特高壓同步電網(wǎng)安全性論證

湯涌，郭強(qiáng)，周勤勇，等

摘要：目的：“十三五”期間，為滿足西部、北部大型能源基地開發(fā)外送和東中部用電需要，適應(yīng)清潔能源更大規(guī)模的開發(fā)利用要求，應(yīng)加快特高壓骨干網(wǎng)架建設(shè)，優(yōu)化電網(wǎng)格局，減少同步電網(wǎng)數(shù)量，擴(kuò)大同步電網(wǎng)規(guī)模，推動構(gòu)建統(tǒng)一同步電網(wǎng)，形成能源資源優(yōu)化配置平臺。這些新形勢和新挑戰(zhàn)將對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定特性產(chǎn)生重大影響。因此，對“十三五”特高壓同步電網(wǎng)方案的安全性進(jìn)行綜合評估論證，并以研究結(jié)果指導(dǎo)中遠(yuǎn)期電網(wǎng)規(guī)劃的調(diào)整。方法：根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》，首先從短路電流、靜態(tài)安全性、暫態(tài)穩(wěn)定性、動態(tài)穩(wěn)定性等方面，對特高壓同步電網(wǎng)方案的安全穩(wěn)定性進(jìn)行了全面評估。除了常規(guī)的典型故障校核外，考慮了近年來自然災(zāi)害頻發(fā)對電網(wǎng)安全的影響，如同通道同送端的多回直流同時發(fā)生雙極閉鎖故障或者失去多個電廠等多重故障，并根據(jù)《電力安全事故應(yīng)急處置和調(diào)查處理?xiàng)l例》要求，研究了特高壓同步電網(wǎng)的承受能力及可采取的措施。在此基礎(chǔ)上，深入論證了區(qū)域間解列控制、低頻減載、低壓減載等電網(wǎng)第3道防線措施的適應(yīng)性，以及交直流混合電網(wǎng)安全穩(wěn)定性與協(xié)調(diào)控制策略。結(jié)果：（1）特高壓同步電網(wǎng)主要送電通道潮流在7～10 GW，主要聯(lián)絡(luò)線通道潮流在 3.5～6 GW，滿足能源基地開發(fā)外送和大規(guī)模直流電力疏散要求。（2）通過省間1000/500 kV電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)和分區(qū)，能將全部短路電流控制在63 kA以下。（3）對三級安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的典型故障進(jìn)行仿真分析，均能滿足《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》的要求。（4）大區(qū)間主要振蕩模式有2個，分別是東部電網(wǎng)的湖南、江西機(jī)組相對于華東機(jī)組模式，西部電網(wǎng)的西北機(jī)組相對于川渝機(jī)組模式，且均具有強(qiáng)阻尼。（5）當(dāng)重要輸電斷面發(fā)生極端嚴(yán)重故障時，依靠傳統(tǒng)解列與自適應(yīng)解列技術(shù)都可將聯(lián)絡(luò)斷面解開，解列后在低頻低壓減載措施動作配合下，各地區(qū)電網(wǎng)均恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。相比傳統(tǒng)解列技術(shù)，自適應(yīng)解列技術(shù)恢復(fù)時間快，損失負(fù)荷量小。（6）對于錫盟、蒙西、準(zhǔn)東等交直流混合輸電系統(tǒng)，當(dāng)相關(guān)輸電通道發(fā)生極端嚴(yán)重故障時，采取直流緊急功率控制或直流功率調(diào)制，可以在特殊方式下顯著減少切機(jī)量，解決潮流轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的暫態(tài)功角穩(wěn)定問題。結(jié)論：（1）特高壓同步電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平高，抵御單一故障、嚴(yán)重故障和多重故障的能力較強(qiáng)，動態(tài)穩(wěn)定性主導(dǎo)振蕩模式均呈強(qiáng)阻尼，完全滿足《導(dǎo)則》規(guī)定的三級安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)要求。（2）通過合理配置第3道防線，在同時失去多個特高壓交流/直流通道的極端嚴(yán)重故障情況下，依靠解列、低頻減載、低壓減載等第3道防線措施，可將同步電網(wǎng)成功解列，并維持解列后各區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，可以避免發(fā)生連鎖反應(yīng)而導(dǎo)致的大面積停電。（3）特高壓同步電網(wǎng)。形成了堅(jiān)強(qiáng)的特高壓交直流混合互聯(lián)電網(wǎng)，系統(tǒng)穩(wěn)定水平較好。利用交直流協(xié)調(diào)控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)交直流系統(tǒng)相互支援，有效改善交直流混合輸電系統(tǒng)穩(wěn)定水平。

來源出版物：電網(wǎng)技術(shù)， 2016， 40(1)： 97-104.

入選年份：2016

環(huán)保型絕緣氣體的發(fā)展前景

肖登明

摘要：目的：在1997年通過的全球變暖《京都議定書》中，SF6氣體被列入受限制的6種溫室氣體之一。SF6氣體單個分子對溫室效應(yīng)的影響約為CO2的23900倍，SF6的溫室效應(yīng)問題是一個不容忽視的全球問題，要徹底解決這一問題，則需要用溫室效應(yīng)較小而耐電強(qiáng)度與SF6相當(dāng)?shù)臍怏w替代SF6。在研究新的絕緣氣體替代SF6工作中，應(yīng)該是電負(fù)性氣體或鹵化氣體，實(shí)現(xiàn)高的絕緣能力，且具有較低的游離溫度形成的高導(dǎo)熱性能，以及復(fù)合截面大、低鹵化成分的、環(huán)境友好的低 GWP值（全球變暖潛值）特性。尋找優(yōu)良環(huán)境指標(biāo)的SF6替代絕緣氣體的研究在國際上處于剛剛起步階段。在全球環(huán)境問題極為嚴(yán)峻的形勢下，尋找一種新的能夠取代 SF6的低溫室效應(yīng)氣體顯得尤為迫切，具有十分重要的意義。方法：SF6有特強(qiáng)的吸附電子的能力，其電負(fù)性比空氣高幾十倍。極強(qiáng)的電負(fù)性使得SF6氣體具有優(yōu)良的絕緣性能。當(dāng)電極間在一定的場強(qiáng)下發(fā)生電子發(fā)射時，極間自由電子很快被 SF6吸附成為大離子，大大阻礙了碰撞電離過程的發(fā)展，使極間電離度下降，從而增強(qiáng)了耐受電壓能力。近年來，國外對一些和SF6一樣含有F原子的電負(fù)性氣體進(jìn)行了研究，它們有和 SF6比較相近的電負(fù)性，但溫室效應(yīng)和 SF6相比要小得多。研究得比較多的是八氟環(huán)丁烷（c-C4F8）、全氟丙烷（C3F8）、六氟乙烷（C2F6）。Kyoto大學(xué)研究了應(yīng)用c-C4F8作為高壓設(shè)備絕緣介質(zhì)的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)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是一種有可能取代SF6的絕緣氣體。J. L. Moruzzi等計(jì)算了C3F8的碰撞電離和電子吸附系數(shù)。S. R. Hunter等計(jì)算了脈沖湯遜實(shí)驗(yàn)條件下CF4，C2F6，C3F8和n-C4F10的電子漂移速度，第一次在低電場下獲得這些混合物的漂移速度。P. Pirgov等測試C2F6和C3F8以及它們和Ar混合氣體的電子漂移速度和擴(kuò)散運(yùn)動率，并獲得了整個振動非彈性和沖量傳輸彈性電子和C2F6及C3F8的碰撞截面。H. Okubo等測量了C3F8、C2F6和N2混合氣體在交流電場作用下非均勻電場中的放電和擊穿特性。J de Urquijo等用脈沖湯遜實(shí)驗(yàn)研究了C2F6-Ar和C2F6-N2混合物的電子漂移速度、縱向擴(kuò)散系數(shù)和有效電離系數(shù)。1997年美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)會技術(shù)會議上把c-C4F8混合氣體列為未來應(yīng)該長期研究有潛力的絕緣氣體。近些年來，國內(nèi)外研究一種新的環(huán)保型絕緣氣體——三氟碘甲烷（CF3I）。這種氣體的GWP值與CO2氣體相當(dāng)，在環(huán)境中的半衰期只有1～2 d。2007年以來，國際上的研究人員不斷在高水平國際刊物上發(fā)表關(guān)于CF3I絕緣特性和滅弧性能的研究報(bào)道。理論仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都表明，CF3I絕緣強(qiáng)度大約為SF6的1.23倍以上，綜合考慮環(huán)境因素，CF3I極有可能在未來作為SF6替代氣體投入實(shí)際應(yīng)用。上海交通大學(xué)肖登明課題組從 2005起已全面開展SF6替代氣體的研究工作，并在替代氣體c-C4F8和 CF3I的絕緣特性研究方面得到一定成果。該課題組對c-C4F8混合氣體在均勻電場環(huán)境下進(jìn)行了湯遜放電的試驗(yàn)和蒙特卡洛模擬，并在較小的間隙（25 mm）下進(jìn)行了非均勻電場的放電試驗(yàn)，初步掌握了c-C4F8混合氣體的放電特性。同時采用脈沖湯遜放電法測量N2、CO2、CF4、c-C4F8、N2O和CHF3電子崩電流波形，分析了氣體電子崩中可能發(fā)生的擴(kuò)散、電離、附著、去附著和轉(zhuǎn)化過程，并得出有效電離系數(shù)與分子數(shù)密度N的比值和漂移速度Ve。2012年起，該課題組采用基于穩(wěn)態(tài)湯遜實(shí)驗(yàn)方法的玻爾茲曼方程對CF3I及其與N2、CO2、Ar、He、Ne及Xe等混合氣體的電子輸運(yùn)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，進(jìn)而對其絕緣性能進(jìn)行了分析。與此同時，該課題組對CF3I及其混合氣體在各種不同電場環(huán)境下的擊穿特性進(jìn)行了宏觀實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果：墨西哥的J de Urquijo采用脈沖湯遜放電實(shí)驗(yàn)對CF3I、CF3I/N2和CF3I/SF6混合氣體在100～850 Td范圍內(nèi)的電離系數(shù)α、吸附系數(shù)η、漂移速度Ve和縱向擴(kuò)散系數(shù)NDL進(jìn)行了測量，指出CF3I的臨界擊穿場強(qiáng)為437 Td遠(yuǎn)大于SF6的臨界場強(qiáng)。在與N2混合比例達(dá)到 70%的時候，CF3I/N2混合氣體的絕緣強(qiáng)度就能達(dá)到純SF6的水平。東京電機(jī)大學(xué)研究了應(yīng)用CF3I作為高壓設(shè)備絕緣介質(zhì)取代 SF6的可行性。2008年，采用標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊實(shí)驗(yàn)分析測量了 CF3I、CF3I/N2和 CF3I/CO2混合氣體的擊穿電壓特性以及電流開斷能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，純CF3I的擊穿電壓為SF6的1.2倍以上，其中 60%～100%比例的 CF3I/CO2混合氣體，其絕緣強(qiáng)度超過純 SF6氣體，且電流開斷能力達(dá)到SF6的0.7倍左右。選取了集中含鹵族元素的氣體進(jìn)行對比，利用它們與SF6的相對電氣強(qiáng)度進(jìn)行比較，研究表明，避免放電或者滅弧阻斷放電過程中一個很重要的方面是要選用高電負(fù)性氣體，使氣體在放電過程中能夠吸收電子。因此使用帶有鹵族元素所形成的基團(tuán)取代烷烴類氣體中的有機(jī)基團(tuán)是一種改進(jìn)氣體絕緣性質(zhì)的辦法，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳碳雙鍵能夠?qū)τ谕闊N顯著提升氣體的絕緣性質(zhì)，而碳碳三鍵同樣能在雙鍵的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高氣體性能，但提升幅度相對雙鍵略小。這種碳碳三鍵的優(yōu)勢在J. C. Devins的實(shí)驗(yàn)中也曾出現(xiàn)過，不同的是，他實(shí)驗(yàn)的氣體是帶有氰基的有機(jī)氣體，而氰基中碳原子與氮原子也是由三鍵連接，因此可以驗(yàn)證三鍵化合物對氣體性質(zhì)的積極影響。鹵族元素能夠利用強(qiáng)電負(fù)性提高氣體的絕緣性能，并且隨著鹵族元素原子量的增大，這種變化更加明顯，突出體現(xiàn)在CF3I已經(jīng)具有了類似SF6的絕緣性能。CCl2F2也具有了相似的電氣強(qiáng)度，但由于氯元素在紫外線的照射下會分解出氯原子，對臭氧層造成破壞，氟氯代烷的使用受到了限制。c-C4F8的絕緣性能受到很多學(xué)者的關(guān)注，環(huán)丁烷與1-丁烯的分子式相同，但由于利用氟元素取代環(huán)丁烷中的氫元素后，c-C4F8的絕緣性能顯著提升。利用鹵族元素提高氣體電負(fù)性的做法并不僅僅局限在鹵族元素本身對氫元素的取代上，也可以利用一些本身含有鹵族元素的基團(tuán)，例如-SF5等，來取代氫元素，由此產(chǎn)生的CH3SF5也表現(xiàn)出了很好的絕緣性質(zhì)。為了更好的阻斷放電過程，優(yōu)質(zhì)的絕緣氣體在絕緣特點(diǎn)方面應(yīng)該既具有較大的總碰撞面積，保證有更多機(jī)會碰撞或吸收電子，同時又具有強(qiáng)電負(fù)性，與電子發(fā)生非彈性碰撞但又避免發(fā)生電離。因此考慮將前文中敘述的增加總碰撞面積的方法與加強(qiáng)電負(fù)性的方法相結(jié)合，一方面選用氣體分子中存在雙鍵甚至三鍵，另一方面用鹵族元素取代原化合物中的氫元素。除此之外，還有例如全氟丙烯（C3F6）等氟代烯烴等氣體也具有良好電氣性能的潛質(zhì)，且全氟丙烯的沸點(diǎn)約為243.6 K，即-29.6℃，可以實(shí)現(xiàn)低溫地區(qū)的絕緣使用。結(jié)論：八氟環(huán)丁烷（c-C4F8）的相對電氣強(qiáng)度為1.3，應(yīng)繼續(xù)研究c-C4F8

與一些緩沖氣體構(gòu)成的混合氣體，抑制導(dǎo)電碳微粒析出，并降低液化溫度，初步應(yīng)用于GIT和C-GIS的電力設(shè)備。綜合考慮環(huán)保特性、絕緣特性和液化溫度，可以優(yōu)先考慮采用CF3I混合氣體用于中低壓系統(tǒng)的C-GIS、高壓系統(tǒng)的 GIL、GIT等電力設(shè)備中。除了六氟 1，3-丁二烯以及八氟-2-丁烯這兩個沸點(diǎn)高于0℃的氣體不適用于低溫地區(qū)，僅能與其他緩沖氣體混合使用，其余氣體在絕緣強(qiáng)度、沸點(diǎn)以及環(huán)境保護(hù)數(shù)據(jù)方面都具有很替代SF6的優(yōu)勢，特別是六氟二丁炔（C4F6），具有顯著高于SF6的電氣強(qiáng)度。而C3F6由于具有對氣壓的敏感性，可以通過加壓的方式實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度，因此也具有競爭力。

來源出版物：高電壓技術(shù)， 2016， 42(4)： 1035-1046

入選年份：2016