特高压直流输电技术及环保型GIL发展的现状与关键问题分析

胡未洪

（国能浙江北仑第一发电有限公司,浙江 宁波 315800）

电力系统主要由发电、变电、输电、配电、用电五个环节构成。作为电能生产和电能交换使用的中间环节，输电技术是电力系统的重要组成部分。随着国民经济的蓬勃发展，我国的电力系统已经越来越向着特高压、大容量、大电厂、大机组和高度自动化发展。由于电能是不可大量储存的二次能源，故发电量、用电量迅速增长的态势，给我国电力网络的输电环节带来了巨大的挑战。

输电系统的电压等级可以分为高压、超高压和特高压。在交流输电系统中，高压（high voltage，HV）指的是10 kV～220 kV的输电系统，超高压（extra high voltage，EHV）指的是330 kV～750 kV的输电系统，交流特高压（ultra-high voltage，UHV）的电压等级范围在1 000 kV以上。目前世界上最高电压等级的交流输电系统是我国的1 000 kV输电系统。而对于直流输电系统，各电压等级的划分是不一样的。直流输电系统不使用500 kV以下的高压输电等级，这是因为直流输电技术的优势只有在超特高压、远距离输电时才可体现。我国现有的超高压直流输电技术（high voltage direct current，HVDC）主要是±500 kV直流系统。直流特高压电压等级包含了±800 kV和±1 100 kV两种，目前世界上最高电压等级的直流输电技术所使用的就是±1 100 kV电压级。

1 特高压直流输电技术概述

1.1 发展特高压输电技术的必要性

随着社会的进步与我国工业化发展的快速迈进，低功耗、长距离、大容量的电力输电网络建设已经成为我国电力行业发展的历史必然趋势[1]。

（1）我国正处于城镇化与工业化快速发展的关键阶段。全社会用电量从2005年的2.5 万亿kW·h增长至2020年的7.5 万亿kW·h。电力系统越来越向着大容量、高电压发展，年发电量以及年装机容量逐年增长，这也给输电网络带巨大的挑战。特高压输电网络的建设，能够提高电网对于各类能源的承载与传输接纳水平，改善电网的调峰特性[2]，更容易完成坚强电力网络的建设。

（2）我国特有的负荷中心与能源资源的逆向分布。在特高压电网建设过程中，能源资源与负荷中心的电力配置涉及电网的经济性、安全性、灵活性与稳定性，是一个需要综合考虑的问题。我国幅员辽阔，西北地区相较东部地区地广人稀，用电量较小，而东部地区呈现出以华北、华东与南方三个负荷中心为主要高密度的负荷用电区域，这些负荷区域与现有大规模水煤资源基地的距离大都在800 km～3 000 km范围。由此我国大力实施了南水北调、北煤南运、西气东输以及西电东送等调节区域资源负荷不平衡的政策措施。

（3）大规模清洁能源并网输送的需求。在2020年9月举办的第七十五届联合国大会上，中国首次提出了2030年努力使碳排放达到峰值以及2060年前力争实现碳中和的“双碳”目标[3]，这体现了我国在新时代发展绿色经济的决心。就此，我国的能源结构将从传统的火电形式向清洁能源多轮驱动的能源供应体系转变。然而，由于光伏和风电等清洁能源存在波动性、间歇性、随机性以及不可大量储存的缺陷，如何解决输电网络对上述清洁能源的接纳问题成为国内外重要的研究方向。柔性直流输电技术基于电力电子器件对于潮流的灵活控制能力能够缓解发电、用电功率对电网的冲击，尤其是对于偏远山区电场，能够大幅削弱清洁能源发电所带来的间歇性、波动性问题，成为新型电力网络发展的重要趋势[4-6]。

1.2 特高压直流输电的优势

我国电力系统的电能输送形式以交流输电为主，直流输电技术由于换流站造价高于交流输电技术中的变电站，且受端用户所使用的都是三相交流电，故采用较少。目前，虽然直流输电技术应用较少，但是直流输电技术由于在超特高压领域体现出在经济、灵活以及稳定运行等方面的优势，已经逐渐成为未来输电系统设计的重要方向。具体来讲，特高压直流输电的优势可以概括为以下四点。

（1）节约线路成本及运行费用。直流输电技术用正、负两根导线替代了交流三相的三根导线，因此输送相同容量电能时直流输电技术的成本仅为交流输电技术的2/3。换言之，在输送相同容量电能时，直流输电的输送容量是交流输电的1.5倍。在特高压长距离输送时，减少一根导线的成本是极为可观的，能够节省大量有色金属、钢材和绝缘材料等耗材。此外，由于减少了一根导线的投资，所带来的经济优势还包含了年运行费用、线路走廊占地以及杆塔成本的节约。因此，在线路成本与运行费用上直流输电技术能够大幅缩减电力系统输电的投资成本。

（2）运行更加稳定可靠。直流系统的频率f恒为零，所以不存在电抗X，也就没有了静态稳定性PM的要求和电容充电电流的问题。并且，由于两个系统之间不会由于电抗压降等因素产生频率波动，直流电网十分容易完成互联。而交流输电系统中两个系统由于连接距离较远，会在连接线上产生一定的压降，使得两侧电网的频率不一致，无法进行同步运行，从而很容易造成电压、频率、相角差的问题。此外，在应对极端停电事故，例如单相接地短路时，交流输电系统由于三相之间的关系往往会造成全系统停电，而直流输电系统仅需要停运一根正极或负极导线，另一根导线则利用大地作为回路，输送一半以上的电能。由此可见，直流输电系统对于保障电力系统安全平稳运行也具有一定的优势。

（3）潮流控制更加迅速。直流输电系统引进了大量的电力电子开关器件，能够在日常运行时通过换流器快速调整系统有功与无功功率的收支平衡与方向，这不仅可以保证系统的稳定运行，还为电能质量的提高做出了突出贡献。当交流系统受到了扰动时，直流系统中的电力电子器件还能够通过调节直流功率从而抵消交流系统因扰动引起的功率波动。尤其是在发生潮流事故时，直流系统中的器件能够快速调节功率大小并实现潮流反转以提高系统运行的可靠性。

（4）提高电能输送距离和经济容量。交流输电技术的输电距离一般被限制在千公里范围内，而输电容量通常也在5 000 MW以下，而直流输电技术在特高压领域的输电距离和输电容量可以得到成倍的增长，两者典型的输电距离和容量对比如表1所示。

表1 特高压交直流线路的输送距离与容量[2]

1.3 特高压直流输电的缺陷

（1）直流换流站的造价较高。由于受电侧用户使用的都是交流电，要想完成直流输电，需要进行如下电能转换：在送电时将交流电整流成为直流电，在受电时又需要将直流电逆变成为交流电，才可供用户使用。在上述电能变换系统中，将交流电整流成为直流电的节点称为整流站，将直流电逆变成为交流电的节点称为逆变站，整流站和逆变站也被称为直流输电的换流站。直流换流站一般采用成千只大电流晶闸管来串联得到巨型桥阀，还附带有电容电抗器、分压电阻、冷却绝缘结构等，相较于交流的变电站，直流换流站的投资数额巨大。

（2）无功功率的大量消耗与电网谐波污染。电力电子开关器件的大量引入消耗了大量的电网无功功率，整流站消耗的无功功率占有功功率的35%～55%，逆变站占45%～65%。此外，电力电子器件工作时还会产生谐波电压与电流，会造成发电机过热与通信干扰等问题。为了治理电网的谐波干扰与污染问题，一般都在交直流侧安装合适的滤波器，兼具无功补偿装置来使用。

（3）直流断路器的研制困难。直流电弧不存在类似交流电弧那样的自然过零点熄弧的特性，故在熄灭电弧时存在较大的挑战。目前，直流断路器的造价较高，且对于较大电流值的电弧难以快速熄灭，工程中一般使用闭锁换流器的控制脉冲发挥断路器的功能，当电流降到零时熄灭电弧。

2 环保型特高压直流输电技术的发展现状与关键问题分析

距离第七十五届联合国大会上中国首次提出“双碳”目标已经过去一年多，在此背景下，我国的能源结构正从传统的火电形式向清洁能源多轮驱动的能源供应体系转变。如今，内陆和海上的大型风电场以及太阳能发电站正在规划或建设中，这就需要可靠和经济的电力传输技术。20世纪60年代气体绝缘开关设备技术（GIS）和输电管道技术（GIL）首次被发明至今，受到了全世界电网建设者们的一致重视与研究投入。因此，GIL输电被认为是“双碳”背景下解决我国输电重大需求问题的关键性办法之一，尤其是直流特高压GIL，能够充分利用直流传输在长距离下的巨大优势，应该得到进一步的探索与研究。图1列举了目前紧凑型特高压直流GIL输电线路的主要研究热点。

图1 紧凑型GIL研究热点总结[7-11]

2.1 SF6替代气体

六氟化硫（SF6）是一种无毒无味不可燃并具有稳定化学惰性的气体，由于其具备较好的绝缘强度、灭弧性能以及经济性，在特高压绝缘领域得到了极为广泛的利用，尤其是在目前特高压±500 kV和±1 000 kV的GIL和GIS中已经占据了主要地位。然而，SF6也造成了严重的环境问题。SF6气体被《联合国气候变化框架公约的京都议定书》（以下简称《京都议定书》）确定为七种主要的温室效应气体之一，其全球变暖潜能值（GWP）是CO2的23 500倍。此外，SF6在大气中的寿命长达3 200年，排在了《京都议定书》清单的榜首。SF6气体的应用虽然在短期内满足了电气设备的绝缘灭弧需求，但从长期来看势必会阻碍全世界碳排放与碳治理的重要进程。为了严格限制SF6的使用和排放，目前最为常用且有效的办法就是用其他较低GWP的惰性绝缘气体取代部分SF6。这些绝缘气体必须满足较高的安全稳定性，具备不易分解的特性，更为关键的是要能在特高压领域具有出色的绝缘性能。以下将对目前国内外所研究的SF6主要替代气体的上述性能进行总结，并通过单一气体完全替代技术以及多元气体的混合替代技术进行了分类。

2.1.1 混合替代方案

全氟碳气体中目前最可能替代SF6的是全氟环丁烷（c-C4F8），其表现出非常高的介电强度[12]，而其绝缘强度也约为SF6的1.3倍，GWP为8 700，是SF6的38.2%。此外，c-C4F8还具有无毒、不破坏O3、热稳定性高等特点。但是，由于其高沸点（-8 ℃），c-C4F8不能对SF6完全替代，一般与CF4、N2、CO2或空气混合使用。

此外，国内外许多学者还尝试使用含SF6的混合气体，以此降低SF6的使用量，但是尤其要注意设备绝缘性能的下降问题。比如SF6/N2二元混合气体的替代技术，目前已较为成熟，许多国内学者对此进行了大量的仿真研究。屠幼萍等[13]基于Peng-Robinson（PR）状态方程和van der Waals混合规则对SF6/N2的露点温度进行了仿真计算。肖晓林等[14]基于PIC法对SF6/N2混合气体中绝缘子表面的露点温度进行了仿真计算。此外，SF6/N2二元混合气体的SF6替代技术在许多国家已经投入运行实践，比如瑞士日内瓦机场采用SF6/N2混合气体来替代SF6完成了220 kV GIL线路的运行使用。

2.1.2 完全替代方案

由于SF6所带来的温室效应问题之紧迫，也有不少研究者积极探索了SF6气体的完全替代技术，力争实现SF6温室效应问题的根除。SF6完全替代气体绝缘必须满足环保指标，并具备无毒、优良的电气性能，才能实现在不降低设备绝缘安全性能的同时，改善温室效应对环境带来的破坏问题。以下将主要从上述性能指标来衡量绝缘气体是否具备完全替代SF6的可能性。

（1）g3（green gas for grid）气 体 由3MTM公 司 与GE共同研发，该气体对全球变暖的影响比SF6小98个百分点，而其性能却可与SF6相媲美，是目前发展特高压交直流输电的一项重要环保技术。g3气体是基于4mol%或6mol%NovecTM4710液体浓度根据一定的工作温度和压力制得的。Kieffel等[8]通过大量实验测试了g3的特性和性能，相比于SF6高达23 500的GWP值，g3的GWP值降低了98个百分点或更多，且其在耐受高温、介电强度等多个方面都展现出了极为优异的性能。该气体虽已被确定为低毒性，但与SF6相比，g3不被归类为致癌、诱变和生殖毒物的气体。在多数情况下，可以被用作SF6的完全替代气体。

（2）全氟碳类化合物因氟元素极强的电负性都具备了良好的绝缘性能，目前常见可利用的全氟碳类化合物有全氟甲烷（CF4）、全氟乙烷（C2F6）、全氟丙烷（C3F8）和全氟环丁烷（c-C4F8）等，这些全氟碳的GWP均低于SF6，且介电强度都与SF6相当，都具备了良好的绝缘性能。表2比较了常见的全氟碳类替代SF6气体的性能特点。

表2 常见的SF6可替代全氟碳气体的性能比较

CF4和C2F6的大气存活寿命分别长达5万年和1万年，不利于大气的自愈循环。此外，在安全性方面，CF4可能会导致窒息疾病。因此，CF4和C2F6不宜用作SF6的替代气体绝缘。因此，全氟碳气体中目前最可能替代SF6的是C3F8和c-C4F8，尤其是c-C4F8表现出最高的介电强度[16]，而其绝缘强度也约为SF6的1.3倍，GWP为8 700，是SF6的38.2%。此外，c-C4F8还具有无毒、不破坏O3、热稳定性高等特点。但是，由于其高沸点（-8 ℃），c-C4F8不进行SF6的完全替代，使用时应注意与CF4、N2、CO2或空气混合使用。研究表明，C3F8的GWP约为8 830，仅为SF6的38.7%。另外，C3F8气体对大气平流层中的臭氧无害，还具有低毒、良好的热稳定性、相对较低的沸点以及与SF6相当的绝缘强度[13]。因此，C3F8和c-C4F8都有可能取代SF6成为一种可利用的环保绝缘气体。

2.2 电磁环境控制

目前，国内外许多研究者对特高压输电线路所产生的电磁环境问题开展了火热的研究。工频磁感应强度、工频电场强度、无线电干扰与可听噪声共同构成了输电线路设计的电磁环境指标[14]。输电线路电磁环境问题不仅影响了输电线路居民的日常生活，还对附近工频电场、磁场以及无线电等造成了较大的干扰，尤其在高海拔区域，由于实验基地低气压、污秽污染等环境问题，输电线路的电磁环境问题愈加严重[10]。在特高压输电线路周围，常常产生紫色的放电电弧，并伴有“滋滋”的噪声，该现象被称为电晕放电。在高电压领域，电晕放电是指极不均匀场所特有的一种自持放电现象，由于特高压输电线路附近的局部场强严重畸变，在高场强区域即线路表面及周围空气中更容易产生局部的放电现象。电晕放电会造成线路的电晕损耗、无线电干扰等各方面问题，其中，可听噪声问题严重影响了附近居民的生活，而无线电干扰使得通讯信号在传输过程的滞后、阻断甚至污染，已经成为特高压输电线路导线设计的关键性问题。

3 结语

随着我国用电发电的总量不断增长，以及使用清洁能源的环境限制与“双碳”目标下，全球来自可再生清洁能源的输送需求也在增长，特别是随着大型光伏电站和海上风电能源的大力发展，对输电技术电压等级的提高提出了新的要求。清洁能源的波动间歇性，更对特高压输电技术提出了更高稳定性等要求。在此背景下，加深特高压直流（UHVDC）技术输送电能的研究十分必要。

随着下一代UHVDC远距离大容量输电技术的升级与转型，紧凑型GIS/GIL系统的需求预计将在未来几年大幅增长，具体的研究热点主要包含紧凑化结构研究、带电作业、大负荷试验、电磁环境研究以及SF6环保气体替代技术。SF6环保气体替代的研究对实现我国在2020年提出的双碳目标至关重要，拥有可行的完全替代方案固然是美好愿景，但是现有的研究还不足以实现。诸如g3等替代气体在特高压环保GIL的运行中仍然面临尺度效应、气体供应不足和标准缺失等多项挑战。SF6/N2、CF3I/CO2等混合气体的关键技术研究和样机研制相对更成熟，但运行中仍存在不确定性，可推广应用于110 kV 以上电压等级，也可逐步取代变电站 GIS长母线进行相应测试，同时，仍需开展多项关键技术的攻关研究，借鉴现国外线路运行的现有的研究成果和工程经验，开展110～ 550 kV 电压等级的样机研制及应用，便于提升设备的环保效益。