特高压输变电技术的基础理论

特高压输变电技术中若干基础理论问题浅见内容提要引言特高压输电工程商业运行中可能出现的安全风险防御自然灾害导致特高压输电系统事故的理论及方法防御输变电设备自身故障导致特高压输电系统事故的理论及方法超特高压交直流混联电网的安全运行理论及控制方法降低环境影响风险一、引言特高压输变电技术是可行的，没有不可逾越的困难。交流特高压输电技术1968年由前苏联开始研究，随后美国、加拿大、瑞典、意大利、日本等国也从上世纪70年代初起相继开展了系统特性、线路机械特性、线路和变电站的绝缘、变压器和SF6开关等设备的相当系统研究。前苏联从1981年至1988年建成1150kV线路895km（含1个升压站、2个降压站），并在百万伏级全电压下投入运行，直到1991年初停运后又降压至500kV运行。特高压交流输电在技术上是可行的，没有不可克服的技术困难，并有一定的商业化运行经验可借鉴。一、引言特高压输变电技术是可行的，没有不可逾越的困难。直流特高压输电技术直流特高压输电技术专指±750kV或800kV直流输电技术，目前国外只有巴西的伊泰普水站送出工程的最高运行电压为±600kV。从上世纪70年代起，瑞典、美国、加拿大、前苏联、巴西等国曾对±600kV以上特高压直流输电的外绝缘环境影响和换流设备等进行过比较系统的研究，前苏联从1980年起开工建成了±750kV线路1090km，设备也通过了型式试验，后因各种原因停建。

2005年2月在印度召开的“±800kV直流输电国际研讨会”反映的重要技术观点为：±800kV特高压直流输电在技术上并无不可解决的难题，但无商业运行经验可借鉴。一、引言特高压输变电应用基础理论的研究滞后于应用技术的试验研究。上世纪60年代以来的试验研究重点特高压输电是否有不可克服的技术困难——空气间隙和绝缘子放电特性，导线电晕特性等。特高压输电是否有不可逾越的障碍——操作电压作用下空气间隙放电特性及饱和现象等。一、引言特高压输变电应用基础理论的研究滞后于应用技术的试验研究。缺乏理论支持的试验结果存在技术风险以试验研究为基础的一个新的电压等级的输电技术，从试验研究到商业运行，一般需要20年左右，其间将会不断发现并需要不断完善设计和制造中的缺陷。以试验研究为基础的特高压输电工程可能遇到实际设备和线路的可靠性达不到预计的高可靠性，特别是变压器、断路器、架空线路等主要装备的故障是输电系统故障的重要起因。主要依靠试验研究结果建设的特高压工程，要降低商业运行中的技术风险，必须重视和提速在设计、制造、运行中的基础理论研究。二、特高压输电工程商业运行中可能出现的安全风险从2001-2005年全国电网重大事故预测可能遇到的运行安全问题图12001～2005年电网故障起因分类比较从2001-2005年全国电网重大事故预测可能遇到的运行安全问题全国电网总的重大事故分别为53、36、55、54、69起，呈居高不下的趋势。自然灾害和装备故障两者引起的重大事故占当年总的重大事故的百分数为68%、75%、67%、80%、70%。自然灾害（大气污染、覆冰、雷害等）造成的事故具有随机性，很难自动恢复供电，停电时间长，常常难以人为预料。设备自身故障是涉及制造水平、状态维修策略等的系统工程。二、特高压输电工程商业运行中可能出现的安全风险特高压输电系统给互联电网运行安全可能带来的问题特高压线路输送功率巨大（一回100万伏级的输送功率为500kV级的4-5倍），线路故障对系统冲击大，面临与超高压系统的协调控制问题。特高压输电系统容量对受端电压稳定性的影响和可靠性评估等诸多运行理论及其事故的多重防御系统也至关重要。二、特高压输电工程商业运行中可能出现的安全风险空气污染、酸雨、覆冰、雷电等自然灾害仍将是导致特高压输电系统商业运行中重大事故的起因之一。SO2和烟排放量仍呈上身趋势，城市空气污染仍然严重，污闪事故仍是特高压线路商业运行中要解决的问题之一。三、防御自然灾害导致特高压输电系统事故的理论及方法图2我国城市2005年空气质量状况

三、防御自然灾害导致特高压输电系统事故的理论及方法空气污染、酸雨、覆冰、雷电等自然灾害仍将是导致特高压输电系统商业运行中重大事故的起因之一。SO2和烟排放量仍呈上身趋势，城市空气污染仍然严重，污闪事故仍是特高压线路商业运行中要解决的问题之一。空气污染、酸雨、覆冰、雷电等自然灾害仍将是导致特高压输电系统商业运行中重大事故的起因之一。酸雨已覆盖国土1/3，酸雨的PH值和频率仍在增大，将加大特高压输电线路污闪和冰闪事故的频率。图3不同降水酸度城市比例三、防御自然灾害导致特高压输电系统事故的理论及方法图4不同酸雨频率城市比例空气污染、酸雨、覆冰、雷电等自然灾害仍将是导致特高压输电系统商业运行中重大事故的起因之一。酸雨已覆盖国土1/3，酸雨的PH值和频率仍在增大，将加大特高压输电线路污闪和冰闪事故的频率。三、防御自然灾害导致特高压输电系统事故的理论及方法图5酸雨的电导率及绝缘子湿闪电压与酸雨PH值的关系

1——清洁绝缘子的闪络电压与硫酸雨PH值关系

2——清洁绝缘子的闪络电压与硝酸雨PH值关系

3——硫酸溶液电导率与其PH值的关系（其纵坐标为右边的刻度）

三、防御自然灾害导致特高压输电系统事故的理论及方法空气污染、酸雨、覆冰、雷电等自然灾害仍将是导致特高压输电系统商业运行中重大事故的起因之一。继2005春节前后华中等全国多个电网发生大面积冰害事故后，今年3月东北地区出现的强降雪和大风天气，致使4条500kV线路停电，使大连电网成为供岛供电。近几年来发现全国一些地区的雷电日比原来增多，2005年全国发生雷害1.1万多起。据报道6月4日夜间至5日凌晨广州4小时闪电达3874次。根据前苏联超特高压和我国500kV输电线路的运行统计，雷击（特别是续击）仍是我国特高压输电线路的主要事故之一。海拔1km以上的地区达国土的2/3，气压、污染、覆冰共存环境对特高压输电线路安全运行带来的威胁还难以预计。三、防御自然灾害导致特高压输电系统事故的理论及方法特高压输电外绝缘的设计需要放电理论支撑运行电压叠加长波头操作冲击电压下长空气间隙放电物理过程和放电电压预测的数学物理模型及方法。由于工程开工时间紧，设计依据主要是依靠模拟试验结果加已有的运行经验，各种复杂环境的模拟试验也不充分，即使是几个超高压基地建成后，其作用也主要体现在放电电压与绝缘子串长或空气间隙距离是否线性的问题（人工气候室越大，参数越难控制，得到普遍规律更为困难），根本的出路是理论与试验研究结合，开拓数值仿真研究。理论研究的重点是：三、防御自然灾害导致特高压输电系统事故的理论及方法特高压输电外绝缘的设计需要放电理论支撑图6长空气间隙放电过程三、防御自然灾害导致特高压输电系统事故的理论及方法特高压输电外绝缘的设计需要放电理论支撑以长间隙放电理论为基础的特高压输电线路雷电绕击过程三维电场模型与路径分形模型相结合的先导发展数学物理计算模型、数值仿真计算方法。图7先导发展计算模型三、防御自然灾害导致特高压输电系统事故的理论及方法特高压输电外绝缘的设计需要放电理论支撑深度限制过电压的限制器（MOA等）与绝缘配合的新理论及方法。建立反映绝缘子表面积污规律、湿润过程、局部放电发生发展过程中沿面电场分布与热力学、电弧、泄漏电流等特性的全过程的数学物理模型及判据，场路结合的闪络电压预测计算模型及方法。建立反映绝缘覆冰、融冰过程相关特征量与沿面电场分布、电弧特性等全过程的数学物理模型及判据、场路结合的冰闪电压预测计算模型及方法。三、防御自然灾害导致特高压输电系统事故的理论及方法图8覆冰绝缘子串的闪络过程三、防御自然灾害导致特高压输电系统事故的理论及方法特高压输电外绝缘的设计需要放电理论支撑建立污秽、覆冰、酸性湿沉降、低气压不同组合的综合环境下沿面放电过程的数学物理模型及判据、场路结合的闪络电压预测计算模型及方法。气压、覆冰等影响绝缘子串污闪电压的特征指数、不同材质绝缘子的老化、造型、均压、绝缘水平选择等的理论及方法。三、防御自然灾害导致特高压输电系统事故的理论及方法图9

人工气候室中覆冰绝缘子串放电三、防御自然灾害导致特高压输电系统事故的理论及方法不能仅仅依靠试验研究，只有从考虑多因素影响的放电理论上强化数学物理模型的研究，才能从纯试验研究跨入数值仿真的物理研究，理论与试验研究结合，逐步过渡到以数值仿真研究为主、试验研究为辅的研究方法才符合科学发展规律，才可能大幅降低特高压商业运行中的技术风险。三、防御自然灾害导致特高压输电系统事故的理论及方法四、防御输变电设备自身故障导致特高压输电系统事故的理论及方法核心设备是影响特高压输电系统商业运行可靠性的关键不仅我国的超特高压输电关键设备的研发能力距跨国公司的水平还有较大的差距，而且美国765kV、前苏联1150kV和日本1000kV的主变等带电运行期间都曾发生过故障。我国近几年输变电设备故障导致的重大电网事故占当年总事故的60%以上。美国电力科学院组织各方面专家在2006年12月完成的电力工业技术研发策略研究报告中，把“设备诊断、维护及延长使用寿命”列为重点研究。提高特高压输变电设备商业运行可靠性的相关理论及方法特高压输变电设备内绝缘早期和实发性故障机理与在线监测原理及关键技术；特高压输变电设备内绝缘时效老化机理与剩余寿命预测理论及关键技术；特高压输变电设备运行安全状态在线诊断与评估理论及关键技术；特高压输变电设备安全运行的状态维修决策理论及关键技术；可快速安装的备用变压器和其他核心设备的原理及关键技术。四、防御输变电设备自身故障导致特高压输电系统事故的理论及方法超特高压交直流混联运行尚无经验借鉴特高压与超高压两个电压等级相联的关联影响无经验；超特高压系统混联对运行安全的影响复杂。五、超特高压交直流混联电网的安全运行理论及控制方法特高压输电系统与超高压系统联网的安全科学理论及关键技术特高压直流输电系统对交流系统影响及防御的理论及措施；特高压直流输电系统与500kV交直流输电系统的协调控制理论及方法；特高压变电站可替换的控制系统及运行设备；特高压电网设备网络脆弱性评估与大范围网络威胁监测及报警系统。五、超特高压交直流混联电网的安全运行理论及控制方法六、降低环境影响风险环境影响风险不可避免西方发达国家公众对高压线路可能产生的环境影响的疑虑制约特高压输电线路的建设；西欧、北美、日本等发达国家已把走廊边沿的电场强度限至为1kV/m，而我国特高压仍沿用4kV/m