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特高压电网的守卫者—断路器

发布日期:2017/3/6 16:36:50     浏览次数:

在骄阳似火的盛夏,中国南方的大都市如同火炉一般,酷热难当。但市民们却可以在炎热的夏日里享受舒适的室内环境,因为满负荷运行的空调设施为人们源源不断地提供着凉爽的空气。然而你可曾知晓,在那遥远的崇山峻岭中,特高压输电线路正在高负荷地运行着,绝大部分输电线路都已经接近其极限稳定功率了。

灼热的阳光、强大的电流,使得线路发热问题异常严重,因为热胀冷缩的作用杆塔之间的高压电线不断地下垂,有些不堪重负的输电线几乎快要碰到线路下面的树枝上了。当电线下垂到一定的程度,就有可能产生一个阻抗更小的放电路径,将线路中的大电流瞬间转移到输电线下的树木中,再泄放到地面。电流转移过程中空气会发生击穿,我们看到的现象就是一道耀眼的闪光。就在这眨眼的功夫,瞬间产生的短路电流就可高达正常值的10到20倍。此刻,继电保护系统必须立即动作,在几毫秒内识别故障、开断电路、隔离故障。在这个过程中,持续的短路电流将会引发电网出现连锁故障,导致大面积停电。2003年发生的美加大停电事故就是因为美国俄亥俄州的高压输电线接触到了地面的树木,从而诱发了短路故障以及随之而来的连锁故障。大停电事故导致了260多个发电厂解裂,60000多兆瓦的电量损失,整个纽约市都陷入了黑暗。

电网潜在的短路故障是否会引发大面积停电事故则主要取决于电网中大量断路器的动作情况。与家用断路器一样,电网中的高压断路器也能实现瞬间断开触点。有所不同的是,由于电网的能量实在是太大了,所以仅仅只是断开触点还不能真正地切断短路电流。相反,短路电流还会在断路器内部产生电弧。就是在断路器内部的狭小空间里,充满了剧烈沸腾且温度高达几千摄氏度的等离子体。显然,等离子体是绝对不能在断路器中长久存在的,如果不迅速灭弧,就有可能导致严重的爆炸事故。

这个时候,交流电的交变特性就要发挥大作用了。对于中国的50Hz电网来说,交流电每10ms就要改变一次方向。每改变一次方向,电流值就会暂时降低至0,也就不能再给电弧等离子体提供能量了。在任何“电流为零”的时刻,故障电流都会被中断。此时,断路器冷却系统会将高压气体喷入空隙中,通过通过冷却、拉长电弧的方式来加速灭弧。

电弧熄灭、故障清除之后,电网将逐步恢复正常。在电网恢复的过程中,电压急剧地上升了1MV。也就是说,在电流过零的几微秒内,断路器触点就分别承受了50kA的电弧等离子体、1MV的电压突变。这种剧烈的变化会对断路器产生巨大的作用力。

因此,无论处于什么样的气候环境(尤其是在炎热的盛夏时节),断路器都得始终保持良好的技术性能,以确保输电线恢复平稳运行。那么,电网运营商是如何确保这些断路器性能的呢?如何确保大城市用电安全而不发生大停电事故?秘诀就是对高压断路器进行严格测试。例如KEMA实验室就可以模拟各种典型的极端电网环境,对特高压电网设备进行压力测试。当然,模拟极端环境是一项十分复杂艰巨的工程。

在可预见的未来,公共电网中的可再生能源将逐步提高,甚至占据主导地位。未来电网中将包括水电站、太阳能发电站、海上风电场等非常规能源发电站。遗憾的是,这些发电厂(站)常常与大城市相距甚远,即电源中心与负荷中心在空间距离上分布不平衡。为了解决这一问题,电网公司只能建设大容量、长距离的输电线路,以使上述能源能够输送至负荷中心。此外,还必须选择特高压输电方式,只有这样才能降低输电损耗,提高输电效率。虽然建设先进高压输电系统的一次性投入非常大,但大部分电力公司还是坚持认为特高压输电的性价比较高,值得大力投入。

在达成采用特高压输电技术这一共识以后,下一步要抉择的是:特高压输电究竟应该采用AC模式呢还是DC模式。虽然高压直流输电方案的技术优势非常多,例如直流输电线的占地面积更小,线路损耗更少。但是世界上的高压输电线系统依然以AC模式为主,因为AC输电技术更为成熟。最新的特高压交流输电网已经达到了1MV了,而基于DC技术的直流输电系统还不能达到这一水平。

中国第一个商业化运行的特高压交流输电系统于2009年投入使用,电压等级达到了1.1MV。这条640公里长的高架输电系统覆盖了华北、中南的多个省份。国家电网公司为此花费了5.7亿人民币。这一工程总计建设了1284座杆塔,每座杆塔的高度大约是长城高度的10倍。杆塔之间承载的重达25千吨的钢芯铝绞线可以传输5000MW的功率。这条特高压输电线路包括了三个子站,每个子站的断路器均可开断高达63kA的短路电流。2013年,国家电网公司建成投运了从淮南到上海的长达650km的特高压交流输电系统。与此同时,印度正在建设一个创历史纪录的1.2MV特高压交流输电线路。印度也存在着电能供需不平衡的问题,电能富集的地区却不是工业负荷的中心。特高压输电工程就能解决这一困难。1.2MV的Wardha-Aurangabad输电线就实现了把印度中部燃煤电厂的电力输送到了电力短缺的新兴IT和制造业中心——Aurangabad。

考虑到特高压交流、直流输电各有优势,因此在未来的几十年里,欧洲、中国以及美国的部分地区将会逐渐出现以特高压交流、直流输电共存为特征的混合电力系统。例如,通过特高压直流海底输电技术可以将遥远的北海风电有效地输送到大陆上的超级交流电网,再通过这个超级交流电网将电力配送到欧洲的各个国家和城市。显然,断路器是特高压输电系统中最关键的核心部件。因为断路器是电网安全的屏障,它必须确保在任何气象环境下都能可靠工作。位于荷兰阿纳姆的KEMA实验室可模拟各种典型的极端电网环境,以实现对这些用于高压输电系统的断电器进行极限测试。数据表明有超过25%的断路器都没有通过这种极端环境测试,这些未能通过测试的断路器用于电网将无法可靠保障电网的安全。

计算机模拟是测试断路器极限开断能力的一种低成本方式。然而,目前的计算机仿真模型还不能有效地模拟微秒尺度上输电线路的超高温度、复杂等离子体特性。国际大电网会议(CIGRE)曾对七大断路器厂商使用的仿真工具进行了技术评估。评估报告证明这些仿真工具均能对电场问题进行有效地模拟。但还未能有效实现对故障以及失效过程的准确模拟,这种场合下的仿真结果还与实测结果有较大的偏差。这就好比模拟牙签的弯曲过程一样,牙签内部的受力情况很好计算,但是牙签断裂的时间和断裂的位置却很难预测。

所以,我们只能人工制造那些潜在的电网环境,通过实测来判断断路器的性能。其中,短路电流通过四个发电机来模拟,这些发电机仅转子就有54吨重,转子转速必须与期望的交流电网频率一致,大致为16.7Hz到60Hz。每台发电机可产生100kA的电流,足以模拟80到90kA的短路电流了。目前全球容量最大的输电网产生的短路电流也不会超过90kA。此外,冲击电压通常采用约四层楼高的电容器组来模拟,且需要将其预充电至700~800kV。2008年,为了适应中国电网电压等级,KEMA实验室耗资8000万美元建立了能够测试特高压断路器、高压变压器的特高压试验装置,它能够在短路后的几个毫秒内提供2MV的冲击电压。实验表明,大约25%的变压器会因为因为短路产生的巨大电动力受到严重损害。因此,变压器在断路器动作前的时间内成功经受住短路电流的冲击是十分不易的。

有人认为断路器已经非常成熟了,几十年以前就在大规模应用了。实际上,断路器也在不断发展。油断路器曾在20世纪初占据重要地位。油断路器的灭弧介质放在一个装满油的箱子里。当电弧形成时,它会把一些油转化成高压气泡,这些气泡可包围和消灭电弧。但是油断路器成本高、体积大,而且危险。上世纪70年代开始逐步使用SF6断路器,SF6是一种绝缘性能十分优异的惰性气体,是非常理想的灭弧介质。然而,由于SF6气体被《京都议定书》指定为一种强温室效应气体,因此真空断路器由中压等级向更高电压等级方向发展成为一种趋势。目前,真空断路器在12kV—40.5kV的中压领域占有优势地位。而在72.5kV—1100kV的高压和特高压等级领域,SF6断路器依然是主流。因而发展高电压等级真空断路器以减少SF6气体的排放成为目前国际真空开关领域的研究热点。

21世纪的特高压混联电力系统需要高可靠性的高压断路器来为其安全把关。人工创造的极端工作环境可以帮助工程师们筛选出能够胜任的可靠断路器。只有经受住极限测试的断路器才能够保证中国大城市的百姓在最炎热的日子里依然拥有一片清凉,更不会陷入大面积停电。


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