特高压直流输电工程可行性研究主要技术原则
[关键词]特高压，直流输电，可行性研究，技术原则
0、引言
我国地域辽阔，发电能源和用电负荷的分布又极不均衡。华东、华南沿海地区发达，电力市场空间大，能源却最为匮乏；西部地区经济相对落后，用电水平和需求低，而能源资源丰富。以水力资源为例，全国水电技术可开发容量约540GW，其中22%分布在四川，20%在西藏，19%在云南。这一客观现实决定了我国电力跨区域大规模流动的必然性。同时，随着经济的发展，土地资源越发匮乏和宝贵，电网发展与建设受到走廊资源、站址资源的制约越发明显。±800kV特高压直流不仅输送容量大、损耗小、送电距离远，而且可以节约宝贵的输电走廊资源，提高输电通道走廊的利用率。特别是对于受端电网，换流站站址、接地极与接地线线路走廊的选择非常困难，±800kV特高压直流输电方案不仅降低了工程实施的难度，而且更重要的是符合国家可持续发展战略要求。因此特高压直流输电技术是我国电力跨区域大规模输送的必然选择。“十一五”云南至广东±800kV特高压直流输电工程已于2006年12月开工建设，“十一五”至“十三五”期间规划建设的特高压直流输电工程还有7-9个。目前，特高压直流输电技术在全世界都还没有成熟的应用经验，在可行性研究阶段不仅需要对电磁环境影响、绝缘配合和外绝缘特性等关键技术进行研究，而且还需要结合特高压的特点对输电方案拟定、换流站站址及接地极极址选择、线路路径选择以及系统方案比较等主要技术原则进行充分论证，才能为项目业主和政府主管部门提供可靠的决策依据。
1、输电方案的拟定
输电方案是所有工程包括特高压直流工程可行性研究的核心内容。目前我国规划建设的特高压直流输电工程，每回输送功率为5000-6400MW，比国内已建的500kV直流工程每回输送功率高67%～113%。大容量的功率输送必然会对电网的规划建设和安全稳定运行带来更大的影响。因此，拟定特高压直流输电方案时需要对相关因素作更全面的考虑。
(1)特高压直流输电建设的必要性和送电方向一般应在电网的中、长期规划或者是特高压输电系统专题规划中论证明确，并以此指导特高压直流可行性研究阶段输电方案的拟定，可行性研究阶段宜侧重于特高压输电方案技术可行性和安全性的研究。拟定特高压输电方案要符合规划的总体要求，有利于电网的安全稳定和经济运行。
(2)特高压直流输电在世界输电史上前所未有，没有可供借鉴的经验，缺乏相应的技术标准，因此在世界上首批特高压直流输电工程的输电方案研究中，应对特高压换流、逆变系统设备制造、试验技术的可行性和技术路线进行充分调研、论证，并开展设计、安装和验收技术标准的研究，排除或暴露特高压直流输电技术应用可能存在的颠覆性因素。
(3)特高压直流均为跨省或跨大区输电，送受端输电方案需要分别拟定和研究。送端换流站的选择要尽量靠近电源，便于电源的汇集，避免外送潮流迂回和穿越送端主网。受端换流站的落点应考虑对受端网架格局的影响；注意多个直流落点间保持适当的电气距离；若接受的是水电，还要注意研究受端网架结构对水电季节性特点的适应性问题。
(4)特高压直流孤岛运行双极闭锁后可能会出现难以解决的严重过电压，因此方案拟定一般应尽量避免出现孤岛运行方式，换流站与交流电网应保持较强的联系，尽可能维持较高的短路比，为特高压直流创造良好的运行条件。
(5)方案拟定重点是：送端拟定电源接人换流站及换流站与电网的联接方案，受端拟定不同落点与受端电网的联接方案，送受端均应拟定多个方案进行研究比较。如果是水电基地多回直流外送，还应按整体最优的原则先对送端换流站群的组合方案进行比较选择。
2、系统方案比较
2.1、送端换流站站址组合方案比较
当外送电源是一组巨型水电站，装机容量大，需要采用多回特高压直流送电，送端规划建设的不只是一个换流站而是一个换流站群(如金沙江一期的溪洛渡和向家坝电站的特高压直流输电工程，送端有3个换流站)。因此就需要按整体最优的原则，对送端换流站群站址的确定和接入系统方案进行总体论证，而不仅仅是孤立地研究单个换流站，从而为输电方案的拟定奠定基础。
2.2、特高压直流输电容量论证
根据有关研究，采用±800kV特高压直流输电，当输送容量达到或超过500万kW时，输电经济性较优。特高压直流输送容量主要由设备技术的可行性、电网安全稳定性及经济性3个方面的因素决定。我国特高压直流最快也要在2010年左右投运，届时各大区电网都达到相当的规模，一般都可满足单回特高压直流输送较大功率的安全稳定要求。但对不同的电网，针对不同的特高压直流工程，需要进行详细的稳定分析，以确定输送容量对电网的影响。
2.3、直流导线截面的选择
特高压直流输电工程由于电压等级高，线路在同等条件下的电晕效应包括电晕损失、无线电干扰和可听噪声等，明显比超高压直流输电工程更大。特别是线路经过高海拔地区时，这一问题更加突出。因此特高压直流输电线路导线截面的选择除要从经济性要求出发，比较经济电流密度、电能损耗以及年运行费外，更要特别考虑电晕产生的可听噪声等环境影响因素对截面选择的制约。
2.4、输电方案比较
特高压直流由于输送功率大，对电网全局的影响也相对较大，因此特高压直流输电方案的比较更侧重各方案对输电能力以及电网安全稳定水平的影响。
不同的特高压直流输电工程又有各自的比较研究重点。对云广特高压直流，交直流并联运行时强直弱交现象突出，需要重点研究提高输送能力的措施。金沙江一期溪洛渡及向家坝水电站采用3回特高压直流输电，每回送电容量达到640万kW，为保证发生直流单极闭锁故障时电网也能保持稳定运行，拟定了多种换流站群组与交流主网的联接方案，并进行比较研究。同时，由于送端集中的容量大，短路电流水平也是金沙江一期特高压直流送端输电方案比较的一个重要内容。
受端输电方案比较的重点是落点的选择，落点的不同会对受端电网的格局产生不同的影响，从而造成不同方案间技术上和经济上一系列的差别。落点的选择要与电网的整体规划紧密结合。若接入的是水电，要注意比较不同落点的输电方案，考虑水电季节性特点和参与调峰的受人功率大幅度变化时相应网架的适应性问题。
3、换流站站址选择及接地极极址选择
在特高压直流输电工程设计中，合理选择换流站站址和接地极极址是优化工程设计、降低工程投资、确保工程安全稳定运行的基础，也是可行性研究设计阶段主要的工作内容之一。特高压换流站站址与接地极极址选择应主要把握以下基本内容。
3.1、换流站站址选择
(1)大件运输：特高压换流站大件设备数量很多，运输设备尺寸大、重量大，运输方案与设备选型、换流站布置及设备制造难度等各种因素密切相关，运输方案需综合优化。对内陆未沿大江大河的地区，大件运输往往是判断换流站站址是否合理或成立的关键。特高压换流站的大件设备主要是换流变压器和平波电抗器。一般来讲，影响站址选择的因素主要是换流变压器。
(2)对水源条件的要求：空气绝缘水冷却阀是近代直流输电工程的主流。阀冷却水的冷却(即外冷系统)一般采用水喷淋(湿冷)，对输送容量为5000-6400MW的特高压换流站，全站耗水量约为60-70m3/h。[4]中的第5.0.4条要求：“……当采用地表水作为供水水源时其设计枯水流量的保证率取97%”。对于特高压换流站，汇集的水电规模巨大，换流站停运将造成水资源白白流失，并可能危及电网的安全稳定运行，因此特高压换流站供水水源的可靠性应适当提高。相对于发电厂，特高压换流站耗水量较小，适当提高供水保证率难度并不大。对于同一地区内有多个换流站的情形，为便于业主统筹管理，合理调配，使各站所需的水量及水质均能得到可靠保证，且减少各站的运行维护工作量及相关的运行人员，可行性研究阶段有必要对多站共用水源或联合供水的方式进行研究。
(3)大气环境影响：目前特高压换流站直流场外绝缘设计针对户内、户外直流场选型有多个方案可供选择，而污秽水平是影响方案确定的关键因素之一。当污秽水平较高需要选择户内直流场时，每个换流站直流场造价将增加3000万元左右。因此特高压换流站的站址选择需要加倍重视大气环境对换流站的影响。
(4)可听噪声影响：从我国已投运的±500kV直流换流站的电磁环境测试来看，存在的一个突出问题是换流站的可听噪声太大。由于直流偏磁及谐波电流等因素，换流变压器、平波电抗器及交流滤波器等设备的噪声很难从制造设计中得到有效控制(或控制的代价很高，或导致设备体积庞大，不能运输)，其噪声一般都达到95-110dB。换流站设备数量庞大，_±800kV特高压换流站换流变压器可多达24台，交流滤波器14-20组，采取工程措施进行噪声治理技术复杂、难度大、投资高。在目前的工程实践中还没有出成熟、易行的方法。因此，在换流站选址阶段选择适当站址，避开村、镇居民聚居区等噪声敏感源，是解决换流站对周围环境影响的最根本、有效的方法。
3.2、接地极极址选择
(1)极址场地要求：由于特高压直流接地极人地电流大，如金沙江一期溪洛渡及向家坝水电站送电华中及华东±800kV特高压直流输电工程接地极额定人地电流达4kA，为满足温升、跨步电压等要求，接地极布置尺寸将会很大，要求极址场地的可用面积大、土壤导电性能好、导热性能好、热容率高、表层土壤厚和深层大地电阻率低。
(2)极址共用：由于特高压直流接地极对极址场地要求更苛刻，对环境和其他设施影响更严重，并且由于特高压直流大容量、远距离输电的应用特点，特高压直流接地极所处地区不是西南山区，就是东部发达地区，因此极址资源非常有限。为节省工程造价、减小对环境和其他设施的不利影响，充分利用有限接地极极址资源，若2个或多个接地极处于同一地区内，应对2个甚至多个接地极共用极址方案进行论证。
4、线路路径的选择
4.1、走廊宽度
特高压直流线路走廊宽度由合成场强控制，根据目前达成的共识，湿导线情况下地面未畸变合成场强按15kV／m考虑，据此出特高压直流线路(6×630／45导线)走廊宽度，按水平V串排列方式为76m，水平I串排列方式为84m，而±500kV直流线路的走廊宽度在50m左右。由于走廊宽度的增加，在路径选择时，应注意线路中心线与其他相关设施之间需保持足够的间距。
4.2、对地距离及交叉跨越间距
确定导线对地最小距离的决定因素是合成场强和离子流密度。根据目前确定的合成场强和离子流密度控制值，非居民区导线最小对地距离I串排列时为18m，V串排列时为18.5m；居民区导线对地最小距离I串时为21m，V串时为21.5m；人烟稀少的非农业耕作地区导线对地最小距离I串时为16m，V串时为17m。
直流特高压线路与铁路、公路、弱电线路、电力线路、建筑物及河流等交叉时，交叉跨越间距均有较大增加。由于对地距离及交叉跨越间距的增大，在路径选择时，应充分利用地形条件，以缩短交叉跨越档距，减小交叉跨越塔高度，尽量避免大档距、大高差及大跨越的出现。
4.3、条件恶劣地段
鉴于直流特高压线路的重要性，在路径选择时，应尽量避开重冰区、重污秽区、困难地区、采空区及不良地质现象发育地区。当无法避开时，应尽量缩短自然条件恶劣地段的长度。
5、其他关键技术
特高压直流输电工程由于输送容量大，电压等级进入特高压范畴，换流站和线路工程在电磁环境影响、绝缘配合、外绝缘特性、无功补偿配置、换流阀组、直流场接线以及总平面布置等方面均有其自身特点，技术难度大，也是可行性研究阶段的主要技术内容，需要结合工程的自然地理环境和两端电网情况进行深入的研究和论证，初步确定其主要技术原则和方案。
6、结语
(1)特高压直流输电的显著特点之一是输送功率大，可达5000-6400MW，比国内已建的500kV直流工程每回输送功率高67%-113%。大容量的功率输送必然会对电网的规划建设和安全稳定运行带来更大的影响。因此，拟定特高压直流输电方案时需要对相关因素作更全面的考虑。
(2)特高压直流由于输送功率大，对电网全局的影响也相对较大，因此特高压直流输电方案的比较更侧重各方案对输电能力以及电网的安全稳定水平的影响。
(3)特高压换流站站址与接地极极址选择的基本原则与常规换流站相同，但由于特高压直流输送容量更大、电压等级更高，可靠性要求更高，需考虑的因素更复杂，应对大件运输、水源条件、大气环境和可听噪声等建设条件进行重点论证。
(4)特高压直流线路路径选择需注意线路走廊宽度、导线对地距离、交叉跨越间距、铁塔高度、基础尺寸、地面合成场强、离子流密度、无线电干扰及可听噪声均比常规线路大的特点，重视对环境和其他设施的影响。
