置等关键技术问题,成功研制出特高压串联补偿装置。中国研制的特高压串补装置额定电流达5080A,额定容量达3000Mvar,现场运行图片见图2,设备火花间隙性能参数见表5。
 
 

图2 特高压串补装置
 
  
表5 特高压串补用间隙性能参数
 
  05:其他设备
 
  中国在特高压交流输电工程实践过程中,成功研制出全系列交流特高压输变电设备。除了前述主要设备之外,还研制成功了1000kV罐式CVT,1000kV站用避雷器和线路避雷器,550kN大吨位的1000kV复合绝缘子,以及用于1000kV串补平台的支柱绝缘子。
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