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。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，因為滿負荷運行的空調(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，在那遙遠的崇山峻嶺中，特高壓輸電線路正在高負荷地運行著，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、強大的電流，使得線路發(fā)熱問題異常嚴重，因為熱脹冷縮的作用桿塔之間的高壓電線不斷地下垂，有些不堪重負的輸電線幾乎快要碰到線路下面的樹枝上了。當電線下垂到一定的程度，就有可能產(chǎn)生一個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正常值的10到20倍。此刻，繼電保護系統(tǒng)必須立即動作，在幾毫秒內(nèi)識別故障、開斷電路、隔離故障。在這個過程中，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為美國俄亥俄州的高壓輸電線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多個發(fā)電廠解裂，60000多兆瓦的電量損失，整個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)中大量斷路器的動作情況。與家用斷路器一樣，電網(wǎng)中的高壓斷路器也能實現(xiàn)瞬間斷開觸點。有所不同的是，由于電網(wǎng)的能量實在是太大了，所以僅僅只是斷開觸點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)致嚴重的爆炸事故。
這個時候，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”的時刻，故障電流都會被中斷。此時，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)運行。那么，電網(wǎng)運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行嚴格測試。例如KEMA實驗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)備進行壓力測試。當然，模擬極端環(huán)境是一項十分復(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，即電源中心與負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持認為特高壓輸電的性價比較高，值得大力投入。
在達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，因為AC輸電技術(shù)更為成熟。*新的特高壓交流輸電網(wǎng)已經(jīng)達到了1MV了，而基于DC技術(shù)的直流輸電系統(tǒng)還不能達到這一水平。
****個商業(yè)化運行的特高壓交流輸電系統(tǒng)于2009年投入使用，電壓等級達到了1.1MV。這條640公里長的高架輸電系統(tǒng)覆蓋了華北、中南的多個省份。國家電網(wǎng)公司為此花費了5.7億人民幣。這一工程總計建設(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子站，每個子站的斷路器均可開斷高達63kA的短路電流。2013年，國家電網(wǎng)公司建成投運了從淮南到上海的長達650km的特高壓交流輸電系統(tǒng)。與此同時，印度正在建設(shè)一個創(chuàng)歷史紀錄的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)可以將遙遠的北海風電有效地輸送到大陸上的超級交流電網(wǎng)，再通過這個超級交流電網(wǎng)將電力配送到歐洲的各個國家和城市。顯然，斷路器是特高壓輸電系統(tǒng)中*關(guān)鍵的核心部件。因為斷路器是電網(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實驗室可模擬各種典型的極端電網(wǎng)環(huán)境，以實現(xiàn)對這些用于高壓輸電系統(tǒng)的斷電器進行極限測試。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**。
計算機模擬是測試斷路器極限開斷能力的一種低成本方式。然而，目前的計算機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行了技術(shù)評估。評估報告證明這些仿真工具均能對電場問題進行有效地模擬。但還未能有效實現(xiàn)對故障以及失效過程的準確模擬，這種場合下的仿真結(jié)果還與實測結(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算，但是牙簽斷裂的時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，通過實測來判斷斷路器的性能。其中，短路電流通過四個發(fā)電機來模擬，這些發(fā)電機僅轉(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實驗室耗資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裝置，它能夠在短路后的幾個毫秒內(nèi)提供2MV的沖擊電壓。實驗表明，大約25%的變壓器會因為因為短路產(chǎn)生的巨大電動力受到嚴重損害。因此，變壓器在斷路器動作前的時間內(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。實際上，斷路器也在不斷發(fā)展。油斷路器曾在20世紀初占據(jù)重要地位。油斷路器的滅弧介質(zhì)放在一個裝滿油的箱子里。當電弧形成時，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。上世紀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。
21世紀的特高壓混聯(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。
