“電力天路”飛越世界屋脊——全球海拔最高特高壓直流輸電工程的創新故事

來源：科技日報

12月18日，國家電網金上—湖北±800千伏特高壓直流輸電工程（以下簡稱“金上—湖北工程”）建成投運。

該工程是特高壓直流首次深入川藏高原腹地，將金沙江上游的清潔能源從1900公里外“打捆”閃送至湖北大冶換流站。面對高海拔、地形復雜等挑戰，工程人員勇闖技術“無人區”，推動多項科技創新成果落地應用，實現了核心裝備與工程技術從“有”到“優”的跨越。

革新：讓巨型電力樞紐擁有“分身術”

億萬年的地質演變，造就了橫斷山脈的獨特地貌。穿過橫斷山脈的金沙江蓄積著巨大的水能。在這里，水電站將水能轉化為電能，而換流站則將電能轉化為適合遠距離輸送的直流電。

安放一座常規布局的特高壓換流站，至少需要長350米、寬400米的平整場地，但橫斷山脈地形破碎。2020年，國網經濟技術研究院有限公司的選址隊伍在大山里地毯式摸排，勘探10個多月都未能找到合適選址地點——低海拔地區的平地人口密集，難以找到整塊用地；海拔超過3800米的區域雖有平整場地，但現有特高壓設備又無法適應。

面對無處安放的困境，設計團隊陷入了僵局。

轉機來自成套設計項目經理徐瑩在更換一組干電池時的靈感乍現：特高壓換流站內4個負責交直流轉換的換流器，就像4枚干電池，從理論上講，將其置于一個盒子里串聯可行，拆分成兩組用導線串聯同樣可行！

把換流器兩兩拆開、分址建設，雖然能縮減單站占地面積，破解場地不足的困境，但也帶來了新問題，最大的難題是直流設備的接線拓撲。系統設計，牽一發而動全身。每一處接線，乃至設備布置先后順序的更改，都會帶來大量變動。

徐瑩回憶，設計之初首先要回答的是一道道選擇題，“比如，換流站一分為二后，兩站都有接地需求，接地極線路是分別建設，還是先匯集再統一接地呢？哪種方案更安全，更經濟呢？”

因為無先例可循，設計團隊只能通過不斷計算分析，選出最優方案。

從幾條設計路線出發，團隊反復打磨兩年，先后迭代出二十幾套方案。2023年3月，全球首例分址級聯技術體系正式誕生。

最終，金上—湖北工程送端換流站被拆分為±400千伏卡麥站和±800千伏幫果站。一條±400千伏直流線路替代多條500千伏交流線路，將兩站串聯，實現了上下游400公里范圍內7座水電站就近接入，不僅節約了工程投資，還降低了對環境的影響。

提速：給電力安全響應系統換上“高速引擎”

如何確保換流站在極端環境下的穩定與安全，是工程師們面臨的又一重大挑戰。其中最關鍵的是保護大型充油設備——換流變壓器。一旦它發生短路故障，幾千甚至上萬攝氏度的短路電弧炙烤著器身內百余噸絕緣油，極易引發嚴重安全事故。

工程師們將目光投向了已經問世超半個世紀的六氟化硫斷路器——這是變壓器的“空氣開關”，能在50毫秒內切斷故障短路電流。

“還不夠快！”中國電力科學院高壓所副總工李志兵組建團隊，從斷路器的各個分閘步驟入手，探索提速可能。

脫扣裝置動作如同“扣動扳機”，是分閘的第一步，按照傳統做法，這個過程需要14毫秒。

最初，團隊試圖通過優化啟動線圈來提速，但始終卡在10毫秒。

傳統的優化路徑已難以實現進一步突破。

“必須尋找新的解決方案！”李志兵在系統分析后意識到，問題的根源在于源頭的“力”不夠強，才需要一套復雜而遲緩的兩級液壓油閥來放大它。

一個大膽的構想在他腦中迸發：低壓快速斷路器的直驅操動機構如同一位“刺客”，力道迅猛，無需任何液壓助力，就能直接驅動10千伏的斷路器。能不能用這款操動機構，來直驅高壓斷路器的液壓油閥？

構想激動人心，但落地之路布滿荊棘。為了將這款機構“嫁接”進高壓斷路器，李志兵帶領團隊開啟了一場“從0到1”的攻堅戰。

他們量身定制線圈構型，開發了能夠瞬時提供充沛電能的電容單元，為這位“刺客”配備了更高效的武器；同時創新引入兩位三通閥，實現液壓動作一步到位。

最終，他們創造了奇跡。經過反復迭代，啟動時長直接降至4毫秒！

有了第一個奇跡般的突破后，團隊又將目光瞄向其他分閘步驟，與時間賽跑。

4年、10余臺樣機、數萬次試驗，團隊硬生生從3個步驟中“摳”出25毫秒，研發出滿足極端環境要求的快速斷路器，將開斷時間縮短一半，為設備筑牢了安全屏障。

優化：助設備“瘦身強體”克服高原反應

在海拔3000米的世界屋脊，稀薄的空氣如同隱形的“破壞者”，悄然削弱著設備的絕緣防線，電氣設備也因此患上“高原反應”。

為了應對這一挑戰，設計團隊不得不為設備“增肌壯骨”，研制全系列高海拔專用設備。例如，兩座換流站的500千伏斷路器，均選用了絕緣水平達750千伏的套管，直流場設備額外延長了一米絕緣距離，顯得格外壯碩。

然而，按海拔修正系數放大設備外絕緣尺寸并非應對“高反”的萬能鑰匙。面對換流閥等復雜的結構，它便力不從心。

每個換流閥由6個閥組件、數十個晶閘管組成，每個晶閘管還要配套電容電阻、控制模塊和冷卻模塊等附件。高海拔影響每一種元器件的絕緣性能；密集的宇宙射線也威脅著晶閘管的可靠性。此外，一片晶閘管價格不菲，經濟性也得考慮。這讓換流閥的設計成了一場走平衡木的考驗。

現有的試驗標準、校正參數和模擬軟件與3000米以上的環境是否適配？這個問題之前尚無人突破，自然無法給出肯定答案。

設計團隊一頭扎進位于青海和西藏的高海拔特高壓實驗室里，開展真型實驗，反復打磨數據。

海拔3000米時，晶閘管的耐受電壓下降27.4%，修正系數為1.377；閃絡電壓下降23.4%，修正系數1.305……最終，團隊從實驗中得出結論：幫果站每個閥組用84片晶閘管為宜。“我們甚至實現了8%的晶閘管數量壓減，將設備穩定可靠性和精益化設計推到了極致！”徐瑩難忘完成設計時的激動。

黨的二十屆四中全會提出，加快建設新型能源體系。持續提高新能源供給比重，推進化石能源安全可靠有序替代，著力構建新型電力系統，建設能源強國。

“金上—湖北工程通過一系列科技創新，打破了特高壓直流輸電的‘海拔魔咒’，在雪域高原架起了一條‘電力天路’。”國網四川省電力公司直流分公司金上運維站副站長周立龍說，“目前，運維團隊正在探索幫果站遙控卡麥站的遠程集控運維模式，提升運維效率，為未來特高壓深入青藏高原腹地積累經驗。”