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张教授长期从事绝缘子研究
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高压直流输电绝缘子所面临的挑战

April 26, 2017 • Columns, Insulator / 绝缘子, Ravi's Column, 最近文章汇总

在全球范围内,为了应对日益增长的用电需求,高 压直流输电的应用也越来越广泛。这样的发展 趋势是完全合理的,因为总的来说这项技术已经成熟 而 且 可 行 。更 重 要 的 是 ,相 比 交 流 输 电 ,它 有 更 低 的 单 位输电成本($/MW)。
对于有历史兴趣的读者,直流输电的应用实际上开始 于19世纪末期纽约市,这得益于托马斯•爱迪生。但是, 它很快就因为变压器和多相感应电动机的商用而风光 不再,并被交流输电所取代。事实上,尼古拉•特斯拉和 乔治•西屋成为了应用广泛的交流发电、输电和用电的 主要先锋。
在 上 世 纪 5 0 年 代 ,直 流 应 用 迎 来 了“ 第 二 春 ”,这 次 得 益于通过海底电缆连接哥特兰岛(瑞典岛名)和瑞典大 陆的输电线路。在此应用中,因为充电电流以及相应的 大功率设备的需要,交流输电的成本会变得不经济。
同样地,对于那些发电资源远离负荷中心的国家,直流 输电具有其它的优点,如占地少、更小的线路阻抗带来 的更大电能输送以及电力系统的高稳定性。目前,全世 界通过高压直流线路输送的电能总量超过 60,000MW, 预计在未来5到7年内这一数字还会翻一番。
对于双极直流线路,每个杆塔只需架设两根导线,而不 是单回路交流线路的三根导线,因此能量损失减少了 1 / 3 。表 面 上 看 ,相 比 交 流 线 路 ,直 流 线 路 需 要 采 购 的 绝 缘 子 可 能 更 少 。但 是 ,这 被 另 一 情 况 抵 消 ,相 比 交 流 绝 缘 子 ,直 流 绝 缘 子 更 长( 长 1 / 3 ),所 以 ,绝 缘 子 的 总 需求量差不多一样 。
1200km距离的交流线路(使用两条500kV单回路导 线)输送3000MW电能的总成本大约是100万美元/ 兆瓦。而使用高压直流和±800kV,预计只需大约一 半的成本。但是,大面积的向直流的转变不可能一夜 之间完成。因为高压直流线路需要在末端安装整流站 和逆流站,如果使用真空管和早期的固态转换技术这 将 非 常 昂 贵 。因 此 ,对 于 短 距 离 的 输 电 线( 例 如:少 于 500km),交流输电仍然是较便宜的方案。
对于±500kV高压直流技术较成熟,而±600kV (例如:巴西和南非正在计划这样的大型工程)的发展 可以逐步实现。对于中国和印度正在建设±800kV的 线路,这需要一些技术突破。据报道,在未来20年内, 仅中国就将新增14,000km的高压直流 ±800kV线路 以输送总共90GW的电能。
让我们探讨一些应用于高压直流的与导线及绝缘子相 关的关键问题。例如,在雨天相对洁净的环境下会出现 瓷穿墙套管上的闪络问题。当建筑物的墙壁遮蔽套管的
一部分,使其表面部分同时存在干燥和潮湿部分时,这 种问题就会发生。随后发生的闪络弧现象可以归结为套 管内极不均匀的电场分布和电容量。
此问题的实际解决方案包括使用憎水材料如室温硫化 硅橡胶或油脂给套管施加涂层、定期清洗、安装附加 伞 盘 或 使 用 增 爬 裙 。但 是 ,在 这 种 情 况 下 ,仅 仅 增 加 套 管外部的泄漏距离并不是最有效的解决方案。今天,使 用硅橡胶外套的新型复合套管已经面市,它可以规避 发生故障时的爆炸风险,因此降低对人员和设备的伤 害。使用树脂浸渍纸(RIP)的干式套管也已面市。
电晕是高压输电线的另一主要问题,不管是交流输电线 还是直流输电线。对于交流输电线,因为周期性的极性 转换,在导线附近会形成空间电荷。而对于直流输电线, 稳定的电场使电晕形成的空间电荷充满导线和地面之间 的整个空间。这样的差异将影响绝缘子的性能。 专利技术 导致模式转换 高压直流输电绝缘子所面临的挑战 高压直流输电绝缘子所面临的挑战 Pic126 另外,绝缘子介电材料的任何杂质对高压直流的影响 都要比高压交流的影响大,这已经在瓷和玻璃绝缘子 上形成了共识,多家厂商已经开发出了高压直流专用 的高纯度绝缘子。目前,硅橡胶绝缘子已经在美国的太 平洋高压直流 InterTie ±500kV线路的有限范围内使 用 ,效 果 也 很 好 。因 此 ,可 以 预 见 的 是 复 合 绝 缘 子 将 在 众多的高压直流新项目中发挥重要作用。与之对应的 是,这些 线路的安全维护规范也亟待出炉。
有人可能认为复合绝缘子的构造特征,即在末端的金 属电极与用优良介电材料制作的长棒相连,这对于高 压直流线路是最合适的。但是我们不要忘了电晕(在 所有区域)和电弧放电(在污染的环境)的不良影响。 研究表明,相比交流线路,直流线路抗老化的能力要 差很多,而这种老化还具有极性效应。
还有必要制定对直流线路的多种因素下的加速老化测 验。与以往相比,通过现场和实验室测试预测有效使 用寿命的创新方法受到了史无前例的重视。在此期间, 用户必须基于短期的实验室测试和现场低压测试来做 出决定。IEC正在制定直流线路绝缘子(包括导线和设 备)选型指南,这将成为一个很好的参考来源。
目前很少实验室具备评估±800kV部件的必要设施和 技术,所以也有必要升级实验室设施和进行人员培训。
Insulator Challenges for HVDC Transmission
Prof. Ravi S. Gorur
Arizona State University

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