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高壓直流輸電關鍵技術現狀及發展趨勢

一、國內外技術現狀及發展趨勢　　高壓直流(HVDC)技術,自50年代興起后，已經歷了40多年的發展,成為一項日趨成熟的技術。至1995年,世界上已n成功投運的HVDC工程已達62項，預計至2002年,世界還將有約20項HVDC工程投入運行。80年代,隨著可控硅技術以及世界電網技術發展，HVDC技術得到一個階躍性的發展。其一,由于聯網的要求，背靠背工程有14項，約占新建工程的一半;其二,建成了目前世界上最長的直流線路．1700KM的扎伊爾英加—沙巴工程以及電壓等級最高(士600KV)、輸送容量最大(3150MW)的巴西伊太普工程。90年代，世界第一個復雜的三端HVDC工程(魁北克—新英格蘭工程)完成，并建成了世界上最長的海纜(250km)HVDC工程(瑞典—德國的BALTIC工程)。　　亞洲地區的HVDC技術開始興起。菲律賓、南韓、馬束西亞、泰圍、印度、日本和中國都相繼開始HVDC工程的建設和研究，已建和計劃中的工程約有15項。　　隨著電網技術和電力電子技術的發展，HVDC技術將會繼續深化其可控性強的特點，同時克服其對電網帶來的一些不利因素(如諧波)及投流站造價較高的弱點，加強其在電網發展中的作用。?二、技術開發的總體目標和重點任務　　根據葛上和天廣HVDC工程及三峽工程、西電東送工程以及全國聯網工程的需要，發展我為的HVDC技術；重點開發遠距離高壓直流輸電和背靠背HVDC技術，借鑒國內外的經驗，確保三峽HVDC工程的成功建設和運行；實施HVDC主設備國產化工程。?三、主要技術開發內容及指標(一)制定與國際接軌HVDC技術標準及HVDC工程設計規范。(二)工程運行技術1.直流系統控制保護策略研究;2.直流與交流系統和設備控制保護的協調配合的研究;3.交直流系統相互影響的研究;4.換流站交流諧波及其濾波器的研究;5.新型換流站運行人員監控系統的開發研究;6.接地極的研究。(三)HVDC技術研究手段的完善與開發l.HVDC工程系統研究、設計軟件包的完善與規范；2.HVDC一、二次設備新型數學模型的完善與開發;3.HVDC接地極研究軟件的開發。(四)背靠HVDC系統的研究,包括電壓等級的選擇、主設備參數列選、系統及其控制策略的研究等。(五)直流輸電新技術的研究，包括自動可調交流濾波器與有源直流濾波器的開發研究，戶外閥技術、串聯電容器的換流器技術(CCC)、深埋接地極技術、多端直流技術等。(六)HVDC主設備國產化。?四、經濟、社會效益和市場前景　　上述研究開發工作將直接服務于我國三峽輸變電工程和全國聯網工程以及已建和在建中的HVDC工程,可促進我國自行進行工程規范設計、以及部分主設備國產化的需求,并能提高HVDC工程運行的可靠性，將產生世大的社會經濟效益。

2021

01-09

超高壓輸電線路絕緣子的可靠性評

摘要：文章提出和論述了評價超高壓（EHV）輸電線路絕緣子可先靠性的五項準則：壽命周期、失效率、失效檢出率、事故率和可靠性試驗。并由此得出結紙：為提高EHV輸電線路的可靠性，應優先采用玻璃絕緣子，集中力量研制復合絕緣子，加大改造力度以提高瓷絕緣子的制造水平。關鍵詞：超高壓輸電絕緣子可靠性評價線路絕緣子性能的優劣直接影響到輸電線路，特別是超高壓《EHV》輸電線路運行的可靠性和經濟性。因此，如何評價EHV輸電絕緣子的可靠性，已成為電力部門和絕緣子制造部門尤為關注的問題。在架空輸電線路上現在使用的有三種材料絕緣子——瓷絕緣子、玻璃絕緣子和有機復合絕緣子。我國目前的生產現狀是以生產和使用瓷絕緣子為主，玻璃絕緣子國內生產能力只占國內絕緣子總需求量的20%；我國復合絕緣子的研制起步較晚，由于近年來國內外在此技術上的進展較快，生產和使用量已呈上升態勢。1對絕緣子可靠性評價的五項準則運行的可靠性是決定絕緣子生命力的關鍵。最好的評價是大量絕緣子在輸電線路上長期運行的統計結果和可靠性試驗所反映出來的性能水平。因此，評價絕緣子應遵循下述準則：⑴壽命周期產品在標準規定的使用條件下，能夠保持其性能不低于出廠和標準的最低使用年限為“壽命周期”，此項指標不僅反映絕緣子的安全使用期，也能反映輸電線路投資的經濟性。我國曾先后多次對運行5—30年的玻璃和瓷絕緣子進行機電性能跟蹤對比試驗。結果表明：玻璃絕緣子的使用壽命取決于金屬附件，瓷絕緣子的使用壽命取決于絕緣體。玻璃絕緣子的壽命周期可達40年，而瓷絕緣子除全面采用國外先進制造技術后有可能較大幅度地延長其壽命周期外，其平均壽命周期僅為15—25年，復合絕緣子經歷了“三代”的發展。但從迄今世界范圍內的試驗及運行結果分析來看，其平均壽命周期只有7年。⑵失效率運行中年失效絕緣子件數與運行絕緣子總件數之比稱為年失效率。對于國產玻璃絕緣子，其壽命周期內平均失效率為（1—4）×10-4/a[1]A，對于國產瓷絕緣子的失效率，除個別合資企業產品將有可能降低外，比玻璃絕緣子約高1—2個數量級；對于復合絕緣子，由于壽命周期不能預測、復合材料配方和制造工藝還不能安全定型。其失效率很難預測。⑶失效檢出率絕緣子失效后能否檢測出來的檢出率對線路安全運行的影響是比失效率本身更為重要的因素，檢出率取決于絕緣子失效的表現形式和失效的原因。玻璃絕緣子失效的表現形式是“自動破碎”和“零值自破”。“自破”不是老化，而是玻璃絕緣子失效的唯一表現形式，所以只需憑借目測就可方便地檢測出失效的絕緣子，其失效檢出率可達百分之百，瓷絕緣子失效的表現形式為頭部隱蔽“零值”或“低值”，復合絕緣子失效的主要表現形式為傘裙蝕損以及隱蔽的復合“界面擊穿”，此外，瓷和復合絕緣子失效的原因是材料的老化，而老化程度是時間的函數。老化是隱蔽的，因此給檢測帶來極大的困難，造成檢出率極低，對于復合絕緣子，實際上根本無法檢測。⑷事故率年掉線次數與運行絕緣子件數之比稱為年事故率。絕緣子掉串是架空輸電線路最為嚴重的事故之一。對于EHV輸電，若造成大面積、長時間停電，后果則不堪設想。國產玻璃絕緣子30年來的運行經驗證明：在220—500KV的輸電線路上，從來沒有因為玻璃絕緣子失效而發生過掉線事故。而國產瓷絕緣子掉線事故率則高達2×10-5。前蘇聯的研究指出，即使失效率相同，瓷絕緣子較玻璃絕緣子的事故率也至少高一個數量級[3]。由于復合絕緣子為長棒式，掉線事故一般很少發生。但導致內絕緣擊穿、芯棒斷裂和強度下降的因素始終存在，一旦失效，事故概率會高于由多個元件組成的絕緣子串。⑸可靠性試驗為對絕緣子進行可靠性評價，國內外曾對玻璃絕緣子和瓷絕緣子作過各種方式的加速壽命試驗和強制老化試驗。如：陡波試驗、熱機試驗、耐電弧強度試驗、1500萬次低頻（18．5HZ）和200萬次高頻（185—200HZ）振動疲勞試驗及內水壓試驗，都從不同角度得出結論：與玻璃絕緣子相反，絕大多數瓷絕緣子都不能通過這些試驗[1]。對于復合絕緣子，可靠性試驗則還是一個有待于繼續探索的課題。2影響絕緣子可靠性的三大因素⑴材料是基礎玻璃和瓷均屬鋁硅酸鹽，瓷是三相（結晶相、玻璃相和氣相）共存的不均質體，而玻璃是液態和玻璃態互為可逆的均質體。“均質性”是影響絕緣材料介電強度的重要因素。脆性材料的機械強度和熱穩勝，不完全取決于材料力學性質，而極大程度上取決于材料內部的缺陷和表面狀態。這就是鋼化玻璃較之退火玻璃和瓷，上釉的瓷較不上釉的瓷強度高得多的原因。此外，玻璃的“熱鋼化”技術，賦予玻璃表層一個高達100—250Mpa和永久預應力。這就是“鋼化玻璃”強度鋼鐵化，熱穩定性高，較瓷不易老化和壽命長的道理，對于復合絕緣子的難點是解決有機材料在戶外條件下的老化、芯棒的脆斷的蠕變。可見，鋼化玻璃既較瓷有高得多的機械、絕緣強度，又較有機材料具有優良的抗老化性能，為絕緣子的可靠運行奠定了良好的基礎。⑵產品結構和耐污性能是關鍵玻璃絕緣子采有圓柱頭結構，承力組件受力均勻。較之國內傳統瓷絕緣子數十年一貫制的圓錐頭結構，具有尺寸小、重量輕、強度高和電性能優良的特點。由于玻璃的線膨脹系數較瓷大得多，較復合絕緣材料小得多，且與金屬附件和水泥的線膨脹事故接近，因而受力組件材質匹配良好。在各種氣候條件下，不會象瓷絕緣子和復合絕緣子那樣容易產生危險應力而導致老化。且復合絕緣子很難解決復合界面的結構質量。但復合絕緣子具有優良的耐污性能，而且通常無需清掃這就極大地減少了線路維護費用。就此而論，復合絕緣子發展前景廣闊。玻璃的介電常數較大，因而單只玻璃絕緣子的干閃絡電壓比瓷絕緣子的低，但有較大的主電容來改善表面的電壓分布，使之與瓷絕緣子串的閃絡電壓相當。加之玻璃絕緣子泄漏比距大，表面產生的凝聚物少，抵抗由污穢引起的熱應力的能力強，因而不易因閃絡而出現事故。污閃實踐一證明，玻璃絕緣子的耐污性能優于瓷絕緣子。⑶制造水平是保證在國外，優質產品的生產均已形成相當經濟規模、且具有工藝先進的高自動化生產線。因而，整個西歐和前蘇聯，玻璃絕緣子的市場占有率高達90%以上，整個北美復合絕緣子使用量為世界之最占本地絕緣子市場總量的25%—30%；在日本，瓷絕緣子則一統天下。在我國，所幸的是國產玻璃絕緣子通過技術引進和自己開發，已具備了上述生產條件，對于瓷和復合絕緣子，除個別合資企業外，上述制造水平有我國尚未達到。可見，選用何種產品還取決于產品的制造水平和對產品性能及使用環境的全面了解。3結束語⑴絕緣子的壽命周期、失效率、失效率檢出率、事故率和可靠性試驗，應居為綜合評價EHV絕緣子可靠性的五項準則。⑵擴大使用國產玻璃絕緣子在當前在著較大的優勢。作為玻璃絕緣子制造者應精益求精，有效降低絕緣子運行頭幾年的失效率。⑶復合絕緣子有著較為廣闊的發展前景，應集中力量開發研制，以求在延緩材料老化和預測壽命周期上取得突破。⑷具有悠久生產歷史的國產瓷絕緣子，應加大技術改造力度，在材料配方、產品結構和制造水平上取得更大的進展。

2021

01-09

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