DQZHAN技術(shù)訊：特高壓電網(wǎng)的守衛(wèi)者—斷路器
在驕陽似火的盛夏，中國南方的大都市如同火爐一般，酷熱難當(dāng)。但市民們卻可以在炎熱的夏日里享受舒適的室內(nèi)環(huán)境，因?yàn)闈M負(fù)荷運(yùn)行的空調(diào)設(shè)施為人們源源不斷地提供著涼爽的空氣。然而你可曾知曉，在那遙遠(yuǎn)的崇山峻嶺中，特高壓輸電線路正在高負(fù)荷地運(yùn)行著，絕大部分輸電線路都已經(jīng)接近其極限穩(wěn)定功率了。
灼熱的陽光、強(qiáng)大的電流，使得線路發(fā)熱問題異常嚴(yán)重，因?yàn)闊崦浝淇s的作用桿塔之間的高壓電線不斷地下垂，有些不堪重負(fù)的輸電線幾乎快要碰到線路下面的樹枝上了。當(dāng)電線下垂到一定的程度，就有可能產(chǎn)生一個(gè)阻抗更小的放電路徑，將線路中的大電流瞬間轉(zhuǎn)移到輸電線下的樹木中，再泄放到地面。電流轉(zhuǎn)移過程中空氣會發(fā)生擊穿，我們看到的現(xiàn)象就是一道耀眼的閃光。就在這眨眼的功夫，瞬間產(chǎn)生的短路電流就可高達(dá)正常值的10到20倍。此刻，繼電保護(hù)系統(tǒng)必須立即動(dòng)作，在幾毫秒內(nèi)識別故障、開斷電路、隔離故障。在這個(gè)過程中，持續(xù)的短路電流將會引發(fā)電網(wǎng)出現(xiàn)連鎖故障，導(dǎo)致大面積停電。2003年發(fā)生的美加大停電事故就是因?yàn)槊绹砗ザ碇莸母邏狠旊娋€接觸到了地面的樹木，從而誘發(fā)了短路故障以及隨之而來的連鎖故障。大停電事故導(dǎo)致了260多個(gè)發(fā)電廠解裂，60000多兆瓦的電量損失，整個(gè)紐約市都陷入了黑暗。
電網(wǎng)潛在的短路故障是否會引發(fā)大面積停電事故則主要取決于電網(wǎng)中大量斷路器的動(dòng)作情況。與家用斷路器一樣，電網(wǎng)中的高壓斷路器也能實(shí)現(xiàn)瞬間斷開觸點(diǎn)。有所不同的是，由于電網(wǎng)的能量實(shí)在是太大了，所以僅僅只是斷開觸點(diǎn)還不能真正地切斷短路電流。相反，短路電流還會在斷路器內(nèi)部產(chǎn)生電弧。就是在斷路器內(nèi)部的狹小空間里，充滿了劇烈沸騰且溫度高達(dá)幾千攝氏度的等離子體。顯然，等離子體是**不能在斷路器中長久存在的，如果不迅速滅弧，就有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的爆炸事故。
這個(gè)時(shí)候，交流電的交變特性就要發(fā)揮大作用了。對于中國的50Hz電網(wǎng)來說，交流電每10ms就要改變一次方向。每改變一次方向，電流值就會暫時(shí)降低至0，也就不能再給電弧等離子體提供能量了。在任何“電流為零”的時(shí)刻，故障電流都會被中斷。此時(shí)，斷路器冷卻系統(tǒng)會將高壓氣體噴入空隙中，通過通過冷卻、拉長電弧的方式來加速滅弧。
電弧熄滅、故障**之后，電網(wǎng)將逐步恢復(fù)正常。在電網(wǎng)恢復(fù)的過程中，電壓急劇地上升了1MV。也就是說，在電流過零的幾微秒內(nèi)，斷路器觸點(diǎn)就分別承受了50kA的電弧等離子體、1MV的電壓突變。這種劇烈的變化會對斷路器產(chǎn)生巨大的作用力。
因此，無論處于什么樣的氣候環(huán)境（尤其是在炎熱的盛夏時(shí)節(jié)），斷路器都得始終保持良好的技術(shù)性能，以確保輸電線恢復(fù)平穩(wěn)運(yùn)行。那么，電網(wǎng)運(yùn)營商是如何確保這些斷路器性能的呢？如何確保大城市用電**而不發(fā)生大停電事故？秘訣就是對高壓斷路器進(jìn)行嚴(yán)格測試。例如KEMA實(shí)驗(yàn)室就可以模擬各種典型的極端電網(wǎng)環(huán)境，對特高壓電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行壓力測試。當(dāng)然，模擬極端環(huán)境是一項(xiàng)十分復(fù)雜艱巨的工程。
在可預(yù)見的未來，公共電網(wǎng)中的可再生能源將逐步提高，甚至占據(jù)主導(dǎo)地位。未來電網(wǎng)中將包括水電站、太陽能發(fā)電站、海上風(fēng)電場等非常規(guī)能源發(fā)電站。遺憾的是，這些發(fā)電廠（站）常常與大城市相距甚遠(yuǎn)，即電源中心與負(fù)荷中心在空間距離上分布不平衡。為了解決這一問題，電網(wǎng)公司只能建設(shè)大容量、長距離的輸電線路，以使上述能源能夠輸送至負(fù)荷中心。此外，還必須選擇特高壓輸電方式，只有這樣才能降低輸電損耗，提高輸電效率。雖然建設(shè)先進(jìn)高壓輸電系統(tǒng)的一次性投入非常大，但大部分電力公司還是堅(jiān)持認(rèn)為特高壓輸電的性價(jià)比較高，值得大力投入。
在達(dá)成采用特高壓輸電技術(shù)這一共識以后，下一步要抉擇的是：特高壓輸電究竟應(yīng)該采用AC模式呢還是DC模式。雖然高壓直流輸電方案的技術(shù)優(yōu)勢非常多，例如直流輸電線的占地面積更小，線路損耗更少。但是世界上的高壓輸電線系統(tǒng)依然以AC模式為主，因?yàn)锳C輸電技術(shù)更為成熟。*新的特高壓交流輸電網(wǎng)已經(jīng)達(dá)到了1MV了，而基于DC技術(shù)的直流輸電系統(tǒng)還不能達(dá)到這一水平。
****個(gè)商業(yè)化運(yùn)行的特高壓交流輸電系統(tǒng)于2009年投入使用，電壓等級達(dá)到了1.1MV。這條640公里長的高架輸電系統(tǒng)覆蓋了華北、中南的多個(gè)省份。國家電網(wǎng)公司為此花費(fèi)了5.7億人民幣。這一工程總計(jì)建設(shè)了1284座桿塔，每座桿塔的高度大約是長城高度的10倍。桿塔之間承載的重達(dá)25千噸的鋼芯鋁絞線可以傳輸5000MW的功率。這條特高壓輸電線路包括了三個(gè)子站，每個(gè)子站的斷路器均可開斷高達(dá)63kA的短路電流。2013年，國家電網(wǎng)公司建成投運(yùn)了從淮南到上海的長達(dá)650km的特高壓交流輸電系統(tǒng)。與此同時(shí)，印度正在建設(shè)一個(gè)創(chuàng)歷史紀(jì)錄的1.2MV特高壓交流輸電線路。印度也存在著電能供需不平衡的問題，電能富集的地區(qū)卻不是工業(yè)負(fù)荷的中心。特高壓輸電工程就能解決這一困難。1.2MV的Wardha-Aurangabad輸電線就實(shí)現(xiàn)了把印度中部燃煤電廠的電力輸送到了電力短缺的新興IT和制造業(yè)中心——Aurangabad。
考慮到特高壓交流、直流輸電各有優(yōu)勢，因此在未來的幾十年里，歐洲、中國以及美國的部分地區(qū)將會逐漸出現(xiàn)以特高壓交流、直流輸電共存為特征的混合電力系統(tǒng)。例如，通過特高壓直流海底輸電技術(shù)可以將遙遠(yuǎn)的北海風(fēng)電有效地輸送到大陸上的超級交流電網(wǎng)，再通過這個(gè)超級交流電網(wǎng)將電力配送到歐洲的各個(gè)國家和城市。顯然，斷路器是特高壓輸電系統(tǒng)中*關(guān)鍵的核心部件。因?yàn)閿嗦菲魇请娋W(wǎng)**的屏障，它必須確保在任何氣象環(huán)境下都能可靠工作。位于荷蘭阿納姆的KEMA實(shí)驗(yàn)室可模擬各種典型的極端電網(wǎng)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)對這些用于高壓輸電系統(tǒng)的斷電器進(jìn)行極限測試。數(shù)據(jù)表明有超過25%的斷路器都沒有通過這種極端環(huán)境測試，這些未能通過測試的斷路器用于電網(wǎng)將無法可靠保障電網(wǎng)的**。
計(jì)算機(jī)模擬是測試斷路器極限開斷能力的一種低成本方式。然而，目前的計(jì)算機(jī)仿真模型還不能有效地模擬微秒尺度上輸電線路的超高溫度、復(fù)雜等離子體特性。國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）曾對七大斷路器廠商使用的仿真工具進(jìn)行了技術(shù)評估。評估報(bào)告證明這些仿真工具均能對電場問題進(jìn)行有效地模擬。但還未能有效實(shí)現(xiàn)對故障以及失效過程的準(zhǔn)確模擬，這種場合下的仿真結(jié)果還與實(shí)測結(jié)果有較大的偏差。這就好比模擬牙簽的彎曲過程一樣，牙簽內(nèi)部的受力情況很好計(jì)算，但是牙簽斷裂的時(shí)間和斷裂的位置卻很難預(yù)測。
所以，我們只能人工制造那些潛在的電網(wǎng)環(huán)境，通過實(shí)測來判斷斷路器的性能。其中，短路電流通過四個(gè)發(fā)電機(jī)來模擬，這些發(fā)電機(jī)僅轉(zhuǎn)子就有54噸重，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必須與期望的交流電網(wǎng)頻率一致，大致為16.7Hz到60Hz。每臺發(fā)電機(jī)可產(chǎn)生100kA的電流，足以模擬80到90kA的短路電流了。目前全球容量*大的輸電網(wǎng)產(chǎn)生的短路電流也不會超過90kA。此外，沖擊電壓通常采用約四層樓高的電容器組來模擬，且需要將其預(yù)充電至700~800kV。2008年，為了適應(yīng)中國電網(wǎng)電壓等級，KEMA實(shí)驗(yàn)室耗資8000萬美元建立了能夠測試特高壓斷路器、高壓變壓器的特高壓試驗(yàn)裝置，它能夠在短路后的幾個(gè)毫秒內(nèi)提供2MV的沖擊電壓。實(shí)驗(yàn)表明，大約25%的變壓器會因?yàn)橐驗(yàn)槎搪樊a(chǎn)生的巨大電動(dòng)力受到嚴(yán)重?fù)p害。因此，變壓器在斷路器動(dòng)作前的時(shí)間內(nèi)成功經(jīng)受住短路電流的沖擊是十分不易的。
有人認(rèn)為斷路器已經(jīng)非常成熟了，幾十年以前就在大規(guī)模應(yīng)用了。實(shí)際上，斷路器也在不斷發(fā)展。油斷路器曾在20世紀(jì)初占據(jù)重要地位。油斷路器的滅弧介質(zhì)放在一個(gè)裝滿油的箱子里。當(dāng)電弧形成時(shí)，它會把一些油轉(zhuǎn)化成高壓氣泡，這些氣泡可包圍和消滅電弧。但是油斷路器成本高、體積大，而且危險(xiǎn)。上世紀(jì)70年代開始逐步使用SF6斷路器，SF6是一種絕緣性能十分優(yōu)異的惰性氣體，是非常理想的滅弧介質(zhì)。然而，由于SF6氣體被《京都議定書》指定為一種強(qiáng)溫室效應(yīng)氣體，因此真空斷路器由中壓等級向更高電壓等級方向發(fā)展成為一種趨勢。目前，真空斷路器在12kV—40.5kV的中壓領(lǐng)域占有優(yōu)勢地位。而在72.5kV—1100kV的高壓和特高壓等級領(lǐng)域，SF6斷路器依然是主流。因而發(fā)展高電壓等級真空斷路器以減少SF6氣體的排放成為目前國際真空開關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
21世紀(jì)的特高壓混聯(lián)電力系統(tǒng)需要高可靠性的高壓斷路器來為其**把關(guān)。人工創(chuàng)造的極端工作環(huán)境可以幫助工程師們篩選出能夠勝任的可靠斷路器。只有經(jīng)受住極限測試的斷路器才能夠保證中國大城市的百姓在*炎熱的日子里依然擁有一片清涼，更不會陷入大面積停電。
