我国500kV交流电网的发展.docx

我国500kV交流电网的发展（清华大学电机系，北京 海淀 100084 ） 摘要：面临电力系统的发展需要，十九世纪七十年代初我国开始论证比220kV更高一级的电压等级。本文首先说明了电压等级配置的原则和标准，在此基础上提出500kV电压等级的选定问题，并对首批500kV电器设备造型、绝缘配合原则及参数确定进行了介绍。本文重点介绍了我国第一条500kV输电线路平武线，并详细介绍了之后500kV交流电网的发展过程，最后提出现今500kV交流电网的一些问题和今后的发展趋势。关键词：500kV 电压等级 平武线 发展历程6引言建国以后，特别是改革开放以后，我国经济快速发展，对电力的需求也急剧增加，电网的建设和发展呈现出了惊人的速度。1952年110kV京官线建成，1954年丰满到李石寨的220KV线路建成，逐步形成东北电网220KV骨干网架；1972年建成甘肃刘家峡至陕西关中的330KV输电线路，以后逐步形成西北电网330KV骨干网架；1981年河南平顶山至湖北武昌的500KV输变电工程投运，逐渐形成了华中电网500KV骨干网架；2008年底，具有完全自主知识产权的1000KV晋东南南阳荆门的特高压输电线路建成。虽然750kV和1000kV这些更高电压等级的电网已经建成投产，但将来的一段时间，500kV交流电网仍将是整个电网的重要组成部分。研究500kV交流电网的发展，有助于更好地解决现今500kV电网所面临的问题，并对特高压输电有一定的借鉴作用。1.我国500kV电压等级的选择在220kV电压等级的基础上，我国选择了500kV电压等级。首先，高一级电压的选择是电网发展到一定阶段后必然面临的问题；其次，电压等级的配置有一定的原则和标准；考虑我国电源的规划布局、发展速度、电力输送距离、电压等级间相差倍数、国外电压等级发展经验、设备研制、运行经验及国内制造的可能性等因素，最后确定了500kV电压等级。1.1 高一级电压的选择是电网发展到一定阶段后必然面临的问题输电网的发展与电源及负荷的发展水平以及电网的地理空间规模有密切关系。输电网发展的三大重要标记是：输电距离越来越长，输电容量越来越大，输电电压等级越来越高。高电压具有以下优点：可提高远距离输电能力，有利于资源优化配置；可提高电网稳定水平，保证电网安全稳定运行；可降低线损，提高经济运行水平；线路潮流允许变幅大，提高了运行的灵活性；有利于区域电网的互联，充分发挥互联大电网的优势；在相同输送功率下，可减少输电线路回数，节省线路走廊等。 从世界各国及我国电网发展史中不难看到，每隔二、三十年左右，输电主网的电压等级就要上升一个台阶。1.2. 电压等级配置的原则和标准虽然高电压具有很多的优点，但并不是越高越好，而要受到很多因素的制约，如电气设备技术发展水平，高压线路巨大的占地面积，还要考虑我国现有电网的影响等。电压等级合理配置的原则和标准为：有利于降低电网整体投资；有利于降低损耗；有利于节约站址和通道资源；有利于提升供电能力和供电可靠性；有利于运行维护；有利于供电适应性以适应不同负荷情况的需求。纵观国内外电网电压等级分析研究，电压等级序列配置主要遵循“几何均值”规律和“舍二求三”原则。1.2.1“几何均值”规律电网运行综合费用最小时的电压称为经济电压。最佳电压等级序列中的各电压等级间应互为 “几何均值”，只有这样，电压等级序列中每个电压才都是经济电压。例如。1.2.2“舍二求三”规律在保持相同有功损失率和功率因数条件下，线路的合理输送距离与电压等级成正比。线路的传输能力在保持相同有功损失率和功率因数下，与电压的平方成正比，与线路长度成反比。电网实际运行中，如果电压等级相差太大，必然造成变电设备生产、运行困难和低压送出困难，导致出线回路数多且低压送电距离过长，损耗增大，或者造成供电范围不能联合。反之，若级差太小，则变电层次太多，造成不必要的重复变电，增加投资和运行费用，同时也会造成供电范围重叠，不能充分发挥各电压等级的作用。故在电压等级序列选择中，应服从“舍二求三”原则，即在选择的电压等级序列中，各相邻电压等级间的倍数应力求接近或超过“3”，同时又要舍弃倍数接近或小于“2”的两级中的某一级。1.3. 我国500KV电压等级的选定我国500kV输变电设备的研制是电力系统发展的需要。进入70年代以来，东北、华北、华东、华中等几大电网的装机容量均达到4000MW左右。为适应电力系统的发展，我国300MW大型发电机组已开始研制，百万千瓦以上的大型火电厂、水电厂都相继计划建设。这样，220kV电压等级的网架结构在几大电网中已不适应电网需要。1971年电力、电工制造部门共同组织对220kV以上电压等级的论证。根据我国电源的规划布局、发展速度、电力输送距离、电压等级间相差倍数、国外电压等级发展经验、设备研制、运行经验及国内制造的可能性，1975年国家正式批准在东北、华北、华东、华中、西南、华南等几大电网建设500kV电压等级。当时预计这个电压等级从我国第一条500kV线路运行开始能适应3040年。500kV线路运行多年来的实践，证明我国采用500kV这个电压等级是完全正确的。1.4. 首批500kV电器设备造型、绝缘配合原则及参数确定1.4.1设备选型高压断路器的选型：当时，国内应用的断路器在220kV电力网中有少油型及空气型断路器两种，在当时的制造水平条件下对首批50OkV设备采用了国产空气型断路器。高压并联电抗器的造型：基于330kV并联电抗器的设计、制造、运行的经脸，并考虑500kV超高压线路的传送距离、补偿度的要求，初步确定单相型容量为50MVA的原则要求。避雷器的选型：磁吹避雷器保护性能优，从制造经验和运行经验都是比较丰富的，因此在500kV电力系统中选取磁吹型避雷器。电压互感器的选型：与电磁式电压互感器相比，电容式电压互感器的优点是在满足电工计量、继电保护哲态性能的要求下，体积小、重量轻、可靠性有了提高，并在超高压变电站内与通讯用的耦合电容器合二为一，不仅扩大了功能，也节省了投资，因此，在500kV系统中也选取了电容式电压互感器。电流互感器的选型：在500kV系统中出于动稳定电流大和饱和问题，选用了铁芯带气隙内部介质为油砂混合的充砂式电流互感器，因技术问题，又改为充油式电磁电流互感器。继电保护的选型：500kV继电保护在330kV输变电运行经验的基础上，确定采用正流型和晶体管型继电保护。1.4.2绝缘配合原则和绝缘水平的确定结合我国电器设备制造水平及电网发展特点，对我国首批500kV电器设备确定了以下绝缘配合原则。电力系统最高运行电压的确定：它是指最高运行线电压，根据我国电网结构的特点选用550kV。工频暂态过电压的确定：母线侧选用1.3倍最高运行相电压，线路侧选用1.5倍最高运行相电压。操作过电压对断路器的要求：在各种运行操作和故障情况下，不超过最高运行相电压2.3倍，断路器并联电阻为分合闸共用，阻抗为10001200，确定以断路器限制操作过电压为设备绝缘的主保护，避雷器保护作为设备保护原则，确定500kV电器设备基准绝缘水平(对变压器)，雷电全波冲击试验电压为1550kV，操作全波试验电压1240kV，截波1675kV。2第一条500KV交流输电线路2.1.我国第一条500kV交流输电线路的基本情况我国首条500KV交流超高压输电线路是平顶山双河武昌凤凰山的500kV输电线工程，是为了增强华中电网的输电能力，满足武钢1.7米轧钢机正常生产的用电要求，配合葛洲坝和姚孟电厂新机组投产电能外送及便于鄂、豫两省内的水电、火电相互调节，于1979年11月5日全面开工，1981年12月22日投入运行。该线路设计最大输电功率120万千瓦，北起河南省平顶山市姚孟电厂500kV变电站，南至武昌凤凰山500kV变电站，途经17个县（市），全长594.88公里（河南段200.6公里，湖北段394.28公里）。该线路使用了3种规格的导线，其一般线路使用LGJQ-3004型导线；沙河、白河等一般大跨越使用LGJJ-3004型导线；长江和汉水跨越使用LHGJJ-4403型导线。该线路在平地及耕地采用拉门塔，在山地和丘陵采用拉V塔和酒杯塔，直线转角使用专门设计的ZBJ型塔，长江、汉水大跨越使用双回路塔（塔身为“烟囱式”，即环形断面变坡度锥体钢筋混凝土结构，头部为钢管桁架结构），其余大跨越使用酒杯塔。全线共立铁塔1507基（河南段485基，湖北段1022基）。其中武汉长江金口和汉水钟祥中山口两个大跨越塔高分别为133.5米和120.5米，跨距分别为2137米和2179米。多数拉门塔采用现浇阶梯式基础；拉V塔采用预制薄壳基础；大转角耐张塔、终端及唐白河等大跨越耐张塔4脚基础加用混凝土连梁构成整体；淤泥采用灌装柱。该线路操作过电压水平按2.5倍相电压设计。在姚双段（姚孟发电厂至双河变电站）两侧和双凤段的双河侧都装设并联电抗器，其中性点经小电抗接地，以降低潜供电流值。污秽地区采用28片XP-21型瓷绝缘子串；大跨越塔采用6串组合30片P-21型瓷绝缘子串。施工采用张力架线工艺。线路造价20.5万元/km。2.2平武线运行及出现的问题平武500kV超高压送电线路投运初期，由于运行经验不足，曾发生过很多问题。1988年12月25日16时39分，平武线姚双段钟祥县中山口汉江大跨越处的一根导线因大风舞动断线，掉入汉江，线路停运，经华中电管局和湖北省电力局组织抢修，于12月30日21时5分恢复运行。根据湖北省供电局张邦远在湖北省500kV超高压送电线路运行三年综述里的描述，“沿线是很不平静的，特别是夜晚，线路上微弱的电晕分布在全线，有些地段可见形似断断续续隐隐约约的银链延伸消逝在远方”，“送电线下可听到急促的滋滋声，偶尔也可闻到臭气味”，“从绝缘子上、间隔期上、导线上发出些丝微的电晕荧光”。随着时间推移，大部分线段电晕现象逐渐减少，同时也积累了一些问题。通过对线路、绝缘子、间隔器的研究发现，由于有些设备在投运前未清洗干净，上面附着的泥土、尘埃和油污都被高能量的电荷撞成了黑灰。杆塔经污秽区、道路旁电晕较大。根据1993年出版的华中电力工业志记载，在1982年至1984年6月30日期间，由于种种原因，平武线中的姚（孟）双（河）线（342.33公里）仅带电运行434天，占该期间天数的47.6%。1984年7月至1990年平武线运行基本正常。1990年通过姚双线由湖北向河南送电8.64亿千瓦时，河南向湖北送电10.01亿千瓦时。3我国500KV交流电网发展历程我国电网建设的方针是“西电东送，南北互供，全国联网”。国家在电网建设规划中强调推进“西电东送，南北互供，全国联网”；加强区域联网，形成同步电网，实现更大范围的资源优化配置；加强西电东送的力度，加大各区域电网和省电网的主干网架建设，重点发展跨省、跨区输电和联网线路。我国电网从建国60年至今的不断规划、不断建设、不断发展，全国联网的格局已初步形成。虽然特高压关于750kV和1000kV等不同等级超（特）高压电网在不断研究并投入运行，但随着500kV交流输电发展20余年来，500kV交流电网仍是我国电网系统主要组成部分。20世纪80年代初，我国第一项500kV超高压输变电工程（平武工程）的建设，启动了跨省、超高压电网建设的进程。1993年8月500kV天广（广西天生桥至广东罗洞）一回交流输电线路投运，其变电站布置了在国内首先采用的500 kV GIS配电装置和特殊三相组合变压器，使变电站的占地面积仅为敞开式的10%，大大减少了土建工程量，缩短了安装周期，提高了运行可靠性，创造了显著的经济效益。天生桥二级水电站500 kV变电站的建成投运，使粤、桂、黔、滇4省(区)电网相互连接而形成南方互联电网，从而增强了电网抵御事故的能力，提高了电网供电质量和可靠性。该电站已成为南方互联电网中的主要枢纽变电站，将云南、贵州丰水期多余的电能源源送往缺电的广东，使西电东送变为现实。而枯水期，天生桥水电站又通过500 kV变电站向云南送电，缓和云南省冬季缺电的局面。2001年5月，华北与东北电网通过500kV高姜线实现了第一个跨大区交流联网。2001年11月，华东与福建电网通过500kV福双线（双龙至福州）交流联网，标志着福建与华东电网互联的开始。2002年5月，500kV万龙线（四川万县至湖北龙泉）投运，实现了川渝与华中电网联网。2003年6月，贵广500kV双回交流工程投产，贵州西电东送第一条通道。2003年9月，500kV辛洹线投运，实现华中与华北电网联网。形成了由东北、华北、华中、川渝电网构成的交流同步电网。2005年3月，山东与华北电网通过500kV输电线路联网。截至2010年，我国500kV输电线路总长度135180km，居所有电压等级输电线路长度之首，500kV变电设备容量69843万kVA。目前，全国已形成华北、东北、华东、华中、西北5个区域电网和南方电网。其中，华北、东北、华东、华中4个区域电网和南方电网已经形成500KV的主网架，西北电网在330KV网架的基础上，建设750KV的网架。区域电网的建设与发展，推进了全国联网的步伐。全国电网已经形成了北中南三大输电通道：北通道目前已经形成由山西、蒙西向京津唐和河北电网输电的9回500KV线路；中通道由两条500KV直流线路，一条800KV直流线路将三峡、川渝、华中主网的电力输送到华东地区；南通道已形成“三交两直”五条送电通道，将云南、贵州、广西三省区的电力输送到广东。全国各大区域电网之间联网线路已经逐渐形成了“四交四直”8条联网线路，即连接华中、华东的两条500KV超高压直流线路，一条800KV特高压直流线路；连接东北、华北的双回超高压500KV的交流线路；连接华北、华中电网的一条500KV超高压交流线路和一条1000KV的特高压交流线路，连接华中与南方电网的一条500KV超高压直流线路。全国联网的规模和交流同步网的规模都取得了辉煌的成就。我国电网“西电东送，南北互供，全国联网”的格局已经逐渐形成。4现今500KV交流输电遇到的问题及以后的发展趋势随着全国用电负荷的增加，电网输送的电量也要随之增加。我国是个一次能源和电力负荷分布不均衡的国家。500KV超高压输电一定程度上限制了输电的距离。提高输电线路的电压等级不仅可以增大输电容量，而且降低输电系统的成本、增加输电线路的走廊利用率。所以说，发展特高压输电技术，首先是中国经济社会发展的需要，因为特高压输电技术具有输送距离远、容量大、损耗低、效率高的特点，是超高压等其他电压等级所做不到的。发展特高压也是我们国家经济社会发展对能源电力增长的需求所决定的。因为我们预计到2020年的时候，中国全社会的用电量还会再翻一番。发展特高压，也是发展清洁能源的需要。中国的清洁能源主要是风电和太阳能，且集中在中国的北部和西部。我国76%的煤炭资源分布在北部和西北部;80%的水能资源分布在西南部;绝大部分