（电力系统及其自动化专业论文）特高压交流输电线路电气特性仿真及继电保护研究.pdf

中国农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nc h i n a , t h ea cu h vi s1 0 0 0k v c o m p a r e dt oe h v ( e x t r a - h i g hv o l t a g e ) ，1 0 0 0k vl i n eh a sm o r e d i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c e , l o n g e rd i s t a n c ea n dl a r g e rp r o p o r t i o no f i l 簟嵋= t m a n dr e s i s t a n c e , w h i c hr e s u l t s i no b v i o mt r a n s i e n ts t a t ew h i l ef a u l tl o a d i n go ro p e r a t i n g t h i 摹p a p o ra n a l y s e st h eo h a _ r a o t e l bo ff a u l t t r a n s i e n tw o c e ，c o n n e c t i n gu n l o a d e dl 蚍h i g hr e s i s t a n c eg r o u n d i n gt h r o u g hr t d s ，a n dd i s c u s s e s t h e i ri n f l u e n c eo nu h vt n m s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n 1 1 蝣s i m u l a t i o nr e s u l t st h a tt h ei s t r i b u t e d c a p a c i t a n c e1 0 0 0k vl i n e si st o ol a 啭a n dc l o s et ot h ee n r r e n to fh i g hr e s i s t a n c eg v o n d i n g s oi t s n e r a yt oc o m p e n s a t el i n e sd i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c e d u r i n gt h et r a n s i e n tp r o c e s so ff a u l t , n o - l o e d s w i t c h i n ga n dr e c i o s i n g t h eh i g h 丘d l u c yc u r r e n tw i l lb ec a u s e db yd i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c e i t s f r e q u e n c yi 8o n l yf i v et i m mo fb a s i cf r e q u e n c y a sar e s u l t , v o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m s w i l lb e s e r i o u s l yd i s t o r e d , t h et i m eo fp h a s e - d i s t a n c ep r o t e c t i o nw i l lb ed e l a y e d a f t e rt h ef a u l ta n dt h e o p e r a t i o n , n o n - c y c l ec o m p o n e n th a sal o n gd e c a yc y c l ea n db i ga m p l i t u d ed o s et ob a s i cc o m p o n e n t t h cl o n gd e c a yc y c l ew i l ll e a dt ot r a n s i e n tb e y o n di nd i s t a n c ep r o t e c t i o n t h cb i gd e c a ya m p l i t u d ew i l l l e a dt ot h em i s o p e r a t i o no fp r e t e l t i o nd e v i c e i nt h ei m p r o v e dn l e a 羽h 嚣o fd i s t a n c ep r o t e c t i o n , t h i s p a p e ru s e sh a l fo fc o m p a m a t i o nm e t h o d si na tb o t he n d so ft h el i n e i nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s , t h i s m e t h o dw i l lm a k et h ev a l u e so fm e a 吼蒯i m p e d a n c ea r ep u r e l yr e s i s i t i v eb a s i c t y , a n dd i s t a n c e p r o t e c t i o nd e v i c ec a nf u n c t i o np r o p e r l y k e y w o r d s ：a cu h v ，r t d s ，r e l a yp r o t e c t i o n i i 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 为了提高输电的经济性能，不断满足大容量、长距离输电的需求，电网的电压等级不断提高。 自1 8 9 1 年世界第一条1 3 8 k v 输电线路建成使用以来。逐步发展到高压2 0 、3 5 、6 6 、1 1 0 ，1 3 4 、 2 2 0 、2 3 0k v ；上世纪5 0 年代后迅速向超高压3 3 0 、3 4 5 、3 8 0 、4 0 0 、5 0 0 、7 3 5 、7 5 0 、7 6 5k v 发 展；6 0 年代末，开始进行1 0 0 0 、1 1 0 0 、1 1 5 0 、1 5 0 0k v 电压等级特高压输电工程的可行性研究合 特高压输电技术研究“1 1 i国外特高压输电技术研究概况 ( 1 ) 美国特高压输电技术研究概况 尽管美国迄今尚未在工程中采用特高压输电技术，但其研究和试验是非常完善的。美国特 高压研究包括两个电压水平：一个是以a e p 为代表的1 5 0 0k v 特高压，最高电压为1 6 0 0k v ； 一个是以b p a 为代表的1 1 0 0 “特高压，最高电压为1 2 0 0k g 。 a e p 公司为了减少输电线路走廊用地和环境问题，规划在已有地7 6 5k v 电网之上叠加一个 1 5 0 0 k v 特高压输电骨干电网。b p a 公司于1 9 7 0 年作出规划，拟用1 1 0 0k v 远距离输电线路，将 喀斯喀特山脉东部煤矿区的坑口发电厂群的电力输送到西部用电负荷中心，输送容量为8 0 0 万至 1 0 0 0 万k - 。围绕特高压，a e p 、b p a 、g e 和e p r i 等公司和机构开展了大量的科研和试验验证 工作。 美国电力公司和瑞典通用电气公司在匹茨费尔德附近建成特高压试验场，特高压线路长3 0 5 k m ，特高压变压器一台，电晕笼两个，从1 9 7 4 年开始开展了大量试验研究b 队建成莱昂斯电 气实验场和莫洛机械试验线段。从1 9 7 6 年开始进行特高压线路德广泛研究和开发。1 9 7 4 年e p r i 开始在g e 雷诺特高压实验场建设长5 2 3m 的试验线路，进行了长达三年的研究工作，试验电压 达到1 5 0 0k v 。 利用以上试验设施，美国进行了大量的电场和电晕、生态和环境、操作和雷电冲击绝缘研究： 开展了可昕噪声、无线电噪声、屯视干扰、电晕损失和臭氧的观测：承担了几机械和结构试验； 对变电站设备进行试验和性能评估。对包括线路、变压器、避雷器，断路器等设备在内的关键问 题进行了逐一研究，取得了较全面的成果。研究还包括线路和铁塔检修技术，特高压线路电场对 庄稼、天然生长蔬菜、蜜蜂、野生动物、家禽影响的生态研究等。通过这一系列研究和试验，证 明了交流特高压输电技术的可行性。 ( 2 ) 前苏联特高压输电技术研究概况 2 0 世纪8 0 年代，世界上不少国家都在研制特高压输变电产品，但只有苏联依托工业性试验 线路，研制出特高压电气设备，并在真实的条件下长期既带电压又带负荷考验。这与前苏联重视 前期科研、长期从事基础研究和产品开发分不开的 1 9 7 2 年之前，前苏联集中精力从事特高压基础研究，大体可归纳为绝缘、系统、线路和设备 以及对环境影响这四类问题”1 。通过对上述问题的深入研究，取得了大量研究成果，为特高压电 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 网建设奠定了坚实的基础。1 9 7 2 1 9 7 8 年开展设备研制攻关，进行样机试制，1 9 7 8 1 9 8 0 年转 入正式生产的同时将原型设备投入试运行考核 1 9 7 3 1 9 7 4 年，前苏联在别洛亚斯变电站建设了1 1 7k 长的三相特高压试验线段，开展特 高压试验研究1 9 7 8 年，前苏联建设了从伊塔特到新库茨捏克长达2 7 0k s 的工业性试验线路， 进行了各种特高压设备的现场考核试验，后来该线路成为埃基巴斯图兹至西伯利亚1 1 5 0k v 的一 部分。 前苏联是世界上第一个建成交流特高压工程并投入工业化运行的国家。在前期研究的基础 上，从1 9 8 1 年开始动工建设了5 段特高压线路，总长度达2 3 4 4k s ，分别是：埃基巴斯图兹一科 克契塔夫4 9 4k m ，科克契塔夫一库斯坦奈3 9 6k s 。库斯坦奈一车里亚宾斯克3 2 1l 【田，埃基巴斯 图兹一巴尔瑙尔6 9 3k m ，巴尔瑙尔一依塔特4 4 0k s 。 1 9 8 5 年8 月，世界上第一条1 1 5 0k v 线路埃基巴斯图兹一科克契塔夫在额定工作电压下带负 荷运行。1 9 9 2 年1 月1 日，哈萨克斯坦中央调度部门把1 1 5 0k v 线路段电压降至5 0 0k v 运行 在此期闻，埃基巴斯图兹一科克契塔夫线路段及两端变电设备在额定工作电压下累积运行时阃达 到2 3 7 8 7 小时，科克契塔夫一库斯坦奈线路段及库斯坦奈变电站设备在额定工作电压下运行时 间达到1 1 3 9 7 小时。经过长时间的实际运行，特高压变电设备运行情况良好，线路未发生因倒塔、 断线、绝缘子损坏而导致停电等重大事故，证明了前苏联的1 1 5 0k v 特高压技术具有较高的运行 可靠性 ( 3 ) 日本特高压输电技术研究概况 日本决定采用百万伏级特高压输电技术，主要是从解决线路走廊紧张、电网的稳定性和短路 电流超限等角度考虑的。为了确定特高压交流输电电压等级，日本对最高运行电压8 0 0 、1 1 0 0 、 1 2 0 0 、1 5 0 0k v 四种方案，从技术、经济以及环境影响等方面进行了深入探讨在综合考虑世界 上其他国家确定电压等级的背景和过程以及本国国情的基础上，日本得出的主要结论是：8 0 0k v 线路输送能力较低，单位传输功率成本高，从经济、环境以及占用土地几个方面考虑都不适合日 本的情况；1 5 0 0k v 线路虽然需要的回路数少，输送容量大，但在输电线路设计、设备制造等方 面存在难以预料的困难 通过对1 1 0 0k v 和1 2 0 0k v 两种电压的进一步比较，日本专家认为在输送能力和可靠性方面 两种l 毡压人体相当；1 1 0 0 “方案可以满足输送需求在线路架设和设备制造方面比1 2 0 0k v 具有 优越性，并且建设费用减少约1 8 占地面积也较少。经过综合分析，日本晟终确定采用1 0 0 0k v ( 最高运行电压为1 1 0 0k v ) 作为特高压交流输电电压 日本的特高压输电技术研究和设备研制大体经历了三个阶段“”：第一阶段( 1 9 7 2 1 9 7 8 年) 是围绕输变电技术和设备的调查研究；第二阶段( 1 9 7 8 1 9 8 2 年) 围绕特高压输电技术开展基础 性研究；第三阶段( 1 9 8 2 1 9 8 5 年) 围绕输电线路和变电站设备开展实用性试验研究。 在完成上述三个阶段的基础上，1 9 8 8 年秋动工建设特高压线路。1 9 9 2 年4 月2 8 日，建成从 西群马开关站倒东山梨变电站的西群马干线1 3 8k m 线路，1 9 9 3 年1 0 月，建成从柏崎羽核电站到 西群马开关站的南新泻干线中4 9j 皿的特高压线路部分，两段特高压线路全长1 8 7k m ，且前均以 5 0 0 k v 电压降压运行。1 9 9 9 年，完成东西走廊从南磐城干线1 9 4l 【m 和从东群马开关站到两群马 开关站的东群马干线4 4k m 的建设，两段特高压线路全长2 3 8l 【l n 。 2 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 9 9 5 年特高压成套变电设备在新榛名变电站特高压实验场安装完毕随即进行带电考核截 至2 0 0 4 年6 月底，特高压设备在1 0 0 0k v 电压下累计带电时间达到4 0 3 9 2 小时 为适应日本国情，满足对特高压设备小型紧凑化的要求，以及解决地形、气候、污秽等特有 问题的需要，日本在特高压输电方面采用了许多新技术、新材料、新设备和新工艺其实现的关 键设备技术如下： 带分合闸电阻的断路器技术操作过电压水平是特高压绝缘设计中的关键技术参数，它 的选择直接影响设备的小型紧凑化，尤其是线路几何尺寸，因而影响特高压输电工程的 成本日本研制的带分合闸电阻的高性能断路器，可将相对地操作过电压限制到1 6 倍 的先进水平 高性能的氧化锌避雷器技术日本采用了高性能的氧化锌避雷器，使雷电残压和设备冲 击耐受水平大幅度降低，从而使变电设备小型紧凑化。同时，高性能避雷器也与开关设 备配合用以限制操作过电压。 带分闸电阻的隔离开关。带分闸电阻的隔离开关可以有效地限制切断母线时产生的幅值 很高的陡波过电压，从而有利于变电设备的小型化和运行可靠性。 高速接地开关技术。由于特高压输电线路潜供电流大，在发生单相短路，两段断路器断 开时，可能阁潜供电弧不能迅速熄灭而影响单相重合闸时间及成功率。日本经过研究后， 决定采用高速接地开关技术进行强制性灭弧，较好地解决了这一技术难题。 ( 4 ) 其他国家特高压输电技术研究概况 为了加强电网建设，满足电力需求，世界各国积极开展特高压输电研究。除前面介绍的美国、 前苏联和日本外，意大利、巴西和加拿大等国家也分别建设了特高压试验基地，开展了特高压理 论研究、工程技术研究、电气设备研制和实际模型的试验和考核，瑞典和德国的制造厂家也积极 参与了特高压试验设备的研制”。 意大利计划采用1 0 0 0 k v ( 最高运行电压1 0 5 0 k v ) 输电线路实现南电北送，并曾设想该工程 在1 9 9 5 年前后投运。自1 9 7 1 年，意大利开始了1 0 0 0k v 特高压输电领域的研究、开发和论证工 作。研究项目包括系统电压等级、设备基本特性和初步开发、与设计和制造密切相关的各种问题， 以及线路和变电站设备原型的全电压试验。1 9 7 6 年，在萨瓦雷托实验站建设了长度为li 的特 高压试验线路和主要有4 0 m 电晕笼组成的电晕、电磁环境试验设施，进行了特高压的基础研究， 确定了设备的基本特性，还完成了操作和雷电过电压试验，可听噪声、无线电杂音、电晕损失的 测量，机械试验和电场的生态效应试验。该试验线路还与2 0 0m v a 特高压试验变压器、气体绝 缘开关设备相连，主要研究了实验型变电设备特性2 0 世纪9 0 年代中期。在萨瓦雷托实验站已 有规模的基础上，意大利进一步扩大了试验规模，建设完成了由3k m 的架空试验线路、4 0 0 1 0 5 0 k v 变压器，g i s 开关设备和1 0 0 0 k v 电缆连线组成的试验工程。该工程从1 9 9 5 年l o 月开始带电 运行直至1 9 9 7 年1 2 月运行中，仅发生了两次小的故障，第一次与电缆冷却系统有关，第二 次与变压器的冷却系统有关意大利通过两年的全压运行试验。证明了其设备设计的正确性 巴西发展特高压输电主要考虑水电资源的开发。巴西和巴拉圭两国合建的伊泰普水电站。容 量为1 2 6 0k w ，是目前世界上第二大水电站，共1 8 台机组，单机容量7 0 万l 【w 。第一台7 0 万 k w 机组于1 9 8 4 年投运，全部机组于1 9 8 9 年底投运。为了将大量水电远距离输送到负荷中心， 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 经过充分论证和详细的经济比较，巴西选择了三回7 6 5k v 交流和6 0 0k v 直流的输电方案目 前，巴西正积极开展国际合作。并参与我国主导的特高压直流输电研究。 加拿大北部和中部有丰富的水力资源，单电力负荷多集中在南部为优化能源资源配置，加 拿大对8 0 0k v 交流输电、1 2 0 0k v 交流输电。以及( 4 5 0 8 0 0 ) k v 直流输电方案进行了综合 比较，认为采用双回路1 0 0 0k v 交流输电方案为优选方案。在魁北克水电局高压实验室，加拿大 进行了电压达1 5 0 0 k v 的线路和变电站空气绝缘试验为进行线路导线电晕研究，魁北克水电局 建设了户外实验场该实验场有试验线段和两个电晕笼组成，试验线段档距长3 0 0m 。试验笼有 两个相邻的截面为5 5 m x 5 5m 正方形铁丝网组成，只要用于最高至1 5 0 0 k v 交流和1 8 0 0 k v 直流 的分裂导线电晕试验。在该试验场开展了四种分裂导线结构的研究，他们分别为8 x 0 4 1 a m 、 6 x 0 4 6 5 3 m 、8 0 4 6 5 3 m m 和6 x 0 5 0 7 5 m l n 。另外。在该试验笼中进行了其他相关研究， 用以评价从l 1 6 根子导线的分裂结构，以及导线尺寸在0 2 3 5 0 7 7 2 n l l l l 范围内的电晕特性变 化。加拿大魁北克水电局还研究了4 - ( 6 0 0 1 2 0 0 ) k v 直流输电线路的电晕、电场和离子流特性， 对4 、6 、8 分裂导线上的空气动力( 如拖曳、太高、偏移) 进行风洞测量。此外，在马德兰岛试 验线段上开展了不同分速条件下6 分裂导线的动力特性研究和1 2 分裂导线的空气动力研究。 1 2 我国特高压输电技术研究概况 ( 1 ) 我国特高压电压等级的确定” 不同的输电电压等级组成的输电网有不同的输电能力。在规划未来的电网电压等级时，通常 用自然功率来粗略地比较不同电压等级地输电能力。不同电压等级地超高压和特高压单回线路地 自然功率输送能力如表1 1 所示1 襄1 - 1 输电电压等级与输送的自然功率 i 电压( k v ) 3 3 03 4 55 0 07 6 5 1 1 0 01 5 0 0 i 功率( m w ) 2 9 53 2 08 8 55 5 1 05 1 8 09 9 4 0 选择特高压作为超高压电网更高电压等级的问题是一个电力长期发展规划问题。通常按未来 2 0 3 0 年输电网不同的平均输送容量和不同的平均输送距离的要求，以i 2 个电压等级进行输 电能力分析，做出不同的每k w 电力的输电成本曲线，以各成本曲线的经济平衡点或平衡区决定 更高电压标称值 根据各国电压等级比较的经验，我国通过人量分析，认为超高压电网更高一级电压标称值应 高出现有电网最高电压l 倍及以上这样。输电容量可提高4 倍以上，不但能与现有电网电压配 合。而且为今后新的更高电压的发展，留有合理的配合空间，傲到简化网络结构，减少重复容量， 便于潮流控制，减少线路损耗，有利于安全稳定运行。 在5 0 0 k v 电网基础上按1 5 1 6 倍选用7 5 0 k v ( 7 6 5 k v ) 作为新的更高电压等级是不可取的 因为对短距离输电而言，7 5 0k v 输电不如5 0 0k v 合理，而对于远距离输电7 5 0k v 不如1 0 0 0k v 好。因此在2 0 0 5 年4 月，中国电机工程学会、中国机械企业联合会和中国电力工程顾问集团公 司联合组织，对交、直流特高压标准电压进行了研究讨论，明确了我国交流特高压标称为1 0 0 0 k v 。 设备最高电压为1 1 0 0 k v ：特高压直流额定电压为8 0 0 k v 。 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 我国特高压技术的发展历程 我国早在2 0 年前就开始了特高压研究，1 9 8 6 年便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、特高压输变电设备及特高压输电工程概况等。 八五期间又展开了。特高压外绝缘特性初步研究”，分析和探讨了长间隙放电的饱和性能， 试验研究了实际结构布置下导线与塔体的间隙放电 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，杆塔为真型模拟拉 v 塔，8 分裂导线，三相水平捧列。 1 9 9 7 年开展了利用工颏试验装置产生长波头操作波的研究，改造工频试验装置可产生电压 2 2 5 0k v ，波头2 8 0 0 5 0 0 0l s 的长波头操作波。同时开展的特高压线路对环境影响的研究结果 表明，采用分裂直径1m 的8 分裂导线，特高压线路的地面静电感应水平与5 0 0k v 输电线路水平 基本相当，无线电干扰水平小于5 0 0k v 输电线路，可听噪声在公众所接受的范围内。 2 0 0 5 年初，国家电网公司提出建设。以1 0 0 0k v 级交流和8 0 0k v 级直流系统组成的特高压 国家骨干输电网架”的目标。目前，国家电网公司已经启动了特高压电流示范工程的设计工作， 具体路线为陕北晋东南南阳荆门武汉，荆n 1 0 0 0k v 特高压变电站是该示范工 程的第一个建设项目在2 年内，国家电网公司还将开工第二项特高压交流工程，具体路线为淮 南虢南浙北一海线 截至2 0 0 6 年底，国家电网公司对有关交、直流特高压输电技术的重大问题进行了深入研究， 并组织开展了特高压电网规划与论证，完成了国家电网特高压骨干网架总体规划设计和特高压输 变电工程可行性研究工作；先后开展了特高压关键技术研究课题近百项；系统深入地研究了特高 压设备研制和供货能力，编制了设备技术和试验规范；完成了特高压工程建设地前期专题工作； 开展了特高压技术对外咨询，对此组织专题研讨和技术交流。 ( 3 ) 交流特高压试验示范工程的选定 国家确定晋东南一荆门输电线路为交流特高压试验示范工程的优选方案，其主要原因是因为 该i ：程以华东和华中两人电网作为支撑，功率调节灵活，安全性好，适戍性强，可以全面考核设 备，验证性能，有利于推进电力技术自主创新，是试验示范工程的理想方案“ 该工程满足全面考核系统和设备的要求。晋东南一南阳一荆门特高压试验示范工程的规 模适中，可充分检验过电压和无功补偿等关键技术。方案中既有变电站，又有开关站， 有利于充分积累建设与运行经验，能够在各种运行工况下对特高压变压器、高压电抗器、 断路器等设备和线路进行全面考核 该工程系统条件合理晋东南一南阳一荆门特高压试验示范工程属于网对网送电工程， 两端系统坚强，安全有保障，便于全网组织电源，进行全电压、大功率的试验 该工程抗风险能力强，有利于推动设备国产化。国产化是发展特高压的重要目标之一 鉴于特高压输电技术及设备国产化极具有挑战性，试验示范工程不承担具体电源的送出 任务，适应性强。 5 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 该工程符合远距离大容量输电的发展目标晋东南一南阳一嗣门输变电工程符合我国能 源流向。工程建成后，通过严格试验和运行考核。完全有条件转入商业运行。成为我国 能源输送的一条重要通道，有利于实现华北和华中电网的水火调剂、优势互补，具有良 好的应用前景下一步向北延伸到。三西”煤电基地，向东延伸至武汉，能够充分发挥 特高压远距离、大容量、低损耗输电的基本功能，促进能源资源在更大范围的优化配置 同时向北延伸到北京市，形成保障首都地区供电的重要电源 ( 4 ) 交流特高压试验示范工程技术研究近况 截至目前，国家电网公司已经完成该工程的可行性研究；完成环境影响评价、水土保持方案、 地质灾害危险性评估、压覆矿产评估，地震安全性评价和文物普探六项专题工作：完成了工程的 选站、选线、申办路径协议工作；确定了变电站和开关站的设备选型、技术规范参数，并提交国 内设备厂商进行设计研究。 在交流特高压试验示范工程技术研究过程中，我国电力工业在多个方面实现了突破“”： 组织研制百万伏合成绝缘子，开发研制了百万伏超大吨位复合悬式棒形绝缘子，产品属 国内首创，性能达到国际领先水平。 提出交流特高压过电压综合控制方案，通过合理的过电压控制方案，将操作过电压控制 在变电站1 - 6 倍、线路1 7 倍以下，为我国交流特高压电同的成功建设和运行奠定了良 好的基础。 对变压器条压方案进行优化，提出了调压器与变压器分离设计方案，设置专门的调压变 压器，简化了变压器设计，提高了变压器本体的可靠性和系统灵活性。 组织研制特高压合成绝缘非电容式套管。采用高温硫化硅橡胶整体注射成型工艺，制造 的合成绝缘外套可以达到1 0 - 以上，填补了复合空芯绝缘子制造技术空白，为国内外 首创，综合技术性能达到国际领先水平 研究开发交流特高压s r 断路器短路开断试验方案，在国际上首次提出百万伏断路器整 极短路开断试验方案。 研究多分裂导线综合防舞措施，提出了具有明确的防舞设计思想的线夹圊转式间隔棒双 摆防舞器。 1 3 我国选择特高压输电的技术优势与经济优势分析 1 3 1 特高压输电的技术优势 交流线路输送的功率、线损和电压的关系可用下面几个公式来表达： 输送功率p = j 切c o s 驴 导线电阻r = p l s 线损。p ：3 1 2 r ：毒塑 。 u c 0 5 - z 口 ( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) 式中的u 为线路电压；，为线路长度；r 为导线电阻；c o s p 为功率因数从( 卜1 ) ，( 卜3 ) 式可 看出： 6 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 输电电压，提高后在i ，s 9 不变时输送功率p 可增大 在有同样的输送功率时，由于输电压u 的提高，线损p 将会减少，这样将会带来经济 效益 由( 2 3 ) 式还可看出当输送输率p 及线损p 一定时。为提高输电电压，则输电距离“乜 可增大，这为解决远距离电力输送，提供了理论依据 具体到从5 0 0k v 超高压到1 0 0 0k v 特高压来说，当不计线路电阻，在输电线路末端接上相当 于波阻抗互- - ( l 。c o r ”的波阻抗负荷时，自然功率为p o = u 2 z c 显然，当电压从5 0 0k y j t 升到1 0 0 0k v 时，可以输送的自然功率将变为原来的四倍，再加上 电压升高后线损会减少，所以可以疏松的自然功率将大于原来的四倍。 输电电压越来越高的原因还在于以下三点： 第一是对线路走廊的考虑。在幅员窄小，地价很高或线路走廊受地形限制时，该因素就尤显 突出。经济比较结果表明：每提高一个电压等级，走廊输送电能的利用率可提高2 倍3 倍。如美 国a e p 的7 6 5k v 输电线路，输送的能力相当于5 条3 4 5k v 线路的输送能力，而线路走廊宽前者仅6 0 m ，后者则要求2 2 5m 。此外，出于稳定的考虑，同一电压多条线路总的输送能力并非各路输送能 力的整数倍，但输电电压等级提高后，则可以输送较大容量 第二是对短路电流的考虑。系统允许短路电流的上限是由系统结构和断路器的开断能力决定 的。由于更高的电压负担了主要输电任务，较低电压系统的短路电流则不会增加，并能满足已有 断路器的开断能力 第三是系统运行可靠性、经济性的要求，在欧洲即使幅员很小的国家譬如瑞士也采用超高压 输电 输电线路输送的功率与输电电压和电流的乘积成正比为了输送更大的功率，特高压输电线 路通过的电流一般比超高压输电线路通过的电流大为了满足对输电环境等方面的要求，特高压 输电线路的三相导线均采用分裂导线，且子导线数( 或分裂数) 要比超高压输电线路多，一般采 用8 1 0 分裂导线，分裂导线的直径一般在1 1 0 0m 左右。特高压输电导线的这种结构特点，除 有利于减少对输电线路周边电磁环境影响外，可减少特高压每l 【m 线路的电抗和电阻。特高压输 电线路单位长度的电抗和电阻一般为5 0 0k v 输电线路的8 5 和2 5 左右，但特高压输电线路单 位长度的电纳可为5 0 0k v 线路的1 2 倍左右。 远距离输电线路的输电能力与输电电压平方成正比，与线路阻抗成反比。一般说来，1 0 0 0k v 的输电能力为5 0 0k v 输电能力的4 倍以上，但产生的容性无功也约为5 0 0k v 输电线路的4 4 倍 以上。这样，特高压输电线路输送功率比较小的时候，将使得送、受端系统的电压升高。为抑止 特高压的工频过电压，需要在线路两端并联电抗器，以补偿线路产生的容性无功。这样，特高压 输电线路带重负荷情况下，将从送、受端吸收大量的无功功率 输电线路的功率损耗与输电电流平方成正比，与线路电阻也成正比。在输送相同功率情况下， 1 0 0 0k v 输电线路的输电电流约为5 0 0k v 输电电流的1 2 ，1 0 0 0k 7 输电线路电阻约为5 0 0k v 线路电阻的2 5 左右。因此。1 0 0 0k v 特高压输电线路单位长度的功率损耗约为5 0 0k v 超高压 输电的1 1 6 左右。 1 3 2 特高压输电的经济优势 与超高压输电相比，建设特高压可以大量节省原材料，节省土地占用面积，减少输电损耗， 7 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 降低建设和运行成本，从经济角度上讲。特高压输电具有明显的优越性 节约设备成本 美国比较了1 1 0 0k v 和5 0 0k v 输电设备成本，如表l - 3 所示，对于输电线路、断路器及其构架 和并联电抗器，l i d ) k v 的成本均比5 0 0k v 的低：而自耦变压器的成本，1 1 0 0k v 的与5 0 0k v 的相 同；只有发电机升压变压器，l l o ok v 比5 0 0k v 高4 帆5 傩 寰1 3 特高压与超高压设鲁成本比较 设备容量系数比成本比单位容量的成本比较 输电线路 4 3 6 12 9 3 40 6 0 7 断路器及其架构 4 3 6 1 2 9 3 1o 5 0 7 并联电抗器 5 04 | 3 4 6o 9 发电机升压变压器 1 o1 4 1 51 4 1 5 升压或降压自耦变压嚣 2 o 3 o 2 1 3 0 1 o 由于我国的变压器企业现已经具备研制1 0 0 0k v 级特高压变压器的条件，可以节省大量外汇， 从而大大降低我国特高压输电的设备总成本。 节约建设成本 前苏联对s i b e r i a - k a z a k s t a n - u r a l 输电工程进行线路成本比较，得出1 1 5 0k v 约为5 0 0k v 的0 6 6 ，与美国的结果相近。前苏联还根据其实践经验得出，在相同容量情况下，采用1 1 5 0k v 比 采用5 0 0k 忡省三分之一的钢材、一半的导线、一半的施工费，节省变电站建设费1 0 1 5 日本利用数学模型计算比较了1 1 0 0k v 与8 0 0k y 输电的成本费用，在假定线路工程所占比重 为6 8 、变电站为2 9 8 9 6 的情况下，认为整个工程造价前者比后者减少3 节约输电成本 图卜l 为美国比较1 1 0 0k v 和5 0 0k v 输电成本的结果。曲线表明，随着输送容量的增加，输电 成本呈下降趋势，并在较高功率输送水平下趋于稳定。在5 0 0k v 和1 1 0 0k v 曲线的交点处出现功 率输送关系的转折，大约为2 4 0 0 肼，输送功率超过这一数值后，特高压输电将更为经济。考虑 线路损耗时特高压经济效益更大，输送同样容量，l1 0 0k v 线路损耗仅为5 0 0k v 线路的2 0 5 0 。 释丝m w 田1 - 1 特高压”k v 和超高压5 的输电成本比较 我国规划和建设的特高压交流输电线路的输送容量远大于2 4 0 0 盯，一般单回线路的输送容 量就可以达到5 0 0 0 6 0 0 0 肼，而且线路长度也远超过3 2 2k m ，因此特高压输电具有明显的经济 性 8 呻吣的o s 4 3 2 一事媸嘏)瞥键旋鼎 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 提高输电走廊利用率 随着经济的发展，征地费用在输电工程建设投资中所占的费用比例将越来越高，在人口稠密 地区和林区，处理走廊所需赔偿费用有的已占总投资的3 0 以上这就要求电网的规划、发展要 立足于综合、长远的考虑，充分挖掘每一走廊的容量输送潜力 据估计，1 条1 1 5 0k v 输电线路的输电能力可代替5 6 条5 0 0k v 线路。如1 1 5 0k v 特高压 输电线路按环境要求走廊宽度约为9 0 - ，6 回5 0 0k v 线路的走廊宽度约为3 6 0h i ，h f j h 5 0k v 特 高压线路走廊宽度约仅为同等输送能力的5 0 0k v 线路所需走廊宽度的i 4 ，采用特高压输电提高 了走廊利用率以传输功率为l og - 的线路为例，采用各种电压等级所需的回路数、占用走廊宽 度和走廊利用率如表卜4 所示 表i - 4 各种电压所需的走廊数和走廊利用率 标称电压( k v )回路数需占用走廊宽度( m )走廊利用率 3 3 0 2 09 0 0 4 7 g 01 3 3 1 5 8 5 0 01 06 0 0 4 4 5 02 0 2 6 7 1 0 0 02 2 4 0 1 8 05 0 6 6 7 1 4 我国特高压电网建设存在的技术问题 由于世界上没有任何一个国家建设1 0 0 0k v 或更高的受端网架，包括前苏联和日本也只建设 过单一输电线路，而不是网架，所以我国在建设特高压过程中面临许多关键性的技术问题。 ( 1 ) 特高压网架的安全稳定性问题 按分层原则，不同容量的发电机组分别接入相适应的电压网是最经济、最有效的在受端系 统内，目前全世界特大机组( 包括1 0 0 0 盯及以上) 都是经济合理地接入现有( 3 4 5k v 、4 0 0k v 、 5 0 0k v ) 网架，既安全灵活，效率也高。如果将大机组经电厂升压变直接上特高压网架，将可能 出现以下后果：输电层次增加、复杂、损耗大；不安全、风险高；投资浪费“”。 因此。特高压网架在安全稳定上的第一个大问题就是若直接上特高压网架，首先缺乏足够的 电压支持，同时由于1 0 0 0k v 线路的充电功率和自然功率都为5 0 0k v 线路的四倍多，既然送入 1 0 0 0k v 网架的电力不多，那么网架上随负荷大幅度变化的剩余充电功率也难以可靠和准确地由 并联电抗器补偿，不仅电压异常变化，特别是在事故时会出现危险地过电压，结果成为一个漂浮 的不稳定网架。 ( 2 ) 高海拔、重污秽闯题 与其他国家相比，我国建设特高压输电工程将面临一些特殊问题，如高海拔、重污秽等而 这些问题国外研究相对比较少，我国只能依靠自己进一步研究，而且在高海拔地区做现场试验又 受条件的限制，不可能取得很多数据。与平原地区相比，高海拔地区的绝缘问题尤为严重；我国 高海拔地区高压输电线路的污闪事故屡有发生，因此高海拔地区的输变电设备的外绝缘选择必须 很高电晕和无线电干扰也是高海拔直流输电要面临的问题；在高海拔地区，空气密度小，高压 9 中国农业大学硕士学位论文第章绪论 带电导体表面更容易产生电晕，进而造成电晕损耗和对无线电的干扰“”，影响线路的安全经济运 行 ( 3 ) 无功功率的补偿问题 特高压线路的一个显著特点是线路电容产生的无功功率很大对于1 0 0k m 的特高压线路， 在额定电压为1 0 0 0k v 以及最高运行电压1 1 0 0k v 的条件下，发出无功功率可以达到4 0 0 5 0 0 m v a ，约为超高压线路的5 倍在输送功率较小时，并联电容产生的无功功率大于串连并联电抗 消耗的无功功率，电网无功过剩较大，电压上升，危及设备和系统的安全；在线路末端三相开断 或故障后非全相开断对，线路上将产生工频过电压。同样危及设备和系统安全。为了保持输电线 路的无功平衡，通常需要在线路送端、受端装设固定或可控高压并联电抗器进行无功补偿而对 于固定或可控并联电抗器的研发，虽然有前苏联和日本的借鉴，但成本过高，核心技术还要依靠 自己解决“”。 ( 4 ) 特高压电网内部过电压问题 电力系统内部过电压是指由于电力系统故障或开关操作而引起电网中电磁能量的转化，从而 造成瞬时或持续时间较长的高于电网额定工作电压并对电气装置造成威胁的电压升高。内部过电 压分为操作过电压和暂时过电压两大类；暂时过电压又分为工频过电压和谐振过电压“”我国规 定工频过电压限制在1 3p u 以下，个别情况下允许达到1 4p 1 l 水平；相对地操作过电压限 制在1 6p u 以下，对于长线路地线路杆塔部分限制在1 7p - u 以下；相问统计操作过电压， 对于变电站、开关站设备限制在2 6p u 以下，对于长线路地线路杆塔部分限制在2 8p i l 以 下。而在第二章线路电气特性的仿真过程中，操作过电压严重超出国家规定。如何限制内部过电 压，成为建设特高压电网的前提条件 ( 5 ) 特高压直流输电线路的绝缘配合设计问题 特高压直流输电线路的绝缘配合设计就是要解决线路杆塔和档距中央各种可能的间隙放电。 包括导线对杆塔、导线对壁垒线、导线对地，以及不同极导线之间地绝缘选择和互相配合其具 体内容是：针对不同j l 程和大气条件等选择绝缘子型式和确定绝缘子串片数，确定塔头空气间隙、 极导线间距等，以满足直流输电线路合理的绝缘水平“ ( 6 ) 生态环境问题 交流特高压输电线路工组时，导线上的电荷在空间产生工频电场，工频电场在生物体和其他 物体内感应出电压。其短时影响第一表现为人在电场中的直接感觉，处于电场中的人体相当于导 体，将使周围电场畸变，人体凸出部位将会通过毛发颤动感觉到：第二表现在人体或动物接触因 静电感应处于不同电位的物体时可能会出现不愉快的暂态电击，类似于冬天干燥环境下人体接触 接地物体时的感觉“” ( 7 ) 关键设备的研发问题 l o 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 交流特高压变电站要进行电压变换，就需要相应的电气设备及其控制装置和保护装置变电 站的主要电气设备有电力变压器、断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器，避雷器、母线 以及各种无功补偿装置等。特高压交流线路的设备和设施相对简单，包括铁塔、导线、地线、承 载通信光缆的复合地线、绝缘子与金具等。对于这些设备的研发可以借鉴前苏联和日本，但要实 现国产化还需要较长的路。此外，特高压变压器的运输一直是一个棘手的问题：若公路运输，其 制约因素较多，地方关系协调困难：若铁路运输。虽具有安全、快捷等优势，但受宽度的影响。 现有的条件无法满足特高压变压器的运输要求 ( 8 ) 特高压继电保护所面临的新问题 1 0 0 0k v 系统的输电线路，由于采用了多根分裂导线，线路的单位电阻与电位电感的比值明 较小，电位长度的分布电容较超高压线路有一定程度的增大。这样就会产生四个有别于常规电压 等级的电气特性：分布电容产生了较大的电容电流、短路过程中分布电容产生的高频分量频率可 能距离工频很近、短路过程中非周期分量衰减常数较大、故障尤其是高阻接地时故障分量可能比 较小。因此特高压线路的差动与距离保护，母线保护的t a 饱和问题，变压器保护的励磁涌流问 题、过激磁问题以及t a 饱和问题，是急需解决的问题。1 综上所述，我国对特高压电网的研究虽然已有2 0 多年的时间，但许多技术尚未成熟，而且 没有实际建设的经验，因此必须在借鉴他国经验的基础上，借助特高压试验基地和现有的仿真技 术。提前解决一些可以预料到的技术问题。 1 5 本文的主要研究内容 本文研究的内容是在国家电网公司特高压交流继电保护原理研究课题的支持下进行的， 一切仿真及试验工作均在电力系统实时数字仿真器r t d s 上完成。其主要工作如下： ( 1 ) 研究特高压交流输电线路的电气特性。通过对比常规电压、超高压，分析1 0 0 0k v 特 高压交流输电线路的物理参数，即电抗、电容、电导。 。哪 一 动作电流整定值 ( 3 - 4 ) 对于欠量继电器而言： 足= 蔫燃 - 净。， 一 动作电流整定值。 ( 3 5 ) 3 1 2 分布电容对灵敏度的影响分析 虽然在并联电抗器的补偿下，稳态的电容电流不是太大，但实际上在空载合闸、区外故障及 切除、重合闸等暂态过程中，暂态电容电流将要增加数倍( 如图3 - 2 为带有并联高抗的晋南线空 充电流波形图) ，因为在暂态状态下电压中含有很多高频分量，电容电流与频率成正比，将产生 更大的高频电容电流，这将使线路两端的电流电压波形发生严重畸变，尤其是当线路的负荷电流 和短路电源较小时，这种影响更为严重。在短路发生后。由于电容影响，电流电压波形发生了严 重畸变，两端电流有较大的偏移。 渖 一 _ ji ， l 一 。 lll 。 图3 - 2 晋东南空充暂态电流原始波形图 差动保护动作的基本原理是流入保护区的电流之和为零。由于受线路分布电容的影响。其和 不为零，主要表现为线路电容电流。而电容电流为区内故障电流性质。因此，若不对电容电流进 行任何处理，则只能通过抬高整定值门槛来躲避电容电流。而按照公式( 3 - 4 ) 及( 3 5 ) 。差动 中国农业大学