21世紀前期輸變電設備發展展望
時間:2011-12-28 點擊:2899 次
21世紀前期輸變電設備發展展望
我國實行改革開放政策以來,電力工業得到了迅猛發展。到2000年上半年,全國發電設備裝機容量已超過3kW。進入21世紀前期,我國電力工業仍將有穩定的發展,預期2005、2010、2020年,全國發電設備裝機容量將分別達到3.65、4.5、7.5kW的規模。與此相應輸變電系統及裝備也會相應得到發展。
  在21世紀前期,輸變電設備方面將先后迎來舉世矚目的長江三峽水利樞紐工程建設竣工并網發電、西部大開發中的西電東送、全國逐步實現500kV主網骨架的聯網、750kV新一級高電壓電網在西北地區投運、城鄉電網的進一步改革完善、電氣化鐵道通車里程的不斷增加等重大工程,并將在超高壓直流輸電、交流柔性輸電系統、110kV特高電壓電網建設與裝備等研究開發中迎來新的進展。展望這一時期輸變電設備的發展,將會在下列方面取得新的成果。
 
  一、進一步提高輸變電技術裝備的產品質量和運行可靠性
  我國現有輸變電技術裝備的產品,其中相當一部分是通過引進國外技術,經消化吸收國產化的產品。許多產品的主要技術參數及技術性能基本上是與國外原產品相同或相近的,但產品的制造質量和運行可靠性有的產品與國外相比有一定差距。為適應電力工業發展的需要,當務之急首先要進一步提高現有產品的質量和運行可靠性。設計方面要總結產品運行中反映出的實際問題,結合我國實際情況,進一步完善設計。工藝方面要嚴格從原材料、元器件選材、進廠檢驗,到制造工序中嚴格工藝紀律和嚴控工藝規程。從設計、制造、質量檢驗等多個方面確保產品質量的提高和運行可靠性的穩定提高,增強產品在市場上的競爭力。
 
  二、進一步研發高科技含量的輸變電設備新產品
  現在離70、80年代大批主要輸變電裝備的技術引進已過去2030年了。在這二三十年中,國外輸變電裝備又有了許多新的發展。21世紀前期,應跟蹤國外的技術發展,結合國情,進一步研發高科技含量的輸變電設備新產品。例如在高壓開關方面高科技體現在500kV單斷口斷路器技術、熱膨脹式SF6­斷路器技術、共箱式、小型化、復合化的GIS、新型觸頭材料及低過電壓真空斷路器技術、永磁操動機構等。電力變壓器方面,高科技體現在配百萬千瓦級機組用大容量超高壓變壓器技術、低噪聲、低損耗變壓器技術、可調電抗器技術、光電式電流、電壓互感器技術等。國外已經發展的一些新產品如ABB“PASS”,國內用戶很感興趣,目前國內制造企業已在加快研制與“PASS”相類似的國產化產品。這僅是一個例子。其他方面也應用心去關注國外發展動態,緊跟國際發展潮流,并從中走獨立創新的路子。
 
  三、發展小型化、無油化、組合式輸變電技術裝備
  為適應城市變電站、深山河川修建水電站和電氣化鐵路牽引變電站的建設需要,解決城市地價不斷高漲、或山區運輸、安裝條件的限制,對設備提出了小型化、組合化的要求。
  輸變電技術裝備的小型化不是簡單的幾何形體的比例縮小。設備的小型化需要對電、磁、熱、力多種物理強場的分析,和高質、高效的功能材料及器件的支撐。例如高質絕緣材料、小型化傳感器、精密加工技術等。因此小型化變電技術裝備的發展需要多行業、多專業的協同,才能有所發展。
  無油化設備目前普遍發展的是SF6斷路器、真空斷路器、SF6絕緣或樹脂絕緣互感器等。電力電容器也在向無油化發展。無油化設備發展的方向除設備本身盡量不用可燃液體介質外,尋求新的高燃點液體介質、或比SF6氣體絕緣、滅弧性能及防環境污染性能更好的氣體介質材料。
  發展組合化設備是適應山區運輸與電站設施建設的需要,將設備做成便于運輸的單元式結構,運到現場后,在現場進行必要的加工、組裝、檢驗、試驗,最終達到整機出廠的水平。因此在產品設計時就要全面研究現場的各項后續工序及其工作條件配備。
 
  四、輸變電技術裝備向智能化功能方向擴展
  為了適應電力系統現代化、自動化的需要,輸變電技術裝備應該具有相應的智能化功能。輸變電設備智能化可以有4個方面的內容。
 ?。?/span>1)設備的狀態監測和故障診斷;
 ?。?/span>2)設備的智能化操作控制;
 ?。?/span>3)電網正常運行狀態的自動監測;
 ?。?/span>4)電網事故的識別。
  實現智能化離不開應用當代各種新技術,如新的傳感技術、自控技術、計算機技術等。但智能化不是簡單的計算機化,而是通過計算機實現以知識為中心的控制。一個智能系統應能模仿人類行為,能對一個過程或所處環境的各種固有的信息和知識進行學習,并將獲得的知識用于估計、分析、決策和控制,使系統處于最佳狀態。當遇到未學習過的事例時,有能力給出適當處理。當系統出現局部故障時,可持續工作,甚至分析和修復故障。
  輸變電技術裝備的智能化有利于提高設備的運行可靠性,縮短維修周期和減少維修時間,對提高電力系統運行水平有實際意義。但智能化技術十分復雜,涉及多種學科領域。雖在20世紀六七十年代國外學術團體和有關企業已投入了許多研究經費和技術力量,但要達到商業化、實用階段,尚需繼續開展試驗研究,預計在21世紀中會有長足的進步。我們的智能化工作應采取漸進、局部、實用的方式逐步擴大功能。
 
  五、超高壓直流輸電用裝備將有發展
  由于電力電子技術的發展,使直流輸電進一步體現出比交流輸電的優點,而且直流工程造價比交流系統低,因而在世界上日益獲得廣泛的應用。直流輸電系統主要應用在遠距離輸電、跨海輸電、電網間的聯網等。這對我國電力系統都有應用的現實工程或潛在的工程目標。因此加快發展直流輸電系統用裝備已提到日程上來了。但我國超高壓直流輸電用裝備一直沒有工程實踐的機會,科研功底十分薄弱,僅在80年代研制了100kV鎮海一舟山的海底直流輸電系統用設備。在這樣的基礎上,要適應國內直流工程的發展需要,有許多技術關鍵有待我們去攻克。目前應利用三峽直流工程設備部分由國內分包的機會,短期內通過消化吸收,并擴大合作范圍,爭取組建自己的專業公司,建立自己的開發軟件,創造直流設備的設計、制造能力。
 
  六、特高壓輸變電技術裝備的研制
  每一個電壓等級有其自身規律的經濟輸送容量和經濟輸送距離。從國際上電力工業的發展看,當發電量增至4倍左右時,即出現一個新的、更高的電壓等級。十五及以后期間,我國電力工業仍將穩定發展,現有輸電電壓等級已經不能滿足進步的發展需要。我國幅員廣闊,東西寬4000km,實現西電東送就目前國內外科技水平來看,不外乎或是提高交流輸電系統的電壓等級,或是采用超高壓直流輸電系統。交流輸電系統的500kV電壓等級,國內已經采用20年了,1980年底全國發電設備裝機0.65kW,到2000年底交將躍升至3.1kW左右,裝機容量已增加到4.77倍。發電量也以相應的倍數增加。何況在21世紀前期,發電裝機每年仍有發展。因此研制特高壓輸變電技術裝備已是一個很迫切的任務。
  國家電力公司在發展設想中表示:十五期間在西電東送建設中要建立370km750kV電網。750kV電壓等級一回路自然輸送功率約2 300MW,經濟輸送距離在1 200km以內。國外在750kV電壓等級上已有比較成熟的技術,國內研制750kV裝備也有一定基礎,只要國家、用戶給予支持,國內廠、所、院校通力合作,奮發創新圖強,加大科研開發的投入力度,有希望在35年內完成750kV設備樣機的研制。
  750kV在西北的現330kV系統地區發展是比較合適的。但全國其他地區最高系統電壓已為500kV。這些地區的系統電壓升級,采用1 1001 200kV電壓等級是較適宜的。因而750kV設備的開發,也為今后進一步研究發展1 1001 200kV特高壓輸電設備打下基礎。
 
  七、研究開發柔性輸變電系統(FACTS)用技術裝備
  柔性輸變電系統是以電力電子技術和計算機技術為基礎,為解決電力系統發展中遇到系統輸電能力穩定極限限制和電網短路電流不斷提高的矛盾和問題提供新的發展文獻。FACTS的概念是:在交流輸電系統的主要部位采用具有專門或綜合功能的電力電子器件和現代控制裝置及組合體,對系統的運行參數如電壓、相位差、電抗等以至網絡結構進行調控,實現對交流輸電功率的靈活快速控制,從而大幅度提高現有高壓輸電線路的輸送能力,實現輸送功率的合理分配,降低功率損耗和發電成本,提高系統運行水平和可靠性。
  現有的電網控制和管理仍處于機械式的操作和人工管理方式。變壓器的有載調壓,斷路器的保護動作,各種開關電器的操作均由機械來完成最后的操作。機械運動的慣性限制了控制動作的速度,從而影響到事故處理的時機和系統穩定性控制的成功?,F有設備的信息傳遞難以適應電力系統控制中日益發展的計算機控制系統的要求。此外現有斷路器其分斷能力和系統的動、熱穩定性已接近現有技術條件下的極限范圍,難以解決短路電流不斷增長的系統需要。這都說明現有交流輸變電系統已面臨更新換代的發展形勢,研制新的裝備是系統發展的需要。
  FACTS作為電力系統的新技術對現有交流輸電系統來講是可以兼容的,可以在現有設備不做重大改變的條件下逐步加入,并行發展,以漸進的方式改變電力系統的面貌。目前,國外已進入實用階段或工業示范期的FACTS設備有:靜止無功補償器,靜止調相器,可控串聯電容補償器,故障電流限制器等。隨著FACTS技術的不斷發展,還有可能出現新的控制器種類。
 
  八、限流(斷路)器和固態斷路器的研究
  電力系統的規模和容量不斷增大,導致故障短路電流急劇增加。目前,超高壓斷路器最大開斷短路電流為80kA,在現有技術前提下,基本上已達到物理極限。為了適應系統容量的不斷增加,同時又要限制短路電流使其適合斷路器的分斷能力,1974年美國學者Falcone提出開展研究限流裝置的設想。1966CIGRE成立了WG13、10工作組,在全世界范圍內調研限流斷路器的進展情況。
  限流(斷路)器的工作特點是:在故障發生時,迅速提高回路阻抗,將故障電流限制到較低水平,然后將其開斷,或由斷路器配合,開斷故障回路。限流(斷路)器改變了傳統開關電器只有或為零阻抗,或為無窮大阻抗的兩工位器件的概念。在理想狀態下,系統發生過載或短路時,能對應故障電流的大小增大阻抗,從而達到限制系統電流的目的。
  從電路理論上講,可以利用多種物理現象實現這種設想,例如:諧振回路、電弧的物理特性、半導體的特性、超導技術、水銀的相態變化等等。利用某些電力電子器件的特性既可以實現在電流第一次自然過零之前通過轉移回路產生人工高頻零點而開斷的限流斷路器,又可實現在電流第一次自然過零時開斷電路和固態斷路器(又稱靜態斷路器)?,F代電力電子技術和微電子技術的發展和相互結合滲透,對實現上述設想技術上已有可能。為實現限流斷路器和固態斷路器的實用化、商品化,需要進一步研究解決高電壓大容量功率電子器件的發展、降低自身的損耗、器件的串并聯及過壓保護、過流保護、同步驅動觸發、降低器件成本和限流斷路器、固態斷路器的設計技術和可靠性問題。
  限流器的商品化,將改變變壓器、高壓斷路器、隔離開關等主要輸變電技術裝備的設計思路,使變壓器、開關等新一代產品的設計原則發生重大變化,如變壓器的短路阻抗變小,損耗進一步減輕,短路電流產生的機械應力將會減少,變壓器重量減輕,CT動、熱穩定電流的要求降低。高壓開關的設計也無需追求高參數的斷流容量及動、熱穩定性。高壓開關及高壓隔離開關將主要承擔電路接通和隔離的功能。
 
  九、新的傳感技術在輸變電技術裝備中的應用
  在輸變電系統中參數測量對象最多的是電流及電壓。20世紀60年代以來,科技較發達的國家將注意力集中到應用光電子學技術實現電力系統中電流和電壓參數的測量。采用光學傳感技術可以克服傳統電磁式互感器固有的磁飽和、鐵磁諧振、動態范圍小、使用頻帶窄等難以全面滿足電力系統發展要求的弱點。國際上經歷了半個世紀的研究,從原理性研究到實驗室樣機,以至近年的掛網試運行,取得了很大進展。我國也已有一些單位開展光電式電流互感器(OCT),估計再經10年左右的時間,OCT會在多種電壓等級中大量采用。
要使OCT21世紀前葉推向運行,尚需重點研究解決:
 ?。?/span>1)減小磁光材料雙折射效應對OCT性能的影響;
 ?。?/span>2)減小溫度變化對OCT測量精度的影響;
 ?。?/span>3OCT的長期運行穩定性研究。
 
  十、超導技術在輸變電技術裝備中的應用
  20世紀60年代實用超導體的出現,80年代初工頻超導線的研制成功和80年代后期高臨界溫度超導體的發現,開辟了超導電力的新時代。21世紀前、中期最有希望得到電力方面實際應用的有超導儲能、工頻超導變壓器、工頻超導限流器和高臨界溫度超導輸電。
  超導儲能的轉換效率可高達95%,響應時間可快至幾毫秒,可用于電力系統的峰谷調節和能量管理,可用來消除電力系統的低頻功率振蕩,從而穩定系統的頻率和電壓,可用于無功功率控制和功率因數調節以提高輸電系統的穩定性和傳輸容量。美國在80年代初建成了用于提高其西部電網穩定性的30MJ的超導儲能系統,使系統極限輸送容量增加400MW。日本也有一個建造480MJ的超導儲能裝置計劃。我國早在20世紀70年代中期也開始了儲能裝置的研制。
  超導變壓器在同容量下是常規變壓器重量的40%,在大容量時超導變壓器的投資比常規的低。法國、日本、美國在80年代都相繼研制了工頻超導變壓器,日、美、法3家公司聯手開發的三相630kV·A18.7kV  420V)是目前唯一的一臺掛網運行的高溫超導變壓器。它用低溫液氮冷卻,運行溫度為77K。變壓器采用3個致冷器和一個室溫條件下的工作鐵心。預計再過710年,高溫超導體將具有合理的成本和更優越的性能。所以在未來的10年左右,高溫超導變壓器將面臨很大的市場機遇。國外的一些公司,目標是在不改變現有電力系統的情況下,用高溫超導變壓器直接代替現有的常規變壓器超導限流器動作時間快,在系統發生短路故障時可限制短路電流,降低高壓斷路器開斷容量、降低回路過電壓。法國在19931995年研制了7.2kV/1kA40kV/315A的超導限流器,日本研制了66kV/1.5kV15kV/10.6kA高溫超導故障限流器。
  超導輸電用超導電纜輸電容量大,體積小,損耗低,是比較理想的輸電通道。日本曾研制長7m,66kV/1kA的同軸磁屏蔽的三相高溫超導電纜和5m,66kV/2kA的三相高溫超導電纜。美國也研制30m三相高溫超導電纜。國外超導電纜以2010年達到實用化為目標。日本東京電力公司與住友電工已共同開發了線損只相當于常規電纜線材線損的1/10的高溫超導電纜線材,為增大電流量、縮小放置空間和降低線損創造了條件。
 
  十一、特高壓技術裝備試驗技術研究
  開發特高壓輸變電技術裝備,必須開展特高壓輸變電技術裝備的試驗技術研究。特高壓技術裝備是集電場、磁場、力場、溫度場等多種物理場共同作用下工作的,其中許多場的現象還難以完全用理論公式來推演,尤其是一些功能材料在諸多物理場共同作用下呈現材料性能或極化現象,目前尚無確定的理論分析方法,都需要憑藉試驗取得數據結果。同時特高壓技術裝備和超高壓技術裝備一樣,裝備的研究開發是不允許在未經過試驗認定技術性能以前上網投運的,更不能以電網為試驗場所。在國際貿易過程中,我國在輸變電裝備的進出口貿易上,也需要專門的試驗技術為商檢服務。因此特高壓技術裝備的試驗技術及試驗設施必須得到應有的重視。
  特高壓輸變電技術裝備的試驗技術包括了許多近代技術手段的應用研究?,F代測試技術及設備發展十分迅速,傳感技術也日新月異,在研究這些技術應用過程中,有時還需針對性行業裝備的特點,解決新問題,研制新測試專用裝備。而這些研究及專用測試設施的建立還需走在設備研制的前面。所以試驗技術不僅內容多,任務重而且時間已經十分緊迫,應該早有所為,避免工作的損失。
 
  十二、輸變電技術裝備配套用材料、元件和部件
  輸變電技術裝備需要使用許多材料、元件和部件與之配套。整機質量與水平的提高,也必須使這些配套使用的材料、元件和部件同步地提高產品質量和技術水平及技術含量。目前及今后一段時間,通過企業改制后,將會擴大配套用部件、元器件的企業群體,壯大專業化的生產隊伍,同時也加大配套件廠間的競爭力度。這無疑將推動配套件的發展。配套件的發展應在提高產品質量的基礎上,加快技術創新,增加產品的環境適應性和運行可靠性,改進外形設計,提高工藝質量和降低生產成本
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