摘要：闡述了特高壓直流輸電技術具有送電距離遠、送電容量大、控制靈活和調度方便等特點，以及在我國應用的迫切性和應用的廣闊前景。文中較詳細地介紹了特高壓直流輸電基本參數的選擇、換流站的主接線方案選擇、換流站主設備（如換流變壓器、換流閥、換流變壓器套管、穿墻套管等）的選用和配置問題，以及電磁環境問題。研究分析表明，±800kV特高壓直流輸電的工程應用不存在不能克服的技術問題。文中指出，特高壓直流輸電工程的電磁環境指標目前可以按±500kV直流的限值來控制。

關鍵詞： 電力系統；特高壓；直流輸電；電網；工程應用

隨著國民經濟的持續、高速增長，電力需求日益旺盛，電力工業的發展速度加快。2004年新增發電裝機容量505GW，全國發電總裝機容量達到440GW；2005年新增發電裝機容量約70GW，全國發電總裝機容量突破500GW；預計到2010年、2020年，全國發電總裝機容量將分別達到700GW和1200GW。

新增電力裝機有很大數量在西部大水電基地和北部的火電基地。這些集中的大電站群裝機容量大，距離負荷中心遠。如金沙江的溪洛渡、向家壩水電廠，總裝機容量達到18.6GW，計劃送電到距電廠1000～2000km的華中、華東地區；云南的水電有約20GW容量要送到1500km外的廣東；籌劃中的陜西、山西、寧夏、內蒙古的大火電基地將送電到華北、華中和華東的負荷中心，距離近的約1000km，遠的超過2000km。

在這種背景下，要求輸電工程具有更高的輸電能力和輸電效率，實現安全可靠、經濟合理的大容量、遠距離送電。特高壓直流輸電是滿足這種要求的關鍵技術之一。

1 特高壓直流輸電的技術特點

特高壓直流輸電的電壓等級概念與交流輸電不一樣。對于交流輸電來說，一般將220kV及以下的電壓等級稱為高壓，330～750kV的稱為超高壓,1000kV及以上的稱為特高壓。直流輸電則稍有不同，±100kV以上的統稱為高壓；±500kV和±600kV仍稱為高壓，一般不稱為超高壓；而超過±600kV的則稱為特高壓。

對于單項直流輸電工程而言，通常根據其送電容量、送電距離等因素進行技術、經濟方面的綜合比較，對工程進行個性化設計而確定相應的直流電壓等級。我國對特高壓直流輸電的電壓等級進行研究和論證時，考慮到我國對直流輸電技術的研發水平和直流設備的研制能力，認為確定一個特高壓直流電壓水平是必要的，并把±800kV確定為我國特高壓直流輸電的標稱電壓。這有利于我國特高壓直流輸電技術和設備制造的標準化、規范化、系列化開發，有利于進行我國特高壓直流輸電工程的規劃、設計、實施和管理。

特高壓直流輸電技術不僅具有高壓直流輸電技術的所有特點，而且能將直流輸電技術的優點更加充分發揮。直流輸電的優點和特點主要有［1］：①輸送容量大。現在世界上已建成多項送電3GW的高壓直流輸電工程。②送電距離遠。世界上已有輸送距離達1700km的高壓直流輸電工程。我國的葛南（葛洲壩—上海南橋）直流輸電工程輸送距離為1052km，天廣（天生橋—廣東）、三常（三峽—常州）、三廣（三峽—廣東）、貴廣（貴州—廣東）等直流輸電工程輸送距離都接近1000km。③輸送功率的大小和方向可以快速控制和調節。④直流輸電的接入不會增加原有電力系統的短路電流容量，也不受系統穩定極限的限制。⑤直流輸電可以充分利用線路走廊資源，其線路走廊寬度約為交流輸電線路的一半，且送電容量大，單位走廊寬度的送電功率約為交流的4倍。如直流±500kV線路走廊寬度約為30m，送電容量達3GW；而交流500kV線路走廊寬度為55m，送電容量卻只有1GW。⑥直流電纜線路不受交流電纜線路那樣的電容電流困擾，沒有磁感應損耗和介質損耗，基本上只有芯線電阻損耗，絕緣水平相對較低。⑦直流輸電工程的一個極發生故障時，另一個極能繼續運行，并通過發揮過負荷能力，可保持輸送功率或減少輸送功率的損失。⑧直流系統本身配有調制功能，可以根據系統的要求做出反應，對機電振蕩產生阻尼，阻尼低頻振蕩，提高電力系統暫態穩定水平。⑨能夠通過換流站配置的無功功率控制進行系統的交流電壓調節。⑩大電網之間通過直流輸電互聯（如背靠背方式），2個電網之間不會互相干擾和影響，必要時可以迅速進行功率交換。

特高壓直流輸電的特點：①電壓高，高達±800kV。對與電壓有關的設備，如高壓端（ ±800kV）的換流變壓器及其套管、穿墻套管、避雷器等研發提出了高要求；對承受±800kV的外絕緣，如支持瓷柱、線路絕緣子等需要進行新的研發。②送電容量大。規劃的特高壓直流輸電工程的送電容量高達5GW和6.4GW，相應的直流額定電流將達到3125A和4000A。③送電距離長，長達1500km，甚至超過2000km。

2 特高壓直流輸電面臨的技術挑戰

特高壓直流輸電面臨的技術挑戰主要有［2］：

（1） 設備制造難度大。±800kV特高壓直流輸電中換流變壓器、換流變壓器套管、穿墻套管、換流閥等特高壓直流輸電設備的設計制造難度加大。

（2） 設備外絕緣要求高。隨著電壓等級的提高，設備外絕緣能否到達要求令人擔心。特高壓對線路絕緣子的絕緣要求很高，絕緣子在特高壓情況下受直流積污效應的影響所能承受的電壓與絕緣距離的關系較常規電壓變化很大，可能存在拐點，即當電壓達到一數值時，絕緣子長度的增加，所能承受的電壓變化很小。換流站的開關場的外絕緣也要采取特殊辦法。采用合成絕緣材料代替瓷和玻璃是一個解決問題的辦法。設備所要求的空氣凈距更大。另外由于我國特高壓直流輸電工程經過西部高海拔地區，還必須考慮高海拔對外絕緣的影響。

（3） 換流站主接線的基本結構復雜。±800kV特高壓直流輸電換流閥采用雙12脈沖閥串接，晶閘管的數量大大增加。換流變壓器臺數增加，一個換流站需要24臺變壓器，運行方式復雜，控制保護的要求高，設備布置難度大。

（4） 電磁環境的要求更高。電磁環境主要涉及可聽噪聲、無線電干擾、地面場強等方面。

（5） 接地極入地的電流更大。±800kV特高壓直流輸電單極運行時接地極入地的電流達3125A或4000A，如此大的入地電流會對周圍環境造成很大的影響。如對周圍金屬的腐蝕；對附近中性點接地變壓器產生直流偏磁，引起變壓器非正常發熱、噪聲增大；造成附近地面電位場強增加，對人畜造成威脅。

（6） 極閉鎖故障對電力系統的沖擊。因為特高壓直流輸電輸電容量大，單極故障或雙極故障將造成受電端系統供電容量的嚴重不足，這會對電力系統造成很大的沖擊，如果交流系統不能承受，將造成電網崩潰，引起災難性后果，因此對受電端交流系統提出了較高的要求。

3 特高壓直流輸電的應用前景

特高壓直流輸電有利于實施“西電東送”戰略，將應用于大型水電廠群、大型火電基地的電力外送，送電距離一般都在1000km以上。  

我國擬建設的第一個特高壓直流輸電工程是云廣（云南—廣東）±800kV直流輸電工程，以便將云南的電力外送。云南的小灣水電廠裝機4.2GW，附近的金安橋水電廠裝機2.4GW。云廣直流工程為適應這2座水電站的電力外送，計劃于2009年單極投運，2010年雙極投運。工程額定電壓為±800kV，額定容量為5GW，額定電流為3125A，送電距離為1500km。為了將金沙江的溪洛渡、向家壩水電廠的電力外送，規劃了3回±800kV直流輸電工程，其中1回送華中，距離約為1000km；其余2回送華東，每回輸送容量為6.2～6.4GW，送電距離約2000km。還有規劃中的±800kV直流輸電工程，將實現糯扎渡水電廠至廣東、錦屏水電廠至江蘇蘇州、烏東德水電廠至福建泉州、白鶴灘水電廠至湖北東部等電力輸送［3］。

大型火電基地用±800kV直流輸電工程實現電力外送的項目有：內蒙古東部呼盟火電基地至東北沈陽、至華北、至山東，寧夏火電基地至華東，新疆哈密火電基地至華中等。

這些±800kV直流輸電工程的送電容量規劃為6.2～6.4GW，輸電距離都超過1000km，有的甚至超過2000km。

世界上，印度和南非也有發展特高壓直流輸電的設想。印度規劃中的東北部至南部的±800kV直流輸電工程的送電距離約為2000km，規劃送電容量為6GW。南非設想將剛果的水電用直流輸電方式輸送到南非，送電距離長達3000km，計劃輸送功率為3GW，電壓等級為±750kV或±800kV。

4 特高壓直流輸電技術的應用研究

4.1 特高壓直流輸電的基本參數

直流電壓、直流功率、直流電流、線路長度是直流輸電工程的基本參數。其中，直流功率W、直流電流I和直流電壓U滿足公式W=UI的關系。

基于提高送電容量、優化損耗和技術經濟比較的綜合考慮，我國的特高壓直流電壓等級定為±800kV。額定電壓是絕緣水平、環境影響（如電暈、電磁干擾和噪聲等）、設備制造、工程設計、工程投資，以及工程建設難度的決定性因素。

直流額定功率的選擇在考慮送電要求的前提下，要考慮直流系統當發生單極和雙極閉鎖故障時交流系統的穩定極限。如果存在問題，要么減少直流輸送功率，要么加強交流系統。

在額定電壓下，直流電流的大小由直流功率決定，但也與晶閘管閥片通流能力有關。直流功率選擇5GW，直流電流為3125A，可以使用在±500kV、送電3GW直流工程中使用的直徑為125mm（簡稱5in）閥片；直流功率選擇為6.4GW，直流電流達到4000A，則需要開發直徑為150mm（簡稱6in）的閥片。

輸電線路長度是決定直流電壓選擇的關鍵因素之一。輸送距離越長（尤其是1500km以上），特高壓直流輸電在技術經濟指標比較中的優勢越明顯，選擇特高壓直流輸電方式越有必要。

4.2 換流站的主接線

確定特高壓直流輸電換流站的主接線，首先要研究換流器的結構。換流器結構可供選擇的方案有4種：

（1） 方案1。每極單12脈沖閥組結構（見圖1）。與±500kV通用結構相同，結構簡單、設備少、占地面積小。但由于換流變壓器的質量、尺寸過大，運輸到現場較困難。

（2） 方案2。每極2組12脈沖閥組串接（見圖2）。結構較復雜、設備多，換流變壓器的數量加倍。但換流變壓器的質量和尺寸能滿足運輸要求，當一個閥組出現故障時只須將其旁路，其他閥組照樣可正常運行，提高了可用率（需配旁路開關）。

（3） 方案3。每極12脈沖閥組并聯（見圖3）。可以減少單閥組通流能力，但結構復雜、設備多，換流閥和平波電抗器的數量是單閥組的2倍。

（4） 方案4。一端采用每極雙閥組結構，另一端采用每極單閥組結構，以適應不同的運輸條件，并發揮各自的優勢。

從我國目前特高壓直流輸電工程的情況分析，方案2是優先選擇方案有條件的工程可采用方案4。

當換流器采用每極2組12脈沖閥組串接（或稱雙12脈沖閥組串接）結構時，可以有不同的雙12脈沖閥組組合形式，如（±400kV）+（±400kV）；（±500kV）+（±300kV）；（±600kV）+（±200kV）。不同的組合形式對主設備的要求和運行方式有所不同，要綜合各方面因素進行比較和優化選擇。

4.3 換流站的主設備

（1） 換流變壓器。當換流器采用雙12脈沖閥組串接結構時，換流變壓器采用單相雙繞組變壓器，每站有24臺變壓器（不包括備用變壓器）。低壓端（±400kV）的換流變壓器的制造難度要小一些，高壓端（±800kV）的換流變壓器的制造是特高壓直流輸電中的關鍵技術之一。

（2） 換流閥。輸送容量在5 GW以下時，可以使用12.7cm（5in）閥片；輸送容量達到6.4GW時，則需要使用15.24cm（6in）的閥片。當采用雙12脈沖閥組串接結構時，每極需要設2個獨立閥廳串接。

（3） 平波電抗器。可以采用空芯干式平波電抗器，分別裝在極母線和中性母線上；也可以采用油浸式平波電抗器。

（4） 穿墻套管。現有±500kV穿墻套管的外絕緣以硅橡膠為主要成分，內芯采用油浸樹脂紙，中間充SF6氣體。由于±800kV要承受比±500kV高得多的電壓，因此其套管長度更長，承受的機械應力更大。同時要考慮外絕緣問題和內外絕緣的配合問題。

（5） 其他的特高壓直流輸電設備。換流站的特高壓直流設備除了上述的換流變壓器、換流閥、平波電抗器、穿墻套管外，其他直接承受特高壓直流電壓的設備還有直流避雷器、直流隔離開關、直流電壓分壓器、直流電流互感器、直流濾波電容器、直流PLC電容器、高壓直流旁路開關等。這些設備的基本原理和結構與±500kV直流輸電的大體相同，但對外絕緣、內外絕緣配合等方面的要求更嚴格。從外絕緣而言，要在重污穢和高海拔的環境下安全可靠運行，單靠提高爬距難以奏效，需要從絕緣材料上加以考慮。傾向性的意見是外絕緣應盡量采用合成材料。

（6） 交流濾波器。交流濾波器和特高壓直流的電壓關系不大，而與送電容量密切關系。由于送電容量大，換流站需要濾波和無功補償容量的數額也巨大，因而合理配備無功數額和進行無功分組是一個要進行優化的主要問題。

（7） 控制保護系統。控制保護系統需要適應雙12脈沖閥組串接的接線方式和運行方式，需要適應超長距離送電的要求，其軟、硬件平臺應該按照安全可靠、方便靈活、功能齊全、拓展簡單的原則進行升級。

4.4 特高壓直流工程的電磁環境問題

隨著人們對環境問題認識的深化和公眾環境意識的增強，輸電工程的電磁環境影響越來越受到關注，因此，實施特高壓直流輸電工程要特別注重電磁環境研究。電磁環境問題已成為影響輸電工程結構和工程建設費用的重要因素之一。

特高壓直流輸電電磁環境指標有待深入研究，目前普遍認為，特高壓直流輸電電磁環境指標可以按與±500kV直流輸電的水平相當來控制。±500kV直流輸電已有15年的運行經驗，其運行狀況可供特高壓直流輸電參照。我國±500kV直流輸電線路電磁環境的控制指標為：①合成場強30kV/m；②可聽噪聲45～50dB；③無線電干擾55dB。

換流站的電磁環境中，最為公眾所關心的是可聽噪聲。換流站的主要噪聲源是換流變壓器、平波電抗器和交流濾波器。特高壓直流的噪聲比±500kV直流的更為嚴重。正常運行時，每個換流站有24臺變壓器。當其滿負荷運行時，交流濾波器有近3Gvar的容量。因而大量的噪聲源需要認真對待，除了限制設備本身的噪聲水平外，還要注意將高噪聲設備布置在遠離居民區的位置，必要時要設立局部隔離措施和吸噪設施。

接地極的影響主要是當單極大地回線運行時，有很大的電流注入大地，因而會帶來一系列問題：①入地電流引起接地極周圍地電位升高，須要考慮人畜安全問題。②負極性入地電流將對附近地下金屬產生腐蝕。③對周圍中性點接地的變壓器產生直流電流，在變壓器中會產生直流偏磁現象，導致這些變壓器的噪聲增加、損耗加大、溫度升高。前2個問題在接地極設計時已有考慮；第3個問題亦已引起重視和研究，提出了一些解決方案。如在變壓器中性點串接電阻以限制直流電流數值，串接電容以隔離直流電流，或采取補償措施以限制的電流值。目前，主要還是控制運行方式，盡量少采取大地回線方式運行。

5 結束語

我國的“西電東送”戰略要求輸電工程具有更大的輸電能力和更高的輸電效率，實現安全可靠、經濟合理的大容量、遠距離送電。特高壓直流輸電是滿足這種要求的關鍵技術之一。

特高壓直流輸電工程的設備從基本原理和結構而言與±500kV直流輸電類似，但由于承受的直流電壓更高，因此其對外絕緣、內外絕緣的配合等方面的要求更嚴格。因而±800kV特高壓直流輸電工程建設的難度更大，但由于有高壓直流工程的長期運行經驗和技術積累，故特高壓直流輸電工程建設在技術上的難題是完全可克服的。目前，特高壓直流輸電工程的電磁環境指標可以按±500kV直流輸電工程的限值來控制，但應加強對環境問題的觀察和研究。

6 參考文獻

［1］ 李立浧.直流輸電技術的發展及其在我國電網中的作用［J］.電力設備, 2004，5（11）：1～3.

［2］ CIGRE WG 14.32.HVDC converter stations for voltage above 600kV［R］.December 2002.

［3］ 中國電力顧問集團特高壓系統研究組.特高壓電網目標網架規劃（討論稿）［R］. 2005.