电气工程

特高压同步电网安全性论证

汤涌，郭强，周勤勇，等

摘要：目的：“十三五”期间，为满足西部、北部大型能源基地开发外送和东中部用电需要，适应清洁能源更大规模的开发利用要求，应加快特高压骨干网架建设，优化电网格局，减少同步电网数量，扩大同步电网规模，推动构建统一同步电网，形成能源资源优化配置平台。这些新形势和新挑战将对电网的安全稳定特性产生重大影响。因此，对“十三五”特高压同步电网方案的安全性进行综合评估论证，并以研究结果指导中远期电网规划的调整。方法：根据《电力系统安全稳定导则》，首先从短路电流、静态安全性、暂态稳定性、动态稳定性等方面，对特高压同步电网方案的安全稳定性进行了全面评估。除了常规的典型故障校核外，考虑了近年来自然灾害频发对电网安全的影响，如同通道同送端的多回直流同时发生双极闭锁故障或者失去多个电厂等多重故障，并根据《电力安全事故应急处置和调查处理条例》要求，研究了特高压同步电网的承受能力及可采取的措施。在此基础上，深入论证了区域间解列控制、低频减载、低压减载等电网第3道防线措施的适应性，以及交直流混合电网安全稳定性与协调控制策略。结果：（1）特高压同步电网主要送电通道潮流在7～10 GW，主要联络线通道潮流在 3.5～6 GW，满足能源基地开发外送和大规模直流电力疏散要求。（2）通过省间1000/500 kV电磁环网解环和分区，能将全部短路电流控制在63 kA以下。（3）对三级安全稳定标准对应的典型故障进行仿真分析，均能满足《电力系统安全稳定导则》的要求。（4）大区间主要振荡模式有2个，分别是东部电网的湖南、江西机组相对于华东机组模式，西部电网的西北机组相对于川渝机组模式，且均具有强阻尼。（5）当重要输电断面发生极端严重故障时，依靠传统解列与自适应解列技术都可将联络断面解开，解列后在低频低压减载措施动作配合下，各地区电网均恢复稳定运行。相比传统解列技术，自适应解列技术恢复时间快，损失负荷量小。（6）对于锡盟、蒙西、准东等交直流混合输电系统，当相关输电通道发生极端严重故障时，采取直流紧急功率控制或直流功率调制，可以在特殊方式下显著减少切机量，解决潮流转移导致的暂态功角稳定问题。结论：（1）特高压同步电网安全稳定水平高，抵御单一故障、严重故障和多重故障的能力较强，动态稳定性主导振荡模式均呈强阻尼，完全满足《导则》规定的三级安全稳定标准要求。（2）通过合理配置第3道防线，在同时失去多个特高压交流/直流通道的极端严重故障情况下，依靠解列、低频减载、低压减载等第3道防线措施，可将同步电网成功解列，并维持解列后各区域电网稳定运行，可以避免发生连锁反应而导致的大面积停电。（3）特高压同步电网。形成了坚强的特高压交直流混合互联电网，系统稳定水平较好。利用交直流协调控制技术，可实现交直流系统相互支援，有效改善交直流混合输电系统稳定水平。

来源出版物：电网技术， 2016， 40(1)： 97-104.

入选年份：2016

环保型绝缘气体的发展前景

肖登明

摘要：目的：在1997年通过的全球变暖《京都议定书》中，SF6气体被列入受限制的6种温室气体之一。SF6气体单个分子对温室效应的影响约为CO2的23900倍，SF6的温室效应问题是一个不容忽视的全球问题，要彻底解决这一问题，则需要用温室效应较小而耐电强度与SF6相当的气体替代SF6。在研究新的绝缘气体替代SF6工作中，应该是电负性气体或卤化气体，实现高的绝缘能力，且具有较低的游离温度形成的高导热性能，以及复合截面大、低卤化成分的、环境友好的低 GWP值（全球变暖潜值）特性。寻找优良环境指标的SF6替代绝缘气体的研究在国际上处于刚刚起步阶段。在全球环境问题极为严峻的形势下，寻找一种新的能够取代 SF6的低温室效应气体显得尤为迫切，具有十分重要的意义。方法：SF6有特强的吸附电子的能力，其电负性比空气高几十倍。极强的电负性使得SF6气体具有优良的绝缘性能。当电极间在一定的场强下发生电子发射时，极间自由电子很快被 SF6吸附成为大离子，大大阻碍了碰撞电离过程的发展，使极间电离度下降，从而增强了耐受电压能力。近年来，国外对一些和SF6一样含有F原子的电负性气体进行了研究，它们有和 SF6比较相近的电负性，但温室效应和 SF6相比要小得多。研究得比较多的是八氟环丁烷（c-C4F8）、全氟丙烷（C3F8）、六氟乙烷（C2F6）。Kyoto大学研究了应用c-C4F8作为高压设备绝缘介质的可行性。实验结果表明c-C4F8混合物的大部分性能和SF6/N2混合物的性能相近，指出c-C4F8是一种有可能取代SF6的绝缘气体。J. L. Moruzzi等计算了C3F8的碰撞电离和电子吸附系数。S. R. Hunter等计算了脉冲汤逊实验条件下CF4，C2F6，C3F8和n-C4F10的电子漂移速度，第一次在低电场下获得这些混合物的漂移速度。P. Pirgov等测试C2F6和C3F8以及它们和Ar混合气体的电子漂移速度和扩散运动率，并获得了整个振动非弹性和冲量传输弹性电子和C2F6及C3F8的碰撞截面。H. Okubo等测量了C3F8、C2F6和N2混合气体在交流电场作用下非均匀电场中的放电和击穿特性。J de Urquijo等用脉冲汤逊实验研究了C2F6-Ar和C2F6-N2混合物的电子漂移速度、纵向扩散系数和有效电离系数。1997年美国国家标准和技术协会技术会议上把c-C4F8混合气体列为未来应该长期研究有潜力的绝缘气体。近些年来，国内外研究一种新的环保型绝缘气体——三氟碘甲烷（CF3I）。这种气体的GWP值与CO2气体相当，在环境中的半衰期只有1～2 d。2007年以来，国际上的研究人员不断在高水平国际刊物上发表关于CF3I绝缘特性和灭弧性能的研究报道。理论仿真结果和实验数据都表明，CF3I绝缘强度大约为SF6的1.23倍以上，综合考虑环境因素，CF3I极有可能在未来作为SF6替代气体投入实际应用。上海交通大学肖登明课题组从 2005起已全面开展SF6替代气体的研究工作，并在替代气体c-C4F8和 CF3I的绝缘特性研究方面得到一定成果。该课题组对c-C4F8混合气体在均匀电场环境下进行了汤逊放电的试验和蒙特卡洛模拟，并在较小的间隙（25 mm）下进行了非均匀电场的放电试验，初步掌握了c-C4F8混合气体的放电特性。同时采用脉冲汤逊放电法测量N2、CO2、CF4、c-C4F8、N2O和CHF3电子崩电流波形，分析了气体电子崩中可能发生的扩散、电离、附着、去附着和转化过程，并得出有效电离系数与分子数密度N的比值和漂移速度Ve。2012年起，该课题组采用基于稳态汤逊实验方法的玻尔兹曼方程对CF3I及其与N2、CO2、Ar、He、Ne及Xe等混合气体的电子输运参数进行了计算，进而对其绝缘性能进行了分析。与此同时，该课题组对CF3I及其混合气体在各种不同电场环境下的击穿特性进行了宏观实验研究。结果：墨西哥的J de Urquijo采用脉冲汤逊放电实验对CF3I、CF3I/N2和CF3I/SF6混合气体在100～850 Td范围内的电离系数α、吸附系数η、漂移速度Ve和纵向扩散系数NDL进行了测量，指出CF3I的临界击穿场强为437 Td远大于SF6的临界场强。在与N2混合比例达到 70%的时候，CF3I/N2混合气体的绝缘强度就能达到纯SF6的水平。东京电机大学研究了应用CF3I作为高压设备绝缘介质取代 SF6的可行性。2008年，采用标准雷电冲击实验分析测量了 CF3I、CF3I/N2和 CF3I/CO2混合气体的击穿电压特性以及电流开断能力。实验结果表明，纯CF3I的击穿电压为SF6的1.2倍以上，其中 60%～100%比例的 CF3I/CO2混合气体，其绝缘强度超过纯 SF6气体，且电流开断能力达到SF6的0.7倍左右。选取了集中含卤族元素的气体进行对比，利用它们与SF6的相对电气强度进行比较，研究表明，避免放电或者灭弧阻断放电过程中一个很重要的方面是要选用高电负性气体，使气体在放电过程中能够吸收电子。因此使用带有卤族元素所形成的基团取代烷烃类气体中的有机基团是一种改进气体绝缘性质的办法，研究结果发现，碳碳双键能够对于烷烃显著提升气体的绝缘性质，而碳碳三键同样能在双键的基础上进一步提高气体性能，但提升幅度相对双键略小。这种碳碳三键的优势在J. C. Devins的实验中也曾出现过，不同的是，他实验的气体是带有氰基的有机气体，而氰基中碳原子与氮原子也是由三键连接，因此可以验证三键化合物对气体性质的积极影响。卤族元素能够利用强电负性提高气体的绝缘性能，并且随着卤族元素原子量的增大，这种变化更加明显，突出体现在CF3I已经具有了类似SF6的绝缘性能。CCl2F2也具有了相似的电气强度，但由于氯元素在紫外线的照射下会分解出氯原子，对臭氧层造成破坏，氟氯代烷的使用受到了限制。c-C4F8的绝缘性能受到很多学者的关注，环丁烷与1-丁烯的分子式相同，但由于利用氟元素取代环丁烷中的氢元素后，c-C4F8的绝缘性能显著提升。利用卤族元素提高气体电负性的做法并不仅仅局限在卤族元素本身对氢元素的取代上，也可以利用一些本身含有卤族元素的基团，例如-SF5等，来取代氢元素，由此产生的CH3SF5也表现出了很好的绝缘性质。为了更好的阻断放电过程，优质的绝缘气体在绝缘特点方面应该既具有较大的总碰撞面积，保证有更多机会碰撞或吸收电子，同时又具有强电负性，与电子发生非弹性碰撞但又避免发生电离。因此考虑将前文中叙述的增加总碰撞面积的方法与加强电负性的方法相结合，一方面选用气体分子中存在双键甚至三键，另一方面用卤族元素取代原化合物中的氢元素。除此之外，还有例如全氟丙烯（C3F6）等氟代烯烃等气体也具有良好电气性能的潜质，且全氟丙烯的沸点约为243.6 K，即-29.6℃，可以实现低温地区的绝缘使用。结论：八氟环丁烷（c-C4F8）的相对电气强度为1.3，应继续研究c-C4F8

与一些缓冲气体构成的混合气体，抑制导电碳微粒析出，并降低液化温度，初步应用于GIT和C-GIS的电力设备。综合考虑环保特性、绝缘特性和液化温度，可以优先考虑采用CF3I混合气体用于中低压系统的C-GIS、高压系统的 GIL、GIT等电力设备中。除了六氟 1，3-丁二烯以及八氟-2-丁烯这两个沸点高于0℃的气体不适用于低温地区，仅能与其他缓冲气体混合使用，其余气体在绝缘强度、沸点以及环境保护数据方面都具有很替代SF6的优势，特别是六氟二丁炔（C4F6），具有显著高于SF6的电气强度。而C3F6由于具有对气压的敏感性，可以通过加压的方式实现高强度，因此也具有竞争力。

来源出版物：高电压技术， 2016， 42(4)： 1035-1046

入选年份：2016