“电力天路”即将诞生，我国科研团队勇闯技术“无人区”

原创 董鹏程 羊城晚报 广东

9月16日，藏东南至粤港澳大湾区±800千伏特高压直流输电工程（以下简称“藏粤直流工程”）建设动员大会召开。这项跨越2600公里、输电容量达1000万千瓦的超远距离特高压柔性直流工程，创下多个世界之最，但也面临诸多技术难题。

此次，中国南方电网有限责任公司与国家电网有限公司再度携手，探索大规模新能源送出技术“无人区”，为藏粤直流工程建设提供强大技术支撑。在这条即将诞生的“电力天路”背后，科研团队的攻坚故事十分动人。

在藏粤直流工程云南段，南方电网超高压公司大理局技术人员深入无人区开展线路踏勘

千百次试验摸清电场“脾气”

2023年大年初一，在云南省迪庆藏族自治州香格里拉市红坡村，3400米的高海拔使得这里的空气氧含量不足14%。

伴随着空气间隙击穿的放电声，一群科研工作者紧盯着屏幕上的放电曲线和放电图像，期待捕捉关键试验数据。

高压电力设备之间的空气间隙在超高电压下可能会被电流“击穿”，形成类似闪电的导电通道，影响电力设备安全。因此，为支撑藏粤直流工程建设，急需开展3000米以上海拔的长空气间隙放电真型试验，摸清楚电场的“脾气”，掌握换流站中高压设备在高海拔特高压直流运行电压下的安全距离底线。

“接到这个任务时，我们心里很忐忑，基础条件一片空白，困难和障碍太多，第一感觉就是‘不可能’。但既然任务交给了我们，就要想尽办法完成。”团队负责人刘磊回忆道。

在海拔高达3400米的云南迪庆香格里拉红坡村，南方电网公司科研人员开展放电试验，掌握换流站中高压设备在高海拔特高压直流运行电压下的安全距离底线

高海拔地区的自然地理环境给试验带来了难以想象的困难。氧气含量低、昼夜温差大、紫外线强、风速考验，加上试验窗口期短、数据要求高。为保证试验研究工作顺利进行，南网科研院党委成立南网科研院高海拔试验临时党支部，凝聚精干力量组织连续攻关。在临时党支部的领导下，团队秉持“缺氧不缺精神”的态度，累计开展并完成棒板、球板、均压环对地等试验项目23大类、114组试验、冲击放电3000余次，获得了宝贵的高海拔放电硬核试验数据。

那一天，夜里气温低至零下10摄氏度，但每个人都热血沸腾。抓取到有效的放电曲线和放电图像那一刻，现场欢呼声四起，因为这意味着经过长时间的前期辛苦准备，他们把不可能变成了可能，为藏粤直流工程建设积累了宝贵数据。

三年打造一颗坚强“心脏”

柔性直流换流阀堪称柔性直流输电系统的“心脏”，然而，它有时会遇到“能量爆棚”的麻烦——受端交流电网发生短路故障时，大量盈余能量会不断进入换流阀功率模块，导致直流系统因过电压闭锁，威胁电网安全稳定运行。这种问题在输电容量达到1000万千瓦、输电距离超过2600公里的藏粤直流工程中尤为明显。

“打个比方，当道路上突然发生严重车祸时，车流就会瞬间拥堵，交通压力急剧升高，导致交通瘫痪。这时我们就需要开一条支路，帮助纾解这种压力。”赵晓斌说。

传统的柔直系统普遍采用集中式直流耗能装置，虽然也能实现受端电网交流故障穿越，但存在占地面积大、成本高等问题，不利于大规模新能源经济高效送出。

为适应发展需求，中国南方电网有限责任公司联合科研单位、国内高校、设备厂商联合攻关，共同踏上自主研发之路。团队首次提出全新的能量自平衡柔性直流换流阀拓扑结构——在现有的换流阀功率模块中，增加一个包含电子开关和电阻的能量自平衡支路，为柔性直流输电系统打造一颗坚强“心脏”。如果系统故障，盈余功率导致功率模块电压抬升时，该支路开关就会闭合，盈余功率通过电阻得到泄放，功率模块电压降低，保障系统安全。

但是，需要什么样的开关和电阻？“那段时间，我们就像在迷宫里找出口。”团队骨干周月宾回忆说，“我们想出个‘笨办法’：把上百种可能出现的电网故障情况全都输入电脑，用仿真软件一遍又一遍模拟。”有时候仿真要跑上一整天，团队成员就守在电脑前，盯着屏幕上跳动的数据，困了就轮流趴在桌上眯一会儿。

无数次尝试后，他们摸清了开关和电阻的使用边界和设计原则，提出了开关和电阻的参数选型及投退策略，为能量自平衡换流阀装备研制打下基础。

历时3年，团队攻克了特高压超长距离和新能源接入柔性直流输电系统的能量快速平衡关键技术难题，研发出世界首套能量自平衡柔直换流阀，以更紧凑、更经济、更安全的方式实现受端交流电网故障全穿越。

解密核心元器件的“高海拔反应”

广东东莞，中国散裂中子源靶站大厅。一群30岁左右的年轻科学家，正全神贯注地投入到大气中子加速辐照实验中。随着仪器的运转，看不见的中子束正被加速，一场与微观世界的美丽“邂逅”正在上演。

IGBT等功率器件是柔性直流换流阀实现交直流转换功能的核心所在，其性能直接关系到输电系统的稳定运行。

我国西藏地区平均海拔普遍较高，宇宙射线大气中子通量可达到平原地区的20倍以上，如果继续采用平原地区的工作电压，运行中的功率器件就可能受到宇宙射线大气中子的辐射影响发生功能失效问题。然而，国内外相关数据却比较匮乏。这一知识空白无疑给藏粤直流工程的设计与建设带来了巨大挑战。

为此，南网科研院派出科研人员多次前往东莞中国散裂中子源开展大气中子加速辐照试验。

“我们利用国家大科学装置——散裂中子源中的大气中子加速辐照试验平台，加速模拟宇宙射线进入大气层后产生的大气中子辐照环境，使换流阀核心功率器件在几个小时的内辐照到数十年的中子计量，快速模拟它们在高海拔环境下的运行状态。”南网科研院团队骨干杨柳说。

实验室中，团队成功验证了高海拔大气中子导致的功率器件随机失效率增加的现象，获得了阀厅最低工作温度条件下柔性直流换流阀在高海拔地区的安全工作电压，得到最高的失效率，为藏粤直流工程中高海拔柔性直流换流阀设计提供了宝贵数据和重要指导。

“以前，我们的科研人员始终觉得宇宙射线对功率器件的影响是非常玄乎的事情。中子试验让我们获得了非常宝贵的试验数据，认识到这种影响是客观存在的，这对我们探索未来高海拔地区的柔性直流技术至关重要。”周月宾表示。

经过不懈努力，项目最终成功攻克了直流设备制造、外绝缘、空气净距、电磁环境等领域的一系列关键核心技术，在世界上首次实现千万千瓦级超远距离多端柔性直流交直流故障穿越等多个突破，推动大功率半导体器件、大容量换流阀、换流变压器等全套特高压核心装备首次进入4000多米超高海拔，进一步扩大我国在电力领域的国际领先优势。

科学家精神，正闪耀雪域高原之巅，照亮这条“电力天路”的前行方向。

来源 | 羊城晚报、羊城派、金羊网

原标题：《“电力天路”即将问世，我国科研团队如何勇闯“无人区”？》

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