（电力系统及其自动化专业论文）特高压输电线路串并联补偿方案研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 针对特高压输电系统远距离、大容量输电的特点，以提高线路输电容量，解决电压 和无功控制困难为目的，提出了基于分布参数模型的特高压输电线路串并联补偿方案。 该方案考虑了串并联补偿之间的相互影响，利用串并联补偿迭代步骤，最终确定串并联 补偿地点和容量。考虑到特高压输电线路中电晕损耗占线路总损耗的比重较大，为使结 果更符合实际情况，计算电晕损耗时应考虑实际的输电环境。根据已有电晕损耗计算公 式，修正线路参数电导的取值。最后对一条输电线路进行了计算，得出的串并联补偿方 案能够有效地提高线路输电容量，证实了文中所提串并联补偿方案的有效性和实际应用 中应考虑实际输电环境的必要性。本方案的提出也为可控补偿的研究提供一定的思路。 关键词：特高压输电线路，分布参数，串联补偿，并联补偿，电晕损耗 a b s t r a c t t oe n h a n c et h et r a n s m i t t i n gc a p a b i l i t ya n ds o l v et h ep r o b l e mo fv o l t a g es t a b i l i t y a n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，t h es e r i e s p a r a l mc o m p e n s a t i o ns c h e m eo fu h v t r a n s m i s s i o nl i n e sw a sp r e s e n t e db a s e do nt h ed i s t r i b u t e dp a r a m e t e rm o d e lo fl o n g d i s t a n c eh i 曲p o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m w i t hr e g a r dt ot h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns e r i e s c o m p e n s a t i o na n dp a r a l l e lc o m p e n s a t i o n ，t h ec o m p e n s a t i o nc a p a c i t ya n di n s t a l l a t i o n p o i n t sw e r ef i n a l l yf o u n db yu s i n gs e r i e s p a r a l l e lc o m p e n s a t i o ni t e r a t i o ns t e p s t h e t r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n ts h o u l db ec o n s i d e r e dw h e nc a l c u l a t i n gc o r o n al o s s ，a n dt h e r e s u l t sw i l lb em o r ea c c u r a t e t h el i n ep a r a m e t e rc o n d u c t a n c ew a sm o d i f i e db a s e do n t h eg i v e nf o r m u l a so fc o r o n al o s s f i n a l l y , t r a n s m i t t i n gc a p a b i l i t yw a se f f e c t i v e l y e n h a n c e d ，a v a i l a b i l i t y o ft h es c h e m ea n d n e c e s s i t yo fc o n s i d e r i n gt r a n s m i s s i o n e n v i r o n m e n tw e r ep r o v e db yt h ec o m p u t a t i o na n da n a l y s i so f at r a n s m i s s i o nl i n e s s o m e t h o u g h t sw e r ea l s op r o v i d e df o rt h es t u d i e so fc o n t r o l l a b l ec o m p e n s a t i o n d u n i n g ( e l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n ga n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f a ix i l l k e y w o r d s ：u h vt r a n s m i s s i o nl i n e s ，d i s t r i b u t e dp a r a m e t e r ，s e r i e sc o m p e n s a t i o n ， p a r a l l e lc o m p e n s a t i o n ，c o r o n al o s s 华北电力大学硕士或工程硕士学位论文 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文特高压输电线路串并联补偿方案研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 签名：扛翌日期：竺生，生房 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名：互么 定：；：! 哆 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 特高压交流输电问题的提出 电力工业按电能的生产和消费过程可分为发电、输电、配电和用电4 个环节。 输电通常指将发电厂或发电基地( 包括若干电厂) 发出的电力输送到消费电能的地 区，又称负荷中心；或者将一个电网的电力输送到另一个电网，实现电网的互联， 构成互联电网。 在交流电力传输中，“高压”的概念是不断改变的。从早期的1 5 k v 到现在采用 的1 0 0 0 k v 以上的电压，基本是每1 5 年2 0 年间隔逐步出现一个新的电压等级。 本文将交流电压等级范围统一如下：3 5 k v 及以下电压等级称配电电压：1 1 0 k v 2 2 0 k v 电压等级称高压；3 3 0 k v 7 5 0 k v 电压等级称超高压；1 0 0 0 k v 及以上电压等 级称特高压。 因此，结合我国已建成的超高压电网构架和未来电力发展规划，本文所论述的 特高压交流输电指的是正在开发的1 0 0 0 k v 交流电压的输电工程和技术。特高压电 网指的是以1 0 0 0 k v 输电网为骨干网架，超高压输电网和高压输电网以及特高压直 流输电、高压直流输电和配电网构成的分层、分区、结构清晰的现代化大电网【。 1 2 特高压交流输电的研究背景 2 0 世纪6 0 年代以来，美国、前苏联、意大利、日本等国家先后制定了特高压 输电计划，并相继建成了特高压输电实验室、实验场、对特高压输电可能产生的工 程问题进行了大量研究，如过电压、可听噪声、无线电干扰、生态影响等，并取得了 重要进展1 2 2 ”。前苏联已建成1 1 5 0 k v 特高压输电线路2 3 6 2 k m ，其中埃基巴斯图兹 一科克切塔夫一库斯坦奈共9 0 0 k m 长的线路及3 座变电站曾投入商业运行，运行时 间累计超过5 年。至今，俄罗斯和哈萨克斯坦的专家一致认为，2 0 多年前采用的交 流特高压输电技术基本上是成熟的，经过运行考核，需要对设计和设备进行改迸。 日本于1 9 9 9 年建成了从日本海沿岸的原子能电站到东京地区的1 0 0 0 k v 输电线路和 联接太平洋沿岸电源的1 0 0 0 k v 输电线路，采用自立式双回路铁塔，逆序排列，三 相对地距离分别为5 0 m ，7 1 m ，9 2 m ，两回路各相间距自上而下分别为3 1 m ，3 2 m ， 3 3 m ，架空地线采用两根，间距为3 8 m ，距地为1 0 8 m 。对于1 0 0 0 k v 1 2 0 0 k v 等级 的特高压输电线路的导线，前苏联、美国、意大利和日本均取8 分裂形式，分裂直 径略大于l m 。次导线直径日本和美国取得较大，分别为3 8 4 c m 和4 t c m ，前苏联 己施工的线路取得较小，为2 6 2 c m 。次导线直径对电晕噪声和线路走廓地面电场强 华北电力大学硕士学位论文 度影响很大，前苏联的次导线直径细，可听噪声比其它国家的高 2 5 - 3 2 。 由于这些国家的经济增长速度比预期减缓等原因，目前国外特高压工程的应用 处于停滞状态，已建成的线路均降压至5 0 0 k v 运行。日本计划在2 0 1 5 年前升压运 行，另外一些经济增长较快的国家，如印度、巴西、南非等也在积极研究特高压输电 技术。 我国于1 9 8 6 年开始立项研究交流特高压输电技术。前期研究为国内外特高压 输电的资料收集与分析，内容涉及特高压电压等级的论证、特高压输电系统、外绝 缘特性、电磁环境、特高压输变电设备和特高压输电工程概况等。为了推动我国特 高压输电的发展，我国于1 9 9 6 年6 月在武汉高压研究所户外高压试验场建设了特 高压试验研究线段。试验线段长度约2 0 0 m ，三相导线水平排列，相间距离2 3 8 m ， 相地距离约3 3 m 。根据线路方案论证结果，相导线采用8 分裂形式，分裂真径1 0 2 m ， 子导线采用l g j q 4 0 0 ，圆周均匀布置。架空地线采用双回、双分裂形式，分裂间 距4 0 0 m m ，子导线采用l g j 9 5 。这样可以有效地降低电晕损耗、电磁干扰和可听 噪音等不良影响。总之，在特高压输电技术前期研究方面我国已做了很多工作，但 是在工程应用和实物试验方面落后于前苏联、日本、美国、意大利等国 3 3 1 。 1 3 发展特高压交流输电的必要性 目前，我国经济持续高速发展，预计2 0 2 0 年国内生产总值要在2 0 0 0 年的基础 上翻两番，将达到4 0 0 0 0 亿美元，电力负荷也必然快速增长。到2 0 0 4 年，我国电 力装机总容量己达到4 4 0 g w 。2 0 0 4 年全国的年发电量为2 1 3 9 t w h ，是2 0 世纪8 0 年代末的3 7 倍。预计2 0 2 0 年我国全社会用电量将达到4 6 0 0 t w h 左右，总装机容 量将超过1 0 0 0 g w ，在现有的基础上翻一番。目前，我国5 0 0 k v 电网已开始出现输 送能力不足，输电走廊紧缺等一系列问题，仅依靠现有超高压输电技术很难满足未 来电力增长的需要。因此，发展特高压交流输电是满足未来持续增长的电力需求的 根本保证。 我国是全球第一大煤炭消费国和第二大石油、电力消费国。煤炭占全国能源生 产和消费总量的比重高达2 3 左右，但是开发和利用的总体效率还比较低。同时， 我国能源资源分布和生产力发展呈逆向分布，能源丰富地区远离经济发达地区。我 国2 3 以上的经济可开发水能资源分布在四川、西藏和云南，2 3 以上探明煤炭资源 分布在山西、陕西和内蒙古。能源需求主要集中在东部和中部经济较发达地区，约 占需求总量的3 4 左右，能源资源却十分匮乏。这种能源分布与消费的不平衡状况， 决定了能源资源必须在全国范围内优化配置，以大煤电基地、大水电基地为依托， 实现煤电就地转换和水电大规模开发，并通过建设特高压电网实现跨地区、跨流域 华北电力大学硕士学位论文 水火互济，将清洁的电能从西部和北部大规模输送到中东部地区。因此，具有远距 离、大容量输电特点的特高压输电是我国未来电网发展的必然趋势，也是提高我国 能源开发和利用效率的基本途径。 发展电力市场的根本目的在于发挥市场对资源配置的基础性作用，有效调节电 力供求关系，引导电力投资，优化能源资源配置，提高效率和效益。电网是电力市 场的基础和载体。只有建设特高压电网，才能实现远距离、大容量的电能输送和交 易，更好地调节电力平衡，促进全国范围的资源优化配置，发挥国家级电力市场的 作用。近年来，随着电源建设步伐的加快，电网规划建设滞后的矛盾进一步加剧。 电网建设难以引导西部煤电基地的集约化开发，造成东部地区新增大量煤电项目， 加剧了煤炭供应和交通运输的紧张局面，降低了全国范围的能源配置和利用效率， 增加了环保压力等。因此，发展特高压输电也是培育和发展国家级电力市场的重要 条件。 发展特高压输电，建设特高压电网也是提高电力工业整体效益的必然选择。我 国地域辽阔，时差、季节差十分明显，加上地区经济发展不平衡，使不同地区的电 力负荷具有很强的互补性。特高压电网在合理利用能源，节约建设投资，降低运行 成本，减少事故和检修费用，获得错峰、调峰和水火、跨流域补偿效益等方面潜力 巨大。建设特高压电网，不仅可以节约装机、降低网损、减少弃水、提高火电设备 利用率、节约土地资源，还可以提高电网的安全运行水平，避免5 0 0 k v 电网重复 建设等问题，具有显著的经济效益和社会效益。根据规划，特高压电网建成后，可 节约发电装机2 0 g w ，每年可减少发电耗煤2 0 0 0 万吨。 另外，我国的电力工业必须依靠科技进步，不断创新，实现加速发展。发展特 高压输电是世界电力发展领域一项崭新的事业，可以增强我国的科技自主创新能 力，占领世界电力科技的制高点。目前，我国5 0 0 k v 输变电技术已基本成熟，国内 具备了相应的设计、建设和运行能力，设备制造也基本实现了国产化。加快发展特 高压输电，对于推进我国电网的技术升级，带动国内相关科研、设计部门以及制造、 建设等企业的技术创新，提高电力及相关行业的整体技术水平和综合竞争力，都具 有重要意义。 1 4 特高压输电问题的研究方向 结合我国电网发展的特点和具体情况，深入开展特高压输电技术的研究工作， 为特高压输电工程的实施做好技术准备工作，其主要研究内容包括：特高压输电系 统的运行特性研究；特高压输电系统的电磁暂态特性研究：特高压输电系统的电气 设备研究；特高压输电系统的电磁环境研究；特高压输电示范工程的实施方案研究。 华北电力大学硕士学位论文 1 5 特高压输电系统在运行特性方面存在的主要问题 特高压输电系统的运行特性同超高压电网一样，主要是输电线路( 此处为集总 参数) 的串联电抗。电阻r ，、并联电纳曰，、电导g ，变压器串联电抗局、电 阻r ，并联励磁电抗z 。的特性和包括特高压输电线路或电网在内的电力系统稳定 性特性。 特高压输电系统在运行方面存在电压和无功功率控制困难的问题。对于远距离 输电线，其输电能力主要取决于线路的稳定极限。而功角稳定性会使输电容量，输 电距离受到限制，所以必须采取补偿措施。串联电容器补偿可大幅度提高系统稳定 极限，从而提高线路的输电能力，是提高远距离输电线路输电能力的有力措施。而 并联补偿对提高输电线路的输电容量影响不大，但能起到电压和无功控制的作用。 1 6 论文完成的主要工作 特高压输电系统一般都是远距离、大容量输电，不宜采用集总参数模型，为了 更好地分析其运行特性，碍出最佳的补偿方案，宣采用分布参数模型【3 4 弓8 1 。文献 3 4 3 5 n 用分布参数方程分别推导出串联补偿和并联补偿方案，但没有考虑它们之 间的相互影响。而且由于推导中忽略了电阻和电晕的影响，故结果不够精确，这在 计算沿线电压波形时尤为明显。文献 3 6 3 8 论述了对于远距离输电线路必须加装串 并联补偿装置才能稳定沿线电压和提高输电容量，但对如何进行串并联补偿涉及较 少。 本文为了更精确地确定补偿方案，以提高线路输电容量，解决电压和无功控制 困难为目的，根据输电线路的实际参数建立了分布参数模型。此模型考虑了串并联 补偿之间的影响，通过反复迭代步骤最终确定满足要求的串并联补偿地点和容量。 另外，对于特高压输电线路，电晕损耗是一个不可忽视的现象，而计算电晕损耗时 应该考虑实际的输电环境。最后，本文利用已有的电晕研究成果，考虑了实际输电 环境的影响，通过对一条长6 0 0 k i n ，电压等级为1 0 0 0 k v 的输电线路进行计算，得 出该串并联补偿方案能够有效地提高输电线路输电容量，证实了本文所提串并联补 偿方案的有效性和实际应用中应考虑实际输电环境的必要性。另外，该串并联补偿 方案的提出也为可控补偿的研究提供了一定的思路。 论文主要章节安排如下：第一章主要涉及特高压输电的概念、国内外研究现状 和我国发展特高压输电的必要性；第二章主要从电力系统基础知识的角度入手，阐 述特高压输电系统特性；第三章针对特高压输电线路与其它电压等级输电线路的不 同点，详细介绍了特高压输电线路的电晕及其损耗；第四章和第五章提出了计及串 华北电力大学硕士学位论文 并联补偿相互影响的特高压输电线路分布参数模型及运行特性的相关指标；第六章 主要论述了特高压输电线路的工频过电压及其限制措施；第七章和第八章基于上文 提出了特高压输电线路串并联补偿方案，并用实例加以分析说明：第九章对论文的 主要研究工作作出总结和展望。 华北电力大学硕士学位论文 第二章特高压输电系统特性 2 1 特高压输电线路参数特性 输电线路的基本参数有4 个：反映线路通过电流时产生有功功率损耗的电阻： 反映载流导体周围产生磁场效应的电感：反映线路带电时绝缘介质中产生泄漏电流 及导线附近空气游离发生电晕而产生有功功率损失的电导；反映带电导体周围电场 效应的电容。特高压输电线路的电感决定电网潮流，是有功和无功分布的主要影响 因素，影响输电线路电压降落和电力系统的稳定性能。输电线路的线间电容和线对 地电容在交流电压作用下使线路产生交流充电和放电电流，即电容电流。从而影响 输电线的电压降落、输电效率和电力系统的有功和无功分布。4 个参数共同决定了 输电线路和电网的特性。 特高压输电线路与其它输电线路一样，在进行电力系统分析时，用串联的电阻 吼和电抗x l ，以及并联的电抗b ：，和电导6 进行模拟。线路阻抗z l = r ，+ ，线 路导纳y ，= g 。+ 弘。由于输电线路三相参数完全相同，且三相对称，通常用输电 线路的一相参数来描述输电线路电压、电流等的关系。正常运行方式下，输电线路 无论按照分布参数，还是按照集总参数考虑，可用型网络或t 型网络等值。在电 力系统分析时，一般用型网络代表单位长度输电线或整个输电线的阻抗和导纳及 其电压和电流关系。n 型等值电路如图2 一l 所示。 图2 1 输电线路n 型等值电路 交流电流通过导线使其电流密度由导线中心向导线表层逐渐增加，称为交流电 流的集肤效应。为了使电流在导线内尽可能均匀分布并减少电晕对环境的影响，在 特高压输电线中，采用彼此用绝缘支架分隔开且捆绑成导线束构成一相导线的分裂 导线。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 1 单位长度分裂导线的交流电阻 由文献 1 】可知，求出予导线的电阻值，然后求分裂导线电阻，它是各子导线并 列后的电阻值风。 r 。2 争，”争 ( 2 - 1 ) 式中为每千米子导线的电阻( 叫k m ) ；n 为子导线数；s 为导线的额定截面 ( m m 2 ) ；p 为导线材料的电阻率( q m m k m ) 。 由于交流电流的集肤效应，钢芯铝绞线每股线长实际大于导线长度，计算用截 面略大于实际截面，交流电阻率略大于直流电阻率。 电阻值的温度修正值为 ，= r l , 2 0 【1 + g o 一2 0 。) 】 ( 2 2 ) 式中 。1 ：。分别为 c ，2 0 。c 时子导线单位长度的电阻( 吲毓) ；窃为电阻温度系数。 2 1 2 单位长度对称分裂导线的电纳 三相输电线正常运行时，相电容或相等效电容由相导线对地电容和三相导线问 电容组成。由文献【1 】可知，输电线对称分裂导线每千米的电纳b 。( r k i n ) 为 岛= 1 7 4 4 1 0 一s 1 n g d 胁肛1 r ( 2 - 3 ) 式中r 为导线半径( m ) ；n 为予导线数；a 为分裂导线分布的圆周半径( m ) ；g d 为相间几何平均间距( m ) 。 2 1 _ 3 单位长度对称分裂导线的电抗 电流通过输电线将其在周围产生磁场。根据电磁感应定律，输电线的闭合环路 的磁场与线路的电流和电压关系就是电感或电抗。电感的大小由导线本身的几何尺 寸和结构、导线问的距离和空间的电导率决定。由文献【l 】可知，输电线对称分裂导 线每千米的电抗厶( 驯翩) 为 岛= 2 1 0 。l n g d n ( g r ) a 。1 】 ( 2 - 4 ) 式中为子导线数；彳为分裂导线分布的圆周半径( m ) ；g d 为相间几何平均间距 ( m ) ：g r 为平均几何半径( 聊) 。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 4 单位长度对称分裂导线的电导 对于单位长度对称分裂导线的电导，传统方法是按照导线排列方式得出导线单 位长度的电导值。但是需要提及的是，对于特高压输电线路，电晕是一种复杂，但 不容忽视的现象。电晕损耗占线路总损耗相当大的比重。因此，本文提出应计及电 晕损耗，对按照导线排列方式得出的电导值进行修正。关于电晕现象及其损耗，以 及如何修正导线单位长度电导值，本文将在第三章详细介绍。 2 2 特高压输电线路输电特性 已知特高压输电线路参数，按照输电线路的等值电路或按照输电线路分布参数 的电压和电流方程可对特高压输电的线路输电特性进行分析，并与超高压输电的线 路输电特性比较，为线路参数设计等提供技术要求和依据。 2 2 1 输电线路的功率损耗和电压降落 特高压输电线路功率损耗和电压降落计算，与其他输电线路，特别是超高压线 路完全一样。在计算时，不考虑电晕功率损耗和绝缘子泄漏功率损耗，令并联电导 g ，= 0 。输电线路的型等值电路如图2 2 所示。 图2 - 2 计算输电线路功率和电压的型等值电路图 图中z = r + 。，虼= 成，u 和u 2 是送、受端的线电压，s 为三相视在功率。 ( 1 ) 输电线路的功率损耗。 对图2 的电压、电流相量进行计算，得出线路z 上的有功损耗必和无功损耗 q 2 分别为 必：璺妥掣吼 ( 2 5 ) 岈掣也 ( 2 6 ) 华北电力大学硕士学位论文 式( 2 - 5 ) 和式( 2 - 6 ) 中q c ：为线路电容充电功率，其数值上为 q c ：三吃明 ( 2 7 ) 从式( 2 - 5 ) 可以看出，线路的有功损耗与输送的有功和无功的平方成正比， 与电压平方成反比。因此，在输送相同功率情况下，提高输电线路电压能显著减少 线路有功损耗。减少线路的无功传输，可大大减少线路有功和无功损耗，提高线路 运行的经济性，减少受端并联无功补偿投资。 从式( 2 - 7 ) 可以看出，线路的等效电容产生的无功与电压平方成正比。由于 1 l o o k v 线路单位长度电纳约为5 0 0 k v 的1 1 倍以上。这样，1 l o o k v 线路电容产生 的无功约为5 0 0 k v 线路的5 3 倍。1 0 0 0 k v 线路电容产生的无功约为5 0 0 k v 线路的 4 4 倍。由于电缆线路的相间距离很近，电抗减小，电容增大，因此，电缆线路的 充电功率很大，约为架空输电线路的十几倍【3 ”。 ( 2 ) 特高压与超高压输电线路功率损耗比较。 输电线路电阻功率损耗与流过输电线路的电流平方成正比，与电阻值成正比。 电阻上的功率损耗是输电距离、导线的电阻率和电压的函数。输电线路流过的电流 j = s u 与电压成反比。当输送功率一定时，提高线路输电电压，可减少电流，从 而显著减少输电线路电阻功率损耗。增加导线截面和减少导线材料的电阻率可减少 输电线路电阻，亦可减少输电线路电阻功率损耗。由式( 2 - 5 ) 可知，对于一个给 定的输送功率来说，输电线路电阻的功率损耗与输电电压平方成反比，与电阻成正 比。通常情况下，1 0 0 0 k v 输电线路每千米电阻值约为5 0 0 k v 输电线路的2 0 。两 个电压等级的输电线路流过相同电流，1 l o o k v 输电线路电阻功率损耗仅为5 0 0 k v 输电线路的2 0 。1 0 0 0 k v 输电线路波阻抗约为5 0 0 k v 输电线路的8 5 左右。通过 电力系统分析，在满足稳定条件下，单回1 0 0 0 k v 输电线输送功率通常为5 0 0 k v 输 电线路的4 倍以上。采用特高压输电能特别明显地降低输电线路电阻功率损耗。由 文献 1 】可知，在输送相同功率情况下，1 0 0 0 k v 输电线的功率损耗为5 0 0 k v 输电线 路的1 1 6 左右。 ( 3 ) 输电线路的电压降落。 对图2 2 的电压、电流相量进行计算，以u ，为基准电压，得出配与电压差 的纵分量z x u 和横分量刃分别为 u ：墨鱼垒二望鲤也 ( 2 8 ) 华北电力大学硕士学位论文 础：墨互二亟二丝超 ( 2 9 ) 从式( 2 - 8 ) 可以看出，电压损耗与输送无功成正比，与电压成反比。因此， 减少线路无功的传输，有利于输电系统电压调节，提高受端电压水平，提高输电线 路的电压稳定性。 2 2 - 2 输电线路的自然功率 在评价不同电压等级输电线路的输电能力时，线路的自然功率是一项重要指 标。所谓自然功率是指当负荷阻抗为特性阻抗互= - 4 t z o y o ，负荷电压为线路额定 r ，2 电压u 。时，负荷消耗的功率即为自然功率，p = 孚。 z r 当线路输送自然功率时，不仅线路发出的无功功率等于线路消耗的无功功率， 而且沿线各点电压和电流的幅值大小和相位也相同。此时，线路电感吸收的无功和 线路电容发出的无功持平，即r 是输电线路无功状态的分界点。当输电线路受端 消耗的有功功率大于该线路的自然功率时，线路吸收无功；当输电线路受端消耗的 有功功率小于该线路的自然功率时，线路发出无功。特高压远距离输电线在低负荷 时会出现无功过剩，导致过电压；高负荷时会出现无功不足，导致电压偏低。因此， 对于远距离超、特高压输电线路，为解决无功平衡和过电压问题，往往要装设高压 电抗器( 以下简称高抗) 甚至可控电抗器。为提高线路输电能力还可能装设串联补 偿装置。 为了定性地研究特高压输电线路的输电能力，文献【2 】将线路、高压电抗器及串 联补偿视为一个整体，根据无功自我平衡的原则，提出了广义自然功率的概念，其 计算公式为 r = u j ( 2 1 0 ) 式中b 为广义自然功率：u 为线路额定电压；r o 为单位长度线路导纳；z 。为单 位长度线路阻抗；k ，为线路的并联补偿度；t 为线路的串联补偿度a 当，和瓦均 为0 时，p 即为线路的自然功率。 利用广义自然功率的概念对不同类型线路的自然功率分析2 1 ，其结果如图2 3 所示。 华北电力大学硕士学位论文 降绥艘坞 图2 3 不同类型输电线路的广义自然功率 由图2 - 3 可知，采取相同的并联补偿度时，1 0 0 0 k v 输电线路的广义自然功率是 常规单回5 0 0 k v 线路的4 2 倍，是紧凑型单回5 0 0 k v 线路的3 1 倍。可见1 0 0 0 k v 特高压输电线路具有大容量的输电能力。 2 2 3 输电线路的输电能力 ( 1 ) 输电能力的限制要求和计算流程。 特高压输电线路的输电能力指的是输电线路满足静态稳定储备系数或静态稳 定裕度，和线路电压降落的百分比限制或线路最高运行电压限制值在输电线送电端 允许通过的有功功率值。根据特高压输电稳定性的要求和特高压输电的性能特点， 从暂态稳定和小干扰电压稳定考虑，特高压输电能力应满足如下稳定限制要求： 首先，静态稳定裕度应达到3 0 3 5 ，包括送、受端系统等值阻抗在内的等 效的两端电势的功角相应地为4 4 0 4 0 0 。相对于超高压输电来说，发电机的暂态电 抗肖，和特高压变压器短路电抗在整个特高压输电的系统阻抗比率值比超高压输电 大。在一般的送、受端系统强度下，双回输电线路的输电能力为单回输电能力的t 3 倍或小于1 3 倍。如果单回输电线的静态稳定裕度能保持在3 0 3 5 ，则一回输 电线故障跳开后，特高压输电系统仍能保持在静态稳定极限范围之内。按照这样的 静态稳定裕度确定线路的输电能力，双回输电线路的静态稳定裕度还要大一些。如 果采用快速继电保护和快速断路器跳开故障线路，一般来说，其暂态稳定性是可以 得到保证的。 另外，特高压输电线路两端电压降落应保持在5 左右。从特高压输电线路的 p 一己，曲线和q u 曲线可知【lj ，线路两端电压降落保持在5 ，运行点离临界电压 点有足够的有功和无功距离。当然首先要配置好受端系统的无功补偿，使输电线路 在重负荷条件下，电压失稳的临界电压应低于最低电压达到5 。 由于影响输电能力的要素不仅与输电线路本身的技术条件( 如电压等级、线路 结构、导线材料及截面、线路回路及长度等) 有关，还与输电线路所在电力系统的 华北电力大学硕士学位论文 具体条件( 如电网结构、运行方式、继电保护和控制技术等) 有关。所以按照以上 稳定性原则确定的输电能力，还应将输电系统接入到整个电力系统进行详细的暂态 稳定、动态稳定和电压稳定仿真计算，从功角稳定和电压稳定的角度，保证特高压 输电系统的可靠性。 计算一条输电线路的输电能力，首先要对线路建立等值模型，并计算输电线路 等参数，然后给定受端系统的有功和无功，并按照有关计算公式进行潮流计算，即 有功和无功计算和节点电压计算( 一般按标幺值进行计算) ，最后根据给定必要的 输电线路参数和送、受端系统两端点的静态裕度功角差占，线路送端电压限制值和 线路两端电压降u 等限定值作为计算的基本条件，按照如图2 - 4 所示的线路输电 能力计算流程得到该线路的输电能力。 ( 2 ) 超高压和特高压输电能力的比较。 特高压输电能力的计算方法同样适用于超高压输电能力的计算。按照相同的系 统结构、相同的静态稳定裕度和相同的电压降落限制条件，可以计算不同电压等级 的输电能力随输电距离的变化关系并进行比较，图2 5 给出了不同类型线路的输电 能力和输电距离的关系。由文献 1 】可知，在输电线路输电能力与发电机容量相匹配， 升压变压器、降压变压器和发电机容量相匹配以及受端系统强度相同的情况下，一 回l l o o k v 输电线路的输电能力大约为5 0 0 k v 输电能力的6 倍。但是无论是超高压 输电，还是特高压输电，其输电能力都随输电距离的增加而减少。 图2 - 4 输电线路输电能力计算流程图 一型蝼蟛等一 蝓避释醚m w 图2 一s 不同类型输电线路的输送容量与输电距离的关系 华北电力大学硕士学位论文 2 a 特高压电网的稳定性 特高压电网作为整个电网的一部分，超高压特高压电网的稳定性分析方法与 高压超高压电网一样，没有根本的区别。由于特高压输电线路如前所述的参数特 点，它的输电能力既与本身参数有关，又与相联的送端和受端系统参数有关。特高 压输电线路的输电能力受到稳定极限，包括功角稳定极限和电压稳定极限的限制。 电力系统稳定性是电力系统的属性，是电力系统各同步发电机在受到扰动后保 持或恢复同步运行的能力。保证电力系统稳定性是电力系统正常运行的必要条件。 电力系统稳定一般分为功角稳定性( 涉及功率和功角的变化关系) 和电压稳定性( 涉 及功率和电压的变化关系) 。 2 3 1 功角稳定性 电力系统功角稳定性又可分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定。其中电力系统 静态稳定指的是电力系统受n d , 的干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起 始运行状态的能力。电力系统暂态稳定指的是电力系统受到大的干扰后，各发电机 保持同步运行并过渡到新的平衡状态或恢复到原来稳定运彳亍状态的能力，通常指第 一或第二振荡周期不失步。电力系统动态稳定指的是电力系统受到小的或大的干扰 后，不发生振幅不断增大的振荡而失步 1 】 2 _ 3 2 电压稳定性 根据i e e e 的定义，电力系统电压稳定性是电力系统在给定的运行条件下，遭 受扰动后，系统中所有母线电压能继续保持在可接受的水平的能力1 3 ”。它使得负荷 导纳增加时，负荷功率也增加，即功率和电压都是可控的。在电力系统扰动后、增 加负荷或改变运行条件使系统中的母线或负荷节点形成渐进的、不可控制的电压降 落，则系统处于电压不稳定状态。电力系统出现电压不稳定的主要原因是电力系统 在扰动过程，增加负荷或改变运行条件时不能满足无功功率的需要。其核心问题是 输电电网在传输有功功率和无功功率时，在线路电抗上要产生电压降落。 电压稳定按电力系统受到扰动的大小可分为大干扰电压稳定和小干扰电压稳 定。大干扰电压稳定是指系统大扰动，如系统故障、发电机跳闸或输电线路断开等 事故后系统对电压的控制能力。这种能力是由系统负荷特性、连续与离散控制和保 护的相互作用决定的。小于扰电压稳定是指系统的负荷逐渐增长变化时系统控制电 压的能力。这种形式的电压稳定是由负荷特性、连续作用及给定瞬间的离散控制作 用决定的。 华北电力大学硕士学位论文 由于本文集中研究的是交流特高压输电线路处于稳态运行时输电线路的串并 联补偿问题，故在电压稳定性的论述上侧重特高压输电系统功率传输与电压稳定方 面，对于大干扰电压稳定性，电压崩溃和小干扰电压稳定性等方面没有涉及。 在发电机用暂态电抗x ：和暂态电动势e 等值，线路并联电抗完全补偿线路电 纳情况下，发电机经超高压、特高压线路接入电力系统的简化等值电路如图2 - 6 所 示，图中x = x ：，+ z ，+ 圭x ，+ 彳，。 = 图2 - 6 研究电压稳定的系统图 节点电压失去稳定主要是系统动态无功不足引起的。因此，研究电压稳定性首 先要分析系统的功率一电压特性。根据电力系统稳态方面的知识，受端系统的有功 和无功表达式为 墨：孚s i n 6 ：己。s i n j z ， “ ( 2 1 1 ) q = e 五u kc o s 6 - 警= c o s 8 瓦u 1 ( 2 - 1 2 ) 式中j 为主和玉。2 _ n n z j 9 率角，只。：里坠。式中j 为e 和u 一 9 率角，2 弓挚。 送端系统的无功表达式为 蜴= 笔一等c 。s 占= 石e 2 一c 。s j ( 2 - 1 3 ) 为了给出功率、电压的通用关系，确定线路输送最大功率和对应的临界电压，可将 各变量以短路功率( i e 2 ) 为基准规格化，即 p = 争= v s i n 占，。= 等。s 汕2 一警 沼 华北电力大学硕士学位论文 根据三角公式关系，可以得到 p = 、矿i 丽 ( 2 1 5 ) 根据式( 2 - 1 5 ) ，在输电参数z 和允许的电压降落，即v 给定情况下，可以做 出p q 曲线族。这些曲线族的切线形成的连线就是该输电系统的功率限制线。它 表明：为了保持受端系统电压稳定，受端系统有功、无功和电压的制约临界关系。 在重负荷条件下，当要求送端发电机向受端输送更多的有功时，受端系统必须有更 强的无功支持，才能保持受端电压稳定在给定的水平。若超高压和特高压输电线路 的并联电抗器不完全补偿线路的电容电流，则线路在重负荷情况消耗的无功可部分 地由线路电容电流进行补偿。这对输电线路重负荷情况下保持电压稳定性有好处。 2 4 本章小结 本章主要根据特高压输电系统与超高压输电系统固有的异同点，针对特高压输 电系统的线路参数特性、线路输电特性和电网稳定性三个方面细致介绍并总结了特 高压输电系统稳态分析等相关概念和基础知识。为下面章节的叙述和展开提供理论 支持和技术支撵。 华北电力大学硕士学位论文 第三章特高压输电线路的电晕及其损耗 3 1 输电线路电晕及其损耗的研究概况 当输电线路导线周围电场强度超过空气击穿场强时，邻近导线附近的空气产生 电离形成电晕放电，因电晕放电产生的带电离子在交变电压作用下在导线周围往返 运动，伴随着空气电离还会产生光和无线电干扰，这些效应消耗的能量，统称为电 晕损耗 1 】。 由于电晕放电将产生可听噪声、无线电干扰和电晕损耗等，对环境和运行会造 成一定影响。因此，从建设和运行以及保护环境等多方面考虑，合理设计导线，适 度控制电晕效应，对发展特高压输电非常重要。 早在2 0 世纪初，随着输电线路的出现就开始了电晕损耗的研究。1 9 1 1 年皮克 通过对清洁干燥的导线实际试验，最早提出了电晕损耗计算公式。1 9 2 4 年利安和汉 林提出了好天气下输电线路电晕损耗计算公式。1 9 2 7 年霍姆研究了两根平行导线间 电晕损耗的机理，并给出了与线路试验基地实测电晕电流十分相似的电晕电流波 形。1 9 3 3 年彼德逊又提出了在过去相当长的一段时间内著名的好天气单相电晕损耗 计算公式。以后在线路试验基地的试验研究发现，对大多数高压线路，绝缘子串因 泄漏电流造成的损耗和好天气电晕损耗属同数量级，雨、雪天电晕损耗是好天气 的很多倍，因此上述电晕计算公式在解决实际工程问题时作用不大。在第二次世界 大战以后，关于输电线路电晕损耗的研究，绝大部分集中在户外试验场试验段上进 行。美国，俄罗斯、加拿大等国为了本国输电线路的建设，相继建立试验线段，开 展电晕损耗测量研究。一些美国的学者提出了基准场合法【4 0 - 4 1 】来计算超高压、特 高压输电线路的电晕损耗。他们根据美国的具体条件将美国分成不同的气象区，研 究其电晕损耗出现的概率，然后估算出某一概率下的电晕损耗值，采用预先实测的 数据来计算出一种特定的基准场合下的电晕损失。然后对于不同于基准条件的具体 线路进行合理的修正。我国西北地区3 3 0 k v 线路建设前，为了得到电晕损耗的设计 依据，先后在北京清河和云南海子头建立相应得试验线段。1 9 7 6 年又将清河3 3 0 k v 线段改建成5 0 0 k v 线段进行5 0 0 k v 线路电晕损耗的测量。 文献 4 2 1 收集了国内外5 0 0 1 2 0 0 k v 电晕损耗的四十多组综合试验数据，用曲 线拟合法得出了适用于5 0 0 1 l o o k v 电压等级的电晕损耗计算公式，具有良好的可 信度。 单位长度上的电晕损耗计算公式如下1 4 2 】： 华北电力大学硕士学位论文 p ，：r 。”e 。( 警- 8 8 ) 只：r 。”s 。( 等_ 6 4 5 ) p ：r ? n 口t 6 , 8 r 6 8 a t 删 ( 3 1 ) 式中弓，只，p 分别表示单位长度上晴天，雪天和雨天的电晕损耗( k w o n ) ：r 。 表示分裂导线等效半径( c m ) ；e 。为导线表面最大场强( k v 砌) ；e o 为用皮克公 式计算的临界电场强度( k v o n ) 。 皮克得出的临界电场强度公式为 e 。：3 0 3 翻l m 2 ( 1 + 了0 2 i 9 8 ) ( 3 2 ) d 式中为导线半径( c m ) ；占为空气相对密度；为表面粗糙系数( 对于表面光 滑的非绞合导线，m 。取1 ；否则m 。小于1 ) ；m ：为气象系数( 对于不同气象情况，m ： 在0 8 1 0 取值) 。 根据线路架设尺寸和导线型号可以计算出和毛，然后根据实际输电环境( 比 如一年中雨天、雪天和晴天的天数) 就可以计算出一年电晕损耗的平均值妒，从 而可以计算出电导值。 3 2 计及电晕损耗修正线路参数电导值 按照本文第二章中提及的线路参数等概念，电导是反映线路带电时绝缘介质中 产生泄漏电流及导线附近空气游离而产生有功功率损耗的一个线路参数。对于一条 输电线路的电导值，传统习惯是按照导线的架设方式和实际尺寸用数学公式计算得 到的。然而，随着电力事业的发展，输电线路电压等级的不断提高和分裂导线数目 的增多，大量研究和实测数据表明1 4 2 - 4 引，特高压输电线路中电晕损耗占线路总损 耗的比重较大。 本文提出用电晕损耗修正电导值，即利用一年电晕损耗平均值妒和特高压实 际输电线路电压，由g 。= 等修正电导值。 华北电力大学硕士学位论文 3 3 本章小结 本章主要介绍并总结了输电线路电晕及其损耗的产生、研究概况及其研究意 义，指出特高压输电线路中电晕损耗占线路总损耗的比重较大，为使本文的以后章 节中特高压输电线路的串并联补偿和沿线电压波形等结果更符合实际情况，计算特 高压输电线路的电导值时应该考虑实际的输电环境，并明确提出可根据文献【4 2 中 的电晕损耗计算公式，利用年电晕损耗平均值北和特高压实际输电线路电压修正 线路参数的电导值，为第八章的实例分析提供理论基础。 华北电力大学硕士学位论文 第四章特高压输电线路分布参数模型的提出 较低电压等级输电系统运行分析时常采用集总参数模型，因为电压等级较低且 输电距离不长，这种分析方法是允许的。但特高压输电系统一般都是远距离、大容 量输电，不宜采用集总参数模型，而应该采用分布参数模型。 4 1 特高压输电线路分布参数模型 对于一条特高压输电线路，如图4 - 1 所示。图中s 端表示特高压输电线路的送 端；r 端表示特高压输电线路的受端；x 表示距离受端的距离( k m ) ；b s , b 。，玉，分 别表示送端电压，受端负荷电压和距离受端xk m 处的沿线电压；。，；分别表示受 端负荷电流和距离受端z 砌处的线路电流。 su s u 。 u r = ；f _ = = 了r l ： ir k 三_ 一 图4 - 1 特高压输电线路送、受端示意图 考虑到特高压输电线路参数对串并联补偿方案和沿线电压的影响，根据图4 - 1 ， 可以得出特高压输电线路的传输关系为【