（电力系统及其自动化专业论文）特高压输电技术研究和应用综述.pdf

a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ed i s t r i b u t i o no fe n e r g yr e s o u r c ea n dl o a dd e t e r m i n et h a tw eh a v e t oc o n s t r u c tl o n g d i s t a n c e ，g r e a tc a p a b i l i t yu h vt r a n s m i s s i o nl i n e t h e r e b y , t h e p r o b l e mt h a tm u s tb es o l v e di nt h ed e v e l o p m e n to fu h vi st os t r e n g t h e nt h er e s e a r c h o fu h vt r a n s m i s s i o ns y s t e m f i r s t l y , b a s e do nt h ed i f f e r e n c e so ft e c h n i c a la n de c o n o m i cc h a r a c t e r i s t i c so f u h v a c u h v d c ，t h e i ra p p l i c a t i o n si nc h i n aa r ec o m p a r e di nt h ep a p e r t h e n ，s o m e i m p o r t a n t t e c h n i c a lp r o b l e m so fu h v a c u h v d c ，s u c ha sr e l i a b i l i t y , s t a b i l i t y , e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n to fp o w e rg r i da n dd c a cc o o r d i n a t i o na r ed i s c u s s e d a n dc o m p a r e d s e c o n d l y ，f o ri m p r o v i n gt h el i g h t n i n gp e r f o r m a n c eo fu h vt r a n s m i s s i o nl i n e ， t h ep a p e rp r o p o s e st h ec a l c u l a t i n gm o d e lo f l i g h t h i n gs t r i k ew i d t ho ft r a n s m i s s i o nl i n e w h i c hi sb a s e do nt h es t r i k i n gd i s t a n c et h e o r y w i t hs u c hm o d e l ，t h eb a c ks t r i k i n g t r i p - o u tr a t eo ft r a n s m i s s i o nl i n ei sc a l c u l a t e d t h e nb a s e do nb o t he m t pm e t h o da n d e g mm e t h o d ，t h el i g h t n i n gw i t h s t a n dp e r f o r m a n c e so fb a c ks t r i k i n g ，s h i e l d i n gf a i l u r e f o ru h vt r a n s m i s s i o nl i n ea r ea n a l y z e d r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h es h i e l d i n g f a i l u r ei st h em a i nr e a s o nf o rl i g h t n i n gs t r i k i n gt r i p p i n go fu h vt r a n s m i s s i o nl i n e s b e c a u s eu h v d ct r a n s m i s s i o nl i n ee x i s t s p o l a r i t yp r o b l e m ，t h ec r i t i c a lc u r r e n t r e q u i r e df o rf l a s h o v e ro fn e g a t i v el i n ei sf a rh i g h e rt h a nt h a to fp o s i t i v el i n e f i n a l l y , t h ec u r r e n ts 咖so fe q u i p m e n t sm a n u f a c t u r eo fu h vt r a n s m i s s i o n p r o j e c t ，e s p e c i a l l yt h ee s t a b l i s h m e n to fu h vt e s tb a s e ，h a sb e e ni n t r o d u c e di nt h i s p a p e r t h e ns o m et e c h n i c a lp r o b l e m so fu h vs y s t e m ，s u c ha so v e r - v o l t a g ea n d i n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o n ，h i g h - l o wv o l t a g ee l e c t r o m a g n e t i c ，a c d ch y b r i do p e r a t i o n ， a r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：u h v a c ；u h v d c ；l i g h t n i n gp r o t e c t i o n ；l i g h t n i n gs t r i k ew i d t h ；t e s t i n g s i t e ；o v e r - v o l t a g e ；i n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o n ；l o o p e de l e c t r o m a g n e t i e a l l yc o u p l e d p o w e rn e t w o r k s ；h y b r i do p e r a t i o n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国外特高压发展概况 上世纪6 0 年代起，前苏联、美国、日本、意大利、加拿大等国开始进行了 特高压输电的可行性研究，并取得了重要成果。前苏联是最早开展特高压输电技 术研究的国家之一，于1 9 8 5 年建成了埃基巴斯图兹一科克切塔夫特高压交流线 路，并于1 9 8 8 年完成科克切塔夫一库斯坦奈延伸段的建设，总长约9 0 0 k r n ，曾 以11 5 0 k v 全电压累积运行四年左右的时间。日本从1 9 7 2 年启动特高压输电技 术的研发计划，完成盐原、赤诚等特高压试验研究基地的建设。在此基础上，于 1 9 9 3 年建成柏崎一西群马一东山梨南北向特高压输电线路，长度约1 9 0 k m ；于 1 9 9 9 年建成南磐城一东群马一西群马东西向特高压输电线路，长度约2 4 0 k m 。 1 9 9 5 年在新榛名试验站安装特高压g i s 成套设备，随即加1 0 0 0 k v 全电压试运行， 到2 0 0 6 年6 月底为止，累计加压时间已有2 4 1 3 天。美国、意大利、加拿大、瑞 典等国也在进行特高压输电相关技术的研究，如特高压输电的电晕和电场、生态 和环境、操作和雷电冲击绝缘等。可以看到，截至今日，技术问题已不是特高压 输电发展的限制性因素，从技术来看，特高压输电应该是完全可行的。而为什么 特高压输电在上世纪9 0 年代陷入低潮，是大家关心的问题。 下面从已有特高压输电研究和应用的国家来看特高压输电的发展。日本于上 世纪9 0 年代初建成两条1 0 0 0 k v 特高压交流线路，原计划将柏崎、福岛等海边 核电站大量电能向东京等地输送。但由于部分核电机组群投产进度推迟，没有足 够的电力容量需要输送，已建的两条特高压输电线路一直以5 0 0 k v 降压运行至 今。而前苏联规划在哈萨克斯坦的埃基巴斯图兹煤矿基地建设数座容量为 4 - - 6 g w 的发电厂【i 】，利用1 1 5 0 k v 特高压交流线路，向俄罗斯的欧洲部分送电。 但由于埃基巴斯图兹煤炭基地的电源( 大型火电厂) 建设延后，已建特高压输电线 路降为5 0 0 k v 运行。且因输电容量大幅度减少以及经费上的困难，停止进一步 建设特高压输电线路。另外，美、意、加等国特高压输电的发展也面临类似的问 题。由于经济发展变缓，社会对电力的需求增长缓慢，这些国家暂时停止了特高 压输电技术的工程应用。因此，上世纪9 0 年代至本世纪初，特高压输电技术发 浙江大学硕士学位论文 展陷入低潮，其根本原因是相关国家的经济和用电的增长速度都比预期低很多， 发展特高压大容量输电的必要性下降。 但近年来，世界经济逐渐复苏并不断发展，特高压输电发展又出现了新的趋 势。例如，随着俄罗斯整体经济状况的好转，基于对电力发展的基本预测，俄罗 斯统一电力公司已计划重新启用1 1 5 0 k v 输电线路，计划于十年内，在巴尔瑙尔 与车里亚宾斯克之间重新架设1 1 5 0 k v 线路，总长度约为1 4 8 0 k r n 2 1 。另外，日本 在福岛地区的核电站群建成后，原计划在2 0 1 5 年左右将现有的特高压输电线路 升压到设计值1 0 0 0 k v 来运行，但由于目前日本东京地区负荷增长较快，已有特 高压线路有可能提前于2 0 1 0 年升压至1 0 0 0 k v 运行【3 】。而瑞典也于2 0 0 6 年底在 路得维克建立了特高压试验中心，将对+ 8 0 0 k v 的直流输电技术进行长期测试。 实际上，目前一些经济增长较快的大国( 如印度、巴西、南非等) 也在不同程度地 开展特高压输电技术的前期研究工作。 综上所述，随着全球经济的不断发展，电力需求的增长速度会不断加快，特 高压输电并没有渐趋沉寂。相反，在全球经济增长的带动下，特高压输电将再一 次得到较快发展，它会在一些幅员辽阔、经济高速发展的大国中获得良好应用。 1 2 国内特高压发展概况 我国自1 9 8 6 年开始便立项研究特高压交流输电技术，并取得一些重要成果， 并培养了一批有较高理论水平和实践经验的工程技术人员。1 9 9 4 年，武汉高压 研究所建成了我国第一条百万伏级特高压输电研究线段；7 5 0 k v 超高压电网从 2 0 0 5 年9 月2 6 日投产以来，安全稳定运行至今，这些为实现更高一级电压等级 的技术装备和工程建设奠定了基础。2 0 0 5 年，国家电网公司和南方电网公司分 别提出建设1 0 0 0 k v 级交流和+ 8 0 0 k v 级直流系统，推进了特高压输电技术进入 试验阶段。目前，我国已完成了特高压输电中过电压与绝缘配合、电磁环境等重 大关键技术研究，特高压设备研制工作全面展开。一些特高压主设备( 如主变压 器、绝缘子和隔离开关等) 已初步试制出来，有些并已通过鉴定；另一些正在研 制中( 如断路器、串联电抗器等) 。同时，我国已开工建设了特高压交直流试验基 地和国家电网仿真中心，两条特高压试验示范工程( 晋东南一南阳一荆门10 0 0 k v 交流和云南一广东士8 0 0 k v 直流) 已经完成工程设计并进入建设实施阶段1 4 巧j 。可 2 浙江大学硕士学位论文 以说，我国特高压输电技术的发展顺利，试验研究能力和工程实践水平得到全面 提升。 1 3 本文所做的工作 我国电网的特点是发电资源和负荷中心的地理分布极不平衡，存在着特高压 输电的需求，以实现我国能源资源的优化配置。加强与特高压输电技术紧密相关 的研究，已成为当前特高压电网发展迫切需要解决的问题。 本文首先从特高压交、直流输电特性入手，探讨特高压输电两种输电模式在 我国的适用场合。又对特高压输电研究中的一些重要技术问题，如输电线路的可 靠性、稳定性、电磁环境和交直流配合等，分别针对两种输电方式展开了比较论 述。 由于特高压输电线路杆塔高度增加，沿途地面状况复杂，气候多变，遭受自 然雷害的几率增加，线路的防雷工作至关重要。针对特高压输电线路的防雷问题， 本文分别对特高压交、直流输电线路反击耐雷性能和绕击耐雷性能进行了详细计 算分析。 最后，本文对特高压输电工程设备研制现状，特别是特高压交、直流试验基 地的建设，作了详细分析和介绍，并就特高压输电系统过电压和绝缘配合，高低 压电磁环网运行，交直流并联运行等相关技术问题进行了详细论述。 浙江大学硕士学位论文 第二章我国特高压交、直流输电的适用场合及其技术比较 2 1 特高压交、直流输电特性 特高压交流电网的突出优点是：特高压交流输电应用于大功率、近距离输 电场合，在经济上有竞争力。可以预见，建设特高压交流输电骨干网替代超高 压交流电网，具有优化资源配置、节约线路走廊用地和有效降低输电损耗等优点。 而特高压直流输电的突出优点是：输电电压高、输送容量大、线路走廊窄， 适合大功率、远距离输电场合。利用特高压直流输电实现大区互联具有优势， 它可以减少或避免大量过网潮流，按照送受两端运行方式变化而改变潮流，能方 便地控制潮流方向和大小。 2 2 特高压输电方式适用场合 2 2 1 国外情况 由于电网输送容量增大、输电走廊布置困难、短路电流过大等原因，美、苏、 日、意等国开始研究特高压交流输电技术。表2 1 列出了主要国家特高压发展 计划的适用场合【6 - 7 1 。 表2 - - i 各国特高压发展计划的适用场合 由表2 1 可知，采用特高压交流输电方式是基于大容量输电的需要，主要 4 浙江大学硕士学位论文 可分为近距离和远距离输电两种方式。俄罗斯因国土辽阔，能源基地与负荷中心 分布较远，输电距离达到2 4 0 0 k i n ，属于典型的特高压远距离大容量输电方式； 而其它几国特高压输电工程的输电距离在2 0 0 5 0 0 k m 范围，属于特高压近距离 大容量输电方式。 可以看到，特高压交流输电方式更多的是用于近距离大容量输电的场合，此 时，它主要用于解决输电走廊布置困难、短路容量受限等关键技术问题，具有不 可替代性。 2 2 2 我国可能应用特高压输电的主要场合 2 2 2 1 近距离大容量输电 随着我国经济和电力工业的迅速发展，电网的建设和发展面临一系列挑战和 问题。我国用电比较集中的沿海经济发达地区己开始出现输电走廊布置困难、短 路电流难以控制等技术难题，亟需解决的关键问题是如何提高输电走廊利用率。 以华东电网长江三角洲地区为例，该区域土地资源非常紧张。例如，据江苏 省电力部门提供的有关信息，江苏省因输电走廊高度紧张，已经重点立项准备研 究改造旧的输电线路，将原有2 2 0 k v 线路改建为同杆四回线路( 两回5 0 0 k v 和两 回2 2 0 k v ) ，以大大提高原有线路走廊的输送能力。近年来，由于征地费用在输 电工程建设中所占的费用比例越来越高，在人口稠密地区和林区，处理走廊所需 赔偿费用有的已占线路总投资的3 0 以上，这就要求电网的规划、发展要有综合、 长远的观点，要充分挖掘每一走廊的容量输送潜力。 该区域的用电除一部分依靠西电东送以外，主要依靠苏北、浙南沿海等地区 的大型燃煤火电厂和核电站群。例如，以浙江为例，境内已建及规划中拟建设的 大型燃煤火电厂如表2 2 所示，总装机容量高达2 6 6 g w ，这些大电厂群均处 于浙南沿海地区。而华东的用电主要集中在长江三角洲，如上海、苏南、浙北等 负荷中心，输电距离约为2 0 0 - 5 0 0 k m 。如果将华东境内大规模火电厂的电力全 部采用5 0 0 k v 及以下电压等级的输电线路送往用电负荷中心，则输电线路回路 过多，线路走廊紧张的问题根本就难以解决。 浙江大学硕士学位论文 表2 2 浙江省已建或规划拟建设大型燃煤火电厂群 从华东电网以大电厂群为主，需要高密度送电的具体情况出发，选择哪种输 电方式或电压等级主要考虑的是方案的经济性。 首先就特高压输电和超高压输电的经济性进行比较。当输电容量超过经济输 电容量时，特高压输电比超高压输电更为经济。国外经验表明，适用的经济输电 容量大约为2 4 0 0 m w t 引。据估计，输送同样容量，1 l o o k v 线路损耗仅为5 0 0 k v 线路的1 5 1 2 ，而1 1 5 0 k v 特高压线路走廊约仅为同等输送能力的5 0 0 k v 线路 所需走廊的四分之一，采用特高压输电明显提高了走廊利用率。对于华东地区土 地资源高度紧张的现状，采用超高压输电方式显然是不合适的。 再看是选用特高压交流还是特高压直流方式，从特高压输电技术发展来看， 1 0 0 0 k v 交流和8 0 0 k v 直流的适用经济输电距离与直流换流站的造价关系密 切。当输电距离超过经济输电距离时，特高压直流输电比特高压交流输电更为经 济。国外经验表明，适用经济输电距离大约在8 0 0 1 0 0 0 k m 之间【9 j o 由于华东电 网的输电距离多在2 0 0 5 0 0 k m ，采用1 0 0 0 k v 交流方案经济性具有优势。 因此，对于华东电网区域内的近距离大容量输电方式，采用特高压交流输电， 具有良好的经济性，它可以很好地解决线路走廊紧张的问题。而像珠江三角洲、 环渤海经济区等这些经济发达地区，也会有类似近距离大容量输电需求，在这种 情况下也可优先考虑特高压交流输电方式。 2 2 2 2 远距离大容量输电 我国水力煤炭资源和用电负荷的分布极不均衡。其中可开发水电资源的2 3 左右分布在西南的四川、云南、西藏三省区，煤炭蕴藏量的2 3 左右分布在西北 6 浙江大学硕士学位论文 的山西、陕西、内蒙古西部等地区，而用电负荷约有2 3 位于东部沿海和京广铁 路以东的经济发达地区。因此，随着西南部水电基地和西北部煤电基地的形成， 我国电力系统会呈现出“西电东送”、“北电南送”的主要格局，其中多数输电距 离为6 0 0 - 2 0 0 0 k m ，输送容量4 0 0 0 2 0 0 0 0 m w 1 0 】。如金沙江一期工程溪洛渡、向 家坝水电站分别装机1 2 6 g w 和6 g w ，期装机总计18 6 g w ，而二期装机总计 1 9 4 g w 。水电站至华中输电距离为1 0 0 0 k m ，至华东输电距离为2 0 0 0 k m t l l 】。 我国规划和建设的“西电东送”项目，无论是金沙江下游水电和四川水电， 还是云南水电，它们都具有输电距离远和容量大的特点。由于其输送容量高达 4 0 0 0 2 0 0 0 0 m w ，输送距离在1 0 0 0 2 0 0 0 k m ，此时采用特高压直流输电，具有明 显的经济性，应该采用特高压直流输电方式。而对于“北电南送项目，将华北 大型坑口火电厂群的大量电能输送至华中和华东，采用特高压直流输电也是合适 的。因此，在远距离大容量输电项目上，特高压直流输电方式具有明显的优势。 2 2 2 3 大区主干网 现有5 0 0 k v 区域电网除了输电能力不足，需要发展特高压输电满足近距离 大容量输电的要求外，在电力负荷密集地区短路电流过大也成为其突出的技术问 题。 为了解决由电网输电容量增大引起短路电流过大的问题，可以考虑构建更高 一级电压等级的主网架。可以预见特高压交流主网架的形成会经历两个阶段。特 高压线路建设初期，由于尚不能形成主网架，线路的负载能力较低，此时主要用 于大电源的集中送出，并可能会因该特高压线路故障跳闸而给系统稳定造成影 响。此时，下级5 0 0 k v 电网还不能解环运行，尚不能有效地降低短路电流。但 随着1 0 0 0 k v 电压等级电网的不断加强，特高压交流线路最终会形成主干环网， 此时，可以采用分层分区运行方式，从根本解决5 0 0 k v 电网短路电流过大等系 统安全问题。 因此，发展更高一级电压的电网形成大区主干网，需要分阶段分地区建设， 最终逐步形成较为完善的上一级网架结构。 2 2 2 4 大区电网互联 7 浙江大学硕士学位论文 目前，我国已形成6 个跨省区大电网：华东、华北、东北、华中、西北及南 方电网。各电网中5 0 0 k v ( 包括3 3 0 k v ) 主网架逐步形成和壮大。而从上世纪九十 年代起，葛上5 0 0 k v 直流线路实现华中和华东两大区电网非同步联网，标志着 我国进入大区电网间互联的时代。 利用特高压电网实现大区电网互联( 包括交流、直流和交直流并联三种输电 方式) ，除了满足远距离大容量输电的要求之外，还可以实现跨大区、跨流域水 火电互济，优化全国范围内能源资源配置，并满足我国电力市场交易灵活的要求， 促进电力市场的发展。 以特高压直流输电方式实现大区非同步联网运行，两端交流电网分别按各自 频率、电压独立运行，可以按规定和需要控制功率，并不传送短路功率，有利于 提高系统的稳定性。而利用特高压交流输电方式实现同步联网运行，对互联两个 电网的同步能力要求很高，另外还会导致交流短路容量的明显增加。从国内外的 实践经验来看，在大区联网场合，特高压直流会比特高压交流更具优势。当然， 采用特高压交流输电进行大区电网互联也是有可能的，在这方面可以开展进一步 的深入研究。 2 2 2 5 我国特高压输电方式适用场合总结 在特高压输电的应用中，主要定位于功率输送的特高压线路首先考虑的是经 济性，而作为系统互联的特高压线路则要把系统的稳定性放在第一位。我国特高 压交、直流输电的应用是相辅相成、互为补充的。综合前面几节的讨论，从我国 电网的实际情况出发，特高压交流输电主要定位于近距离大容量输电和更高一级 电压等级的网架建设；特高压直流输电主要定位于送受关系明确的远距离大容量 输电以及部分大区、省网之间的互联。表2 3 为我国特高压交、直流输电的适 用场合总结。 浙江大学硕士学位论文 表2 3 我国特高压交、直流输电适用场合 输电方式适用场合 1 0 0 0 k v 级交流输电 士8 0 0 k v 级直流输电 近距离大容量输电 区域电网主网架 大区同步互联( 需进步研究) 远距离大容量输电 大区非同步互联 2 3 特高压交、直流输电的可靠性研究 特高压输变电工程的可靠性，指的是输变电工程本身因素及所处的大气环境 因素引发的故障概率，对输电能力的影响及其经济损失。它是系统安全运行的重 要指标。无论是交流还是直流，都应建立相应可靠性模型，构筑可靠性指标体系， 建立完善的安全运行制度，并分析影响系统可靠性的关键元件，采取必要措施提 高特高压输电的可靠性。 考虑交流输变电工程各个设备统计的故障概率、维修概率和n 1 准则，特高 压交流工程可靠性的主要指标有年平均中断输电的概率( 次年) 和平均中断输电 持续时间( 次) 。表2 4 为前苏联19 8 5 年一1 9 9 2 年三种电压等级线路运行可靠 性统计数据1 2 1 。 表2 4 前苏联5 0 0 、7 5 0 和11 5 0 k v 线路统计故障率 为了反映直流系统的系统设计、设备制造、工程建设及运行等各个环节的水 平，特高压直流工程的可靠性指标主要由以下五种组成：强迫能量不可用率、计 划能量不- q n 率、换流器强迫停运率、单极强迫停运率、双极强迫停运率【1 3 】。 其中，能量不可用率e u 表示在统计时间内，由于计划停运、非计划停运或降额 9 浙江大学硕士学位论文 运行造成的直流输电系统的输送能量能力的降低，包括强迫能量不可用率和计划 能量不可用率。表2 5 为已有+ 5 0 0 k v 直流工程和8 0 0 k v 特高压直流工程推 荐的可靠性指标【】4 】。 表2 - 5 直流输电系统可靠性指标 相对于特高压交流发输电系统，特高压直流系统多了换流器等直流一次设 备，换流器在交流和直流侧都产生谐波电压和谐波电流，不利于电网系统的稳定 控制；同时根据我国现役+ 5 0 0 k v 直流工程故障原因分析表明，由直流控制和保 护导致的系统强迫停运的几率较高。而特高压直流系统的二次设备运行控制更加 复杂，系统的设备故障率可能更高。总体上说，整个特高压直流输电系统的可靠 性不如特高压交流输电系统。 2 4 特高压交、直流输电的稳定性研究 现代电网具有大机组、高参数、超高压等特点，安全稳定问题突出，在国内 外均有稳定破坏导致大面积停电事故。 特高压交流输电方式用于近距离大容量输电，可以满足受端电网内大容量电 厂输电的需要。将大容量电厂接入1 0 0 0 k v 特高压电网，并由特高压电网向地区 负荷供电，可以实现对受端系统的电压支持，提高全网的稳定水平，以接受更多 的由远方电源送来的电力。但特高压交流输电也存在安全稳定隐患，由于特高压 交流线路输送的功率大，当以单回线向受端电网输电的线路超过受端系统负荷功 率的1 0 0 o , , 1 5 【l 引，会因线路故障跳闸而危及受端电网安全运行。同时，当一个 大电厂通过多回特高压大容量输电线路送至同一地区，一旦发生多重故障造成同 一走廊上多回特高压输电线路同时跳闸，会给区域电网安全运行带来严重影响。 1 0 浙江大学硕士学位论文 因此，某一地区若有多条特高压线路馈入送电，这些输电线路不应该由个另f j 大电 厂集中送出，最好由数个不同的大电厂分多条特高压输电线路从不同地方送入。 这样，一旦出现某回特高压线路故障停电，不至于对整个系统造成致命影响，从 结构上保证电网安全稳定运行。 同样，特高压直流输电方式用于远距离大容量输电，也会出现稳定问题。首 先，由于特高压直流输电电压等级高，每k w 设备造价和每k m 线路的造价很高， 可能出现长时间内单回线运行的状况，而输电容量又非常大。如建设的8 0 0 k v 云广直流输电工程，送电容量约占2 0 1 0 年南方电网西电东送容量的l 4 ，约占云 南电网用电负荷的1 3 、约占外送电力的2 3 1 6 】。当电源或者线路发生故障时，将 对受端电网的安全稳定运行产生严重影响。同时，当多条特高压直流输电线路的 受端落点电气距离很近，形成多馈入直流输电系统的时候，一次故障可能引起多 个逆变站同时或相继发生换相失败，甚至导致直流功率传输的中蝌1 7 】，给整个 多馈入直流输电系统带来巨大冲击。研究表明，在特高压直流多馈入的受端电网， 多条直流同时与交流系统相互作用，系统暂态、中期和长期的功角和电压稳定问 题可能非常严重【l 引，应该引起高度重视。实际上，目前南方电网已有3 条超高压 5 0 0 k v 直流线路落点于广东电网，预计n 2 0 5 年，落点广东电网的超高压直流 输电线路将达n 7 条，再考虑8 0 0 k v 特高压直流输电线路的建设，届时，南方 电网将成为世界上最大的含有“多馈入直流输电系统”的互联电网之一1 1 9 】。对 于多馈入直流输电系统，交流系统或直流系统的故障都有可能成为引发系统不稳 定的因素，甚至可能导致整个系统的崩溃。因此，考虑到交直流系统之间存在复 杂的相互作用，必须采取相应的针对性措施以保证多馈入直流输电系统安全稳 定。 利用特高压交流实现大区同步互联，也存在一些稳定问题：在小干扰情况下 可能发生静态稳定破坏甚至诱发低频振荡；在遭受大干扰时可能导致暂态稳定破 坏；当一个电网发生事故时，往往采取联络线解开的方式，以保证邻网的安全， 这样会扩大事故电网的事故范围。而利用特高压直流实现大区非同步互联，输送 容量不受输电距离和网络结构、参数的限制；在事故情况下，可以充分发挥直流 线路快速调节的作用，对事故电网进行功率输送。 因此，无论特高压交流还是特高压直流输电，单回甚至多回线路跳闸，都会 浙江大学硕士学位论文 对受端电网稳定产生影响。而特高压输电应用于大区电网互联，采用特高压交流 联网方式稳定问题较大，此时采用特高压直流联网方式具有更好的技术性能。 2 5 特高压输电的电磁环境 我国的特高压输电线路将必然会经过一些人口稠密、经济发达的地区，所以 特高压输电线路电磁环境问题必须予以高度重视，需进行深入研究，并采取措施 加以限制，使其满足环保要求。 特高压交流输电工程的电磁环境主要包括线路和变电站内地面工频电磁场， 导线引起的可听噪声，无线电干扰和电视干扰等。对特高压交流线路来讲，可听 噪声将很有可能是线路设计的控制条件。对此，可以适当增加导线分裂数、增大 导线截面来减小特高压输电线路的可听噪声水平。各国的研究结果都表明，只要 合理设计，交流特高压输电线路的可听噪声可以达到与超高压输电线路的可听噪 声相当的水平。而对于特高压变电站，如采用气体绝缘型g i s 变电站，可大大 减少对环境的影响。 特高压直流输电线路除了具有与交流输电线路相似的电磁环境问题外，还存 在两个不同问题。首先是直流特有的离子流场问题。离子流是由空间电荷运动形 成，人体截获直流输电特有的离子流效应可能对人体造成一定影响。此外，离子 流场对导线下物体产生较明显的灰尘吸附作用口0 1 。其次是换流站的电磁环境问 题。对我国4 - 5 0 0 k v 直流输电工程换流站的电磁环境研究表明，换流站的可听噪 声很大，会对附近居民正常生活造成影响。且换流站接地极的地电位对交流系统 的影响比较严重2 1 1 。而对于特高压直流线路，这些问题会更加严重。 因此，特高压直流线路除了特高压交流线路通常要考虑的电场、磁场、线路 可听噪声、无线电干扰等对环境的影响外，还要进一步考虑离子流效应、换流站 强噪声对外界的影响以及换流站接地极对交流系统的影响。 综上所述，需要开展特高压交、直流输电工程的电磁环境研究内容如表2 6 所示。 1 2 浙江大学硕士学位论文 表2 6 特高压交直流输电电磁环境方面内容 而表2 7 为我国推荐的特高压架空输电线路电磁环境限值。 表2 71 0 0 0 k v 交流和士8 0 0 k v 直流输电线路电磁环境限值比较 线路类型1 0 0 0 k v 交流8 0 0 k v 直流 跨越公路7 ；跨越农田l o ； 电场k w m邻近民房2 5 邻近民房4 工频磁场m t0 11 0 离子流密度n a m 2 l o o 一般地区4 5 可听噪声d b ( a ) 5 5 高海拔非居民区5 0 一般地区5 8 无线电干扰d b ( u v m ) 5 5 5 8 高海拔地区6 1 由表2 7 可以看出，无论是交流还是直流，整个电场水平都小于3 0 k v m ， 而直流离子流场的最大值也只是在n a 级，对人体的影响可以忽略。而特高压输 电线路的可听噪声限值控制在5 5 a b ( a ) 以下，按国家噪声标准，已达到1 类标准 白天和2 、3 类标准晚上噪声限值的要求。 因此，只要特高压线路采用合理的导线半径和根数，以及导线布置方式和对 地距离，就不会对人类生活和生态环境造成危害，各项环境的控制指标均可限制 在允许范围内，甚至低于已经运行的5 0 0 k v 线路。 2 6 特高压交、直流输电配合问题 随着特高压交流和直流输电的不断发展，可能会出现特高压交、直流同时存 在的混合电网，如特高压交直流并联运行电网，由特高压直流非同步联络线和受 浙江大学硕士学位论文 端特高压交流电网组成的交直流混合电网等，其中存在许多问题值得进一步研 究。 对于特高压交流和直流并联输电问题，利用直流有功功率调制，可以有效抑 制与其并列的交流线路的功率振荡，明显提高交流系统的暂态、动态稳定性能。 但可能存在弱阻尼、动态电压支撑能力不足等问题【2 2 】。今后应着重研究电网系 统中特高压交流和直流的合理比例，交直流并联输电系统与受端电网的连接方 式，受端电网的电压支撑问题及交直流输电系统相互影响与协调控制等重要问 题。 同时，我国电网已由省间互联进入跨大区互联的新阶段，甚至今后都有可能 研究全国联网的问题。随着电网规模不断扩大，对电力系统安全稳定提出了新的 要求。因此，要充分重视特高压交直流混合电网安全稳定运行问题，包括特高压 电网的安全稳定性能评价，安全稳定措施研究，大面积停电的防止及对策研究， 特高压电网的阻尼特性和振荡模式等。 2 7 小结 ( 1 ) 我国特高压电网将由1 0 0 0 k v 级交流输电系统和8 0 0 k v 级直流系统 组成。前者主要定位于近距离大容量输电和更高一级电压等级的网架建设；后者 主要定位于送受关系明确的远距离大容量输电以及部分大区、省网之间的互联。 两者相辅相成，互为补充。 ( 2 ) 特高压直流系统的系统设备复杂、二次设备故障率高以及换流器在交、 直流侧会产生谐波影响系统的稳定控制。总体上来说，整个特高压直流输电系统 的可靠性不如特高压交流输电系统。 ( 3 ) 无论特高压交流还是特高压直流输电，单回甚至多回线路跳闸，都会 对受端电网稳定产生影响。在特高压交流输电方式中，要避免出现由一个大电厂 通过数回特高压线路集中送至同一地区的情况。在特高压直流输电方式中，要重 视“多馈入直流输电系统”可能引起系统的安全稳定问题。 ( 4 ) 从目前来看，在实现大区联网时，采用特高压直流方式更具优势。 ( 5 ) 由于特高压直流线路存在离子流效应、换流站强噪声对外界的影响以 及换流站接地极对交流系统的影响，其对环境的影响一般比特高压交流的影响要 1 4 浙江大学硕士学位论文 大。 ( 6 ) 对特高压交、直流同时存在的混合电网，还存在不少重要问题值得进 一步研究。 浙江大学硕士学位论文 第三章特高压输电线路防雷性能分析 3 1 特高压交流输电线路防雷 前苏联特高压交流输电线路的运行经验表明，雷击跳闸是线路跳闸的主要原 因。在1 9 8 5 - 1 9 9 4 十年间，特高压输电线路雷击跳闸高达1 6 次，占其总跳闸次数 的8 4 ，而其主要原因是雷直接绕击于导线【2 3 1 。通过对前苏联11 5 0 k v 线路雷击 跳闸的原因分析，发现占线路中极大多数的直线杆塔基本没有出现雷击跳闸事 故。雷击跳闸主要出现在少数的转角杆塔上，它与转角杆塔的结构有直接关系。 在该线路中，转角杆塔上避雷线比导线高1 0 m ，而在直线杆塔上避雷线比导线高 1 6 m 。相比于直线杆塔，转角杆塔保护角增大，容易引起绕击。而日本的1 0 0 0 k v 特高压采用双回路自立式铁塔，保护角设计为负值，其绕击率很小。 本文将对我国1 0 0 0 k v 交流输电线路反击耐雷性能和绕击耐雷性能进行研 。究。 ， 3 1 1 反击耐雷性能研究 3 1 1 1 反击计算方法 目前，反击计算方法主要有三类：电感模型计算方法、波阻抗模型计算方法、 电磁场计算方法。我国现行规程的防雷计算方法采用的是杆塔电感模型，它是对 单回输电线路进行理论研究、运行统计总结后得出的，采用该方法进行1 0 0 0 k v 特高压交流高杆塔或同杆双回线路耐雷性能的计算时，计算结果往往过于保守， 造成线路建设投资过大。而电磁场计算方法需要建立复杂的数学模型，但由于目 前对雷电过程研究水平有限，无法精确建模，应用范围有限。本文推荐采用波阻 抗模型计算方法，利用e m t p 仿真程序，通过建立线路、杆塔及雷电流的模型来 计算分析1 0 0 0 k v 特高压输电线路的反击耐雷性能，并计算相应的反击耐雷水平 和反击跳闸率。 根据波阻抗模型，当雷击塔顶时，可以利用e m t p 程序计算出杆塔上各点电 压，通过分析是否超过绝缘子串所能承受的e g 玉, 以。，便可确定该线路的反击耐 雷水平。利用e m t p 程序计算出线路反击耐雷水平后，可由式( 3 1 ) 计算1 0 0 0 k v 1 6 浙江大学硕士学位论文 特高压输电线路的反击跳闸率。 刀= n r i p l g 式中：r 反击跳闸率，次( 1 0 0 k m a ) ； 卜每i o o k m 每年线路落雷次数； 7 7 建弧率，取1 o ； 广击杆率，取1 6 ； 互雷电流超过耐雷水平的统计概率。 ( 3 1 ) 3 1 1 2 计算模型的改进 ( 1 ) 工频电压对反击耐雷水平的影响 对1 0 0 0 k v 电压等级的特高压交流输电线路，反击时，工作电压在绝缘子串 两端电压中已占有相当大的比例，在耐雷水平计算中忽视工频电压的影响将造成 较大的误差。一般可将工作电压半周内的平均值( 即0 5 2 u p ，u p 为最大运行线 电压) 加到绝缘子串所受到的雷电过电压中加以考虑【2 4 】。这样，乩。应修正为 嘶= 以o 一0 5 2 u v 。 ( 2 ) 受雷宽度对反击跳闸率的影响 对于防雷设计中等效受雷宽度的定义，规程法规定【2 5 1 ：线路的等效受雷宽度 b = b + 4 办，其中6 为两根避雷线间的距离，m ； 为避雷线的平均对地高度，m 。 然后，由线路的等效受雷宽度可求得每1 0 0 k m 线路的年落雷次数，如式( 3 2 ) 所示。 n = 7 , x b 乃，次( 1 0 0 l ( 1 1 1 ，a ) 式中：乃雷暴日数； ( 3 2 ) y 地面落雷密度，次( 雷暴日k r n 2 ) 。 但在1 0 0 0 k v 交流输电线路中，杆塔高度增加，避雷线的平均对地高度相应 1 7 浙江大学硕士学位论文 增加，线路的等效受雷宽度增加更快，存在计算所得的受雷宽度偏大的问题。同 时，将来的1 0 0 0 k v 特高压交流输电线路工程会出现大跨越特高杆塔，如晋东南 一南阳一荆州特高压交流输电试验示范工程有2 个大跨越段，淮南一皖南一浙北 一沪西特高压交流输变电工程也有2 个大跨越段，这些线路受雷宽度偏大的问题 会更加严重。所以，在反击跳闸率计算中如果继续采用规程法计算等效受雷宽度， 会造成较大的误差。 本文引用电气几何模型( e g m ) 的击距理论，定义线路的受雷宽度为f 2 6 】： 架空线路上空的一个狭长空间，它基本上与高度h 无关，而主要取决于雷电流幅 值，线路的等效受雷宽度b = b + 2 r , ，其中b 为两根边相导线间的距离，m ；t 为 不同雷电流下的平均击距，m 。图3 1 为1 0 0 0 k v 交流输电线路等效受雷宽度示意 图，图中k 为击距系数。 图3 11 0 0 0 k v 交流输电线路等效受雷宽度示意图 对于大跨越特高杆塔来说，假设一基双回路杆塔两根避雷线间距b 为7 0 m ， 两根边相导线间距为8 0 m ，避雷线平均对地高度h 为2 0 0 m ，利用规程法计算所得 受雷宽度达至u 8 7 0 m 。而由击距理论可知，雷电流越小，击距越小，对应的线路 受雷宽度也就越小。即使取很极端的情况，取大幅值雷电流厶为2 0 0 k a ，利用 w h i t e h e a d 推荐的击距公式= 7 1 露。7 5 ，e g m 法计算所得受雷宽度8 3 5 m ，还是小 于规程法计算值。可见，对于极大部分的雷电流，e g m 法计算的线路受雷宽度 浙江大学硕士学位论文 会远小于规程法计算结果。 3 1 1 3 计算实例 1 0 0 0 k v 同塔双回交流输电线路杆塔选用典型的直线塔，其尺寸如图3 - - 2 所 示。杆塔参数如下所示：杆塔高度9 7 m ，第一层横担高度9 2 m ，第二层横担高度 7 0 m ，第三层横担高度5 0 m ，两避雷线间的距离为3 3 m ，冲击接地电阻取1 0 f 2 。 图3 21 0 0 0 k v 特高压输电线路直线杆塔型式 针对这基杆塔，采用e m t p 法计算线路的反击耐雷水平，再分别用规程法 和击距法计算线路等效受雷宽度，并求出相应的反击跳闸率。表3 1 是在不同 击距系数、击距公式下，利用击距法计算所得的受雷宽度，表3 2 比较了规程 法与击距法的计算结果，本文建议击距系数取0 8 。 1 9 浙江大学硕士学位论文 表3 一l 不同击距公式、系数的受雷宽度 单位：m ：；：；三心竺兰，：o x ，m 6 5 ，：6 8 8 ，n 。，：8 5 ，n s ，r = 7 ，n 7 5 o 7 o 7 5 0 8 0 8 5 0 9 0 9 5 2 1 9 9 3 2 1 9 1 l 2 1 8 0 7 2 1 6 8 8 2 1 5 1 0 2 1 3 o l 1 8 2 6 3 1 8 2 4 5 1 8 2 0 2 1 8 1 4 0 1 8 0 4 7 1 7 9 4 5 2 0 4 4 4 2 0 3 7 9 2 0 3 1 2 2 0 2 0 7 2 0 0 7 0 1 9 9 2 6 2 2 6 9 0 2 2 5 5 6 2 2 4 0 8 2 2 2 2 6 2 1 9 8 6 2 1 6 9 0 表3 2 受雷宽度计算结果比较 规程法42100 击距法2 1 8 0 71 8 2 0 22 0 3 1 22 2 4 0 8 由表3 1 可见，由于击距公式和击距系数的不同，使计算所得受雷宽度也 不相同。对应于某个击距系数，采用朱氏模型推荐的击距公式，= 6 8 8 1 0 6 9 ，受 雷宽度最小，最小只有1 7 9 4 5 m ；采用g w b r o w n 推荐的击距公式，| = 7 1 i 乱7 5 ， 受雷宽度最大，最大可有2 2 6 9 0 m 。而对应于某个击距公式，击距系数越大，受 雷宽度反而越小。 由表3 - - 2 可见，用规程法和击距法分别计算线路受雷宽度，结果相差很大。 对于本基杆塔，利用规程法公式b 。= b + 4 h 计算所得受雷宽度竟然达到4 2 1 0 0 m 。 而考虑到击距公式、击距系数等因素的影响，击距法计算的受雷宽度处于 1 7 9 4 5 2 2 6 9 0 m 范围内。由此可得，击距法的计算结果只有规程法的 4 2 6 5