特高压交流输电技术.doc

特高压交流输电技术特高压交流输电技术目录一特高压的特征.1二特高压交流输电的功能与优点1三国内外特高压交流输电的发展43.1 国外特高压交流输电发展概况43.2 我国特高压交流输电发展过程4四特高压交流输电中的若干技术问题5 4.1 潜供电弧及其熄灭5 4.2 特高压交流线路的防雷保护.5 4.3 特高压交流输电系统中的操作过电压.6 4.4 特高压交流输电的环境影响问题.7五见解与认识.7一特高压的特征交流输电电压系列被划分成几段，分段的原则应该是每一段都要有区别于其他各段的特征，从一段到另一段必须要有“质”的变化，否则分段就没有意义了。将交流输电电压按如下格式加以分段：l 1kV以下低压(LV)；l 1kV220kV高压(HV)；l 220kV以上1000kV以下超高压(EHV)；l 1000kV及以上特高压(UHV)。“特高压”区别于“超高压”的特征。(1) 空气间隙击穿特性的饱和问题。空气间隙的长度达到一定程度时（例如5-6m以上），它在工频电压和操作过电压的击穿特性开始呈现出“饱和现象”，尤以电气强度最低的“棒-板”气隙在正极性操作冲击波作用下的击穿特性最为显著。(2) 环境影响问题的尖锐化，是特高压区别于超高压的另一重要特征。随着输电电压的提高，线路周围的电场强度也增大了，不过特高压输电线路不仅产生强电场，而且也引发一系列别的环境影响问题，诸如l 强电场和强磁场的生理生态影响；l 无线电干扰和电视干扰；l 可闻噪声；l 线路走廊问题；l 对周围景色和市容的影响。虽然超高压输电也或多或少存在环境影响问题，但采用特高压后，这方面的矛盾将急剧地尖锐化，成为严重的问题。另一方面，各种环境影响因素在输电系统的设计和运行中所占地位也起了变化，例如：330750kV的超高压线路的导线结构及其尺寸往往取决于电晕所引起的“无线电干扰”，而对于1000kV及以上的特高压线路来说，决定性因素却变成“可闻噪声”。二特高压交流输电的功能与优点与500kV和750kV超高输电线路相比，1000kV及以上的特高压输电线路具有六大功能与优点。1. 更大的输电容量众所周知，输电线路的自然功率是衡量其输电能力的一项重要指标。自然功率P与输电电压U的平方成正比、与线路波阻抗Z成反比（P=U2/Z），所以提高输电电压是增大线路输电能力的首选措施。一条1000kV线路的输电能力几乎相当于4-5条500kV线路。各种电压等级架空线路的波阻抗和自然功率如表1所示。表1 各种电压等级架空线路的波阻抗和自然功率线路额定电压U（kV）2203005007501000（1150）波阻抗Z（）400303278256250（250）自然功率P（MW）12136090022004000（5290）当然，除了提高输电电压外，还可通过减小波阻抗（增大分裂数、分裂圆半径等）、减小线路电抗（各种补偿措施）、采用紧凑型线路等措施来增大线路的输电能力。2. 更远的输送距离输电线路的输送距离通常受限于静稳极限。线路的输送功率可按下式计算 (1)式中，E与U分别为发电机暂态电动势和系统电压；X为包括发电机、变压器和线路在内的等值阻抗。当=1时，即得出该系统的静稳极限，如取线路的输电能力等于静稳极限的85，即可得到不同电压等级线路在输送不同功率（MW）时的容许输送距离（km）。以输送2000MW电力为例，如用500kV常规线路只能送400km，而用1000kV线路来送，可达1300km以上。3. 大幅降低输电损耗降低线路损耗是提高输电效率、节约能源的重要措施。超高压与特高压架空线路的损耗主要由两部分组成：电阻损耗PR。它由导线电阻R引起，PR=I2R。电晕损耗PC。它与导线结构和尺寸、气象条件、工作电压等诸多因素有关，因而通常用的是综合考虑各种影响因素后得出的平均损耗。线路输电总损耗随着输电电压的提高，在输送一定容量时，所需的电流可成反比减小，因而电阻损耗大减。若采用典型的线路设计方案，按上式估算500kV和1000kV输电线路的总损耗及导线用铝量，结果是1000kV方案的线路总损耗只有500kV方案的46，用铝量约节省37。如果仅就电阻损耗而言，若二者的导线总截面积相同，则1000kV线路的电流只有500kV线路的一半，其电阻损耗就只有500kV线路的25了。4. 显著节约线路走廊用地在打算采用特高压输电的国家中，有些并不是出于远距离大容量输电的需要，而是因为线路走廊用地问题难以解决。线路走廊的宽度取决于导线布置方式、塔形、电气安全、线路产生的环境影响限值等多方面因素。以输送容量同为8GW为例，将前苏联所采用的1150kV线路和500kV线路作比较，所需的线路走廊宽度如表2所示。表2 线路走廊宽度比较电压等级（kV）5001150线路结构单回路双回路单回路一条线的走廊宽度（m）454590输送8GW所需线路条数631需要的走廊总宽度27013590可见节约用地的效益十分可观，特别是在线路很长或线路所经之地是像日本东京地区那样的人口稠密区的场合。5. 显著节省投资在输电总容量相同的情况下，采用1000kV来输送比采用500kV至少可节省投资25。6. 限制交流系统短路容量的需要随着500kV电网规模的扩大，系统短路容量将不断增大，可能出现短路电流超过断路器的开断电流上限（约为63kA）的情况。提高输电电压是解决这个问题的有效措施。三国内外特高压交流输电的发展3.1 国外特高压交流输电发展概况出于不同的考虑和原因，从20世纪60年代中期开始，先后有几个国家对特高压交流输电技术展开了实验研究，建立了包括实验线段在内的实验研究基地，取得了一些可贵的研究成果和经验。美国 研究特高压输电最早的国家。由于美国不同地区存在着两种主干输电电压，500kV和765kV，因而上一级电压也分别选择了1100kV和1500kV。它们的输送距离虽均不大，但输电容量都很大，需要采用特高压。不过后来它们都没有付诸工程实践，主要是因为美国后来对能源结构、电源布局、输电方式的思路发生了变化。意大利 于1976年建成包括1000kV实验线段的Suvereto特高压实验基地，开展和完成不少实验研究工作，受到国际上的重视。但最后没有再推向工程实践，主要是南部核电站的计划有变。前苏联/俄罗斯 由于幅员辽阔、动力资源丰富，是最需要采用特高压交、直流输电的国家之一。它从20世纪70年代初开始研究特高压交流输电技术，并在1985年建成投运第一段1150kV交流输电线路（长495km），此后又将总长增长为2350km，其中900km长的一段连同三座变电站曾以全电压（1150kV）断续运行，累计运行时间约为4年，其余时间则以500kV降压运行。但从1992年到现在，该线一直降压为500kV运行，主要原因是前苏联在90年代初解体后，经济长期衰退，电源建设停滞，没有这么多电能需要用特高压来输送。日本 为了将东京东北部和西北部的核电站所发出的电力输送到东京用电中心，距离虽不远，但输送量很大，且该地区人口稠密、线路走廊用地极为紧缺，非采用更高一级电压不可。1978年成立了由政府、大学、电力公司、电力设备制造厂的专家组成的“UHV输电特别委员会”，组织和推动相关的实验研究，并与1993年建成1000kV南-北线，1999年建成1000kV东-西线。但它们建成后一直以500kV降压运行。3.2 我国特高压交流输电发展过程我国从20世纪80年代即开始特高压交流输电方面的工作，成立有关组织，开始收集资料和信息，跟踪这一技术在国外的发展。与此同时，武汉高压研究所开始特高压户外试验场的建设，到1996年正式建设投入使用，使我国有了自己达到世界规模的特高压试验研究基地，主要设施包括：（1） 串级工频高压试验装置：2250kV，4A；（2） 冲击电压发生器：5400kV，527kJ；（3） 真型1000kV级UHV试验线段：长200m；我国的电工制造业已有20多年自制500kV级超高级输变电设备的经验，近年又成功研制了750kV级成套输变电设备，这些都是我国自己试制1000kV级设备的技术基础。我国于2008年底在武汉市郊新建成一座世界领先的特高压交流试验基地，主要由以下几部分组成：单回和同塔双回特高压交流试验线段、特高压交流设备带电考核场、环境气候实验室、电磁环境测量实验室、特高压交流电晕笼、7500kV户外冲击试验场等。这座基地的综合试验研究功能极为完备和先进，创造了多项世界第一，包括特高压交流试验线段和杆塔的实验功能，单回和同塔双回线段电磁环境测量试验条件，模拟海拔高达5500m处的外绝缘特性试验条件，特高压交流绝缘子串全尺寸污秽实验能力，特长绝缘子串的覆冰或融冰闪络试验能力，特高压GIS/AIS全电压、全电流带电考核场的规模与功能。与这座试验基地相配合，我国还建设了具有世界领先水平的特高压直流实验基地（北京昌平）、特高压杆塔试验基地（河北霸州）、4300m高海拔试验基地（西藏羊八井）。由我国自主研发、设计和建设的1000kV“晋东南-南阳-荆门”特高压交流试验工程于2008年底建成，试运行168h后正式转为商业运行。工程起于山西省长治市境内的晋东南1000kV变电站，经河南省南阳市境内的南阳1000kV开关站，止于湖北荆州市境内的荆门1000kV变电站，整个工程包括两座特高压变电站、一座特高压开关站和一条全长约650km的单回1000kV交流线路，自然输送功率5000MW，变电容量2*3000MVA。我国第二条1000kV特高压交流线路（淮南-浙北-上海）亦于2013年9月建成投运，它是同塔双回路线路，远期送电能力为10000MW，它已成为当今世界上电压等级最高、输送容量最大的商业运行交流输电线路。四 特高压交流输电中的若干技术问题4.1 潜供电弧及其熄灭工频电弧的熄灭决定于弧道恢复场强和电弧电流的充分抑制。对于中性点非有效接地系统的配电线路，前者决定于绝缘子串的泄漏比距，而单项工频电弧电流乃是两个健全相对于地电容电流之和，称为电网电容电流。如果配电网中线路总长度不太大，这一电容电流较小，接地电弧一般能够自熄，如电容电流较大，电弧不能自熄，就要采用中性点经消弧线圈接地的方式了。中性点有效接地系统的高压和超、特高压输电线路则不然，雷击闪络之后出现的单相故障电流（一次工频短路电流）很大，电弧一般不可能自熄的。对此目前普遍采用单相自动重合闸来使线路恢复正常运行，但是实际情况则往往不然，其原因在于：一次短路电流被切除后，由于两健全相导线对被开断相导线之间的静电耦合和电磁耦合，接地弧道中还会通过一定大小的工频电弧电流，称为二次电流，我国称为潜供电流。试验证明，随着线路额定电压的提高，潜供电流越来越大，又由于超、特高压线路一般很长，这使得线路的潜供电流更大，需要加以抑制。4.2 特高压交流线路的防雷保护在超/特高压输电的发展史上，有一个有趣的现象，即从世界上出现第一条400kV线路（古比雪夫-莫斯科）起，每当出现一个新的电压等级（例如500、750、1150kV）时，人们都声称自己的新路线绝缘水平很高，因而将会是完全耐雷的。以前苏联/俄罗斯的超/特高压线路为例，它们的绝缘水平如表3所示，确实已达到很高的数值。表3 5001150kV架空线路绝缘水平额定电压（kV）绝缘子串的冲击放电电压（kV）导线极性预放电时间为2时的U50（2）正，U50（+）负，U50（-）5002150235031507503000335044001150450050006750但是，后来的运行记录表明：它们的雷击跳闸率往往远大于设计值，一次又一次地证明它们虽然绝缘水平很高，但仍不是完全耐雷的。当然，随着输电电压和绝缘水平的提高，线路的雷击跳闸率和总跳闸率的绝对值是越来越小了，但是雷击跳闸的次数在总跳闸次数中所占的比重却越来越大，如表4所示。表4 俄罗斯110750kV架空线路雷击跳闸运行指标电压（kV）每100km.年的运行跳闸率雷击跳闸所占比重（）n（总跳闸率）n1（雷击跳闸率）变化范围平均变化范围平均变化范围平均1103.514.49.00.332.31.04.522.5122201.35.83.00.031.20.451.230.0153300.43.02.00.100.660.204.351.1105000.60.80157500.240.7030前苏联/俄罗斯的1150kV线路的实际运行经验表明：它的总跳闸率约为500kV线路的25、约为750kV线路的65，但雷击跳闸在总跳闸中所占比重竟高达94。可见特高压输电线路也不是完全耐雷的。由于塔杆与避雷针对地高度都很高，线路落雷次数显著增多、感应雷击过电压分量也增大。塔杆高、导线上的工作电压也很高，导致绕击率增大。在特高压线路上，档中导地线间的气隙长度并没有按电压成比例增大，因而雷击档中避雷针而导致导地线间气隙被击穿的可能性增大。以上这一系列问题，都是需要在高空架线时加以考虑的，有些技术问题亟待解决。4.3 特高压交流输电系统中的操作过电压操作过电压是确定特高压交流输电系统绝缘水平的决定性因素。无论从减轻特高压线路和输变电设备的绝缘难度，或者从缩减整个系统的建设费用来说，降低操作过电压水平（减小其倍数）的意义都十分重大。在不采取降压-限压措施的情况下，合闸过电压的倍数为2.0或3.0，可见要将特高压输电系统的最大操作过电压倍数控制到1.61.7倍，实在是非常困难的。为此，应综合采取多种技术措施：（1） 首先，应采用高压并联电抗器或可控高压并联电抗器，并选用合理的系统结构和运行方式来降低和限制工频电压升高；（2） 随着制造水平的提高，现代金属氧化物避雷器的保护性能不断改善，已成为限制操作过电压的主要手段之一；（3） 在断路器内装设阻值为400600欧的合闸电阻来降低合闸过电压；（4） 采用断路器的相角控制技术来实现等电位合闸，更能有效地降低合闸过电压。4.4 特高压交流输电的环境影响问题随着输电电压的提高，输电容量的增大和公众环保意识的增强，输电工程的环境影响问题越来越受到人们的关注，并成为决定工程设计方案和建设费用的重要因素。为妥善解决特高压交流输电的环境影响问题，美国、前苏联、日本、意大利和我国均曾建立相应的实验研究基地，开展过大量的实验研究工作。输电工程的环境影响主要包括两个方面：工频电场和磁场对人类和植物所产生的生态生理影响。电晕放电及其派生效应对环境的影响。对于特高压输电工程来说，重点应为可闻噪声和地面电场强度两项。环境影响的限值选择是一个很重要的问题，因为如限值取得过高，环保部门难以接受，公众也会抱怨或投诉；若限值取得过低，则线路走廊用地和工程造价都将增大到电力企业难以接受的程度。五见解与认识特高压输电在我国从被提出之时就一直伴随着支持和反对的声音。支持者认为我国幅员辽阔，能源分布不均匀，需要把西部的能源运送到华中华东地区，如果采用特高压输送电能，不仅经济而且环保。但反对者以技术不成熟、线路不安全、容易引起大面积停电等理由对特高压建设持反对意见。虽然特高压输电最终还是被纳入国家“十二五”规划，但我还是希望我国的特高压建设能够更加谨慎地进行，由于我国之前没有建设特高压的经历，无法获取特高压运行的具体数据，致使现在有些特高压输电所带来的“危害”