特高壓交流輸電技術(shù).doc

特高壓交流輸電技術(shù)特高壓交流輸電技術(shù)目錄一特高壓的特征.1二特高壓交流輸電的功能與優(yōu)點1三國內(nèi)外特高壓交流輸電的發(fā)展43.1 國外特高壓交流輸電發(fā)展概況43.2 我國特高壓交流輸電發(fā)展過程4四特高壓交流輸電中的若干技術(shù)問題5 4.1 潛供電弧及其熄滅5 4.2 特高壓交流線路的防雷保護.5 4.3 特高壓交流輸電系統(tǒng)中的操作過電壓.6 4.4 特高壓交流輸電的環(huán)境影響問題.7五見解與認識.7一特高壓的特征交流輸電電壓系列被劃分成幾段，分段的原則應該是每一段都要有區(qū)別于其他各段的特征，從一段到另一段必須要有“質(zhì)”的變化，否則分段就沒有意義了。將交流輸電電壓按如下格式加以分段：l 1kV以下低壓(LV)；l 1kV220kV高壓(HV)；l 220kV以上1000kV以下超高壓(EHV)；l 1000kV及以上特高壓(UHV)。“特高壓”區(qū)別于“超高壓”的特征。(1) 空氣間隙擊穿特性的飽和問題?？諝忾g隙的長度達到一定程度時（例如5-6m以上），它在工頻電壓和操作過電壓的擊穿特性開始呈現(xiàn)出“飽和現(xiàn)象”，尤以電氣強度最低的“棒-板”氣隙在正極性操作沖擊波作用下的擊穿特性最為顯著。(2) 環(huán)境影響問題的尖銳化，是特高壓區(qū)別于超高壓的另一重要特征。隨著輸電電壓的提高，線路周圍的電場強度也增大了，不過特高壓輸電線路不僅產(chǎn)生強電場，而且也引發(fā)一系列別的環(huán)境影響問題，諸如l 強電場和強磁場的生理生態(tài)影響；l 無線電干擾和電視干擾；l 可聞噪聲；l 線路走廊問題；l 對周圍景色和市容的影響。雖然超高壓輸電也或多或少存在環(huán)境影響問題，但采用特高壓后，這方面的矛盾將急劇地尖銳化，成為嚴重的問題。另一方面，各種環(huán)境影響因素在輸電系統(tǒng)的設(shè)計和運行中所占地位也起了變化，例如：330750kV的超高壓線路的導線結(jié)構(gòu)及其尺寸往往取決于電暈所引起的“無線電干擾”，而對于1000kV及以上的特高壓線路來說，決定性因素卻變成“可聞噪聲”。二特高壓交流輸電的功能與優(yōu)點與500kV和750kV超高輸電線路相比，1000kV及以上的特高壓輸電線路具有六大功能與優(yōu)點。1. 更大的輸電容量眾所周知，輸電線路的自然功率是衡量其輸電能力的一項重要指標。自然功率P與輸電電壓U的平方成正比、與線路波阻抗Z成反比（P=U2/Z），所以提高輸電電壓是增大線路輸電能力的首選措施。一條1000kV線路的輸電能力幾乎相當于4-5條500kV線路。各種電壓等級架空線路的波阻抗和自然功率如表1所示。表1 各種電壓等級架空線路的波阻抗和自然功率線路額定電壓U（kV）2203005007501000（1150）波阻抗Z（）400303278256250（250）自然功率P（MW）12136090022004000（5290）當然，除了提高輸電電壓外，還可通過減小波阻抗（增大分裂數(shù)、分裂圓半徑等）、減小線路電抗（各種補償措施）、采用緊湊型線路等措施來增大線路的輸電能力。2. 更遠的輸送距離輸電線路的輸送距離通常受限于靜穩(wěn)極限。線路的輸送功率可按下式計算 (1)式中，E與U分別為發(fā)電機暫態(tài)電動勢和系統(tǒng)電壓；X為包括發(fā)電機、變壓器和線路在內(nèi)的等值阻抗。當=1時，即得出該系統(tǒng)的靜穩(wěn)極限，如取線路的輸電能力等于靜穩(wěn)極限的85，即可得到不同電壓等級線路在輸送不同功率（MW）時的容許輸送距離（km）。以輸送2000MW電力為例，如用500kV常規(guī)線路只能送400km，而用1000kV線路來送，可達1300km以上。3. 大幅降低輸電損耗降低線路損耗是提高輸電效率、節(jié)約能源的重要措施。超高壓與特高壓架空線路的損耗主要由兩部分組成：電阻損耗PR。它由導線電阻R引起，PR=I2R。電暈損耗PC。它與導線結(jié)構(gòu)和尺寸、氣象條件、工作電壓等諸多因素有關(guān)，因而通常用的是綜合考慮各種影響因素后得出的平均損耗。線路輸電總損耗隨著輸電電壓的提高，在輸送一定容量時，所需的電流可成反比減小，因而電阻損耗大減。若采用典型的線路設(shè)計方案，按上式估算500kV和1000kV輸電線路的總損耗及導線用鋁量，結(jié)果是1000kV方案的線路總損耗只有500kV方案的46，用鋁量約節(jié)省37。如果僅就電阻損耗而言，若二者的導線總截面積相同，則1000kV線路的電流只有500kV線路的一半，其電阻損耗就只有500kV線路的25了。4. 顯著節(jié)約線路走廊用地在打算采用特高壓輸電的國家中，有些并不是出于遠距離大容量輸電的需要，而是因為線路走廊用地問題難以解決。線路走廊的寬度取決于導線布置方式、塔形、電氣安全、線路產(chǎn)生的環(huán)境影響限值等多方面因素。以輸送容量同為8GW為例，將前蘇聯(lián)所采用的1150kV線路和500kV線路作比較，所需的線路走廊寬度如表2所示。表2 線路走廊寬度比較電壓等級（kV）5001150線路結(jié)構(gòu)單回路雙回路單回路一條線的走廊寬度（m）454590輸送8GW所需線路條數(shù)631需要的走廊總寬度27013590可見節(jié)約用地的效益十分可觀，特別是在線路很長或線路所經(jīng)之地是像日本東京地區(qū)那樣的人口稠密區(qū)的場合。5. 顯著節(jié)省投資在輸電總?cè)萘肯嗤那闆r下，采用1000kV來輸送比采用500kV至少可節(jié)省投資25。6. 限制交流系統(tǒng)短路容量的需要隨著500kV電網(wǎng)規(guī)模的擴大，系統(tǒng)短路容量將不斷增大，可能出現(xiàn)短路電流超過斷路器的開斷電流上限（約為63kA）的情況。提高輸電電壓是解決這個問題的有效措施。三國內(nèi)外特高壓交流輸電的發(fā)展3.1 國外特高壓交流輸電發(fā)展概況出于不同的考慮和原因，從20世紀60年代中期開始，先后有幾個國家對特高壓交流輸電技術(shù)展開了實驗研究，建立了包括實驗線段在內(nèi)的實驗研究基地，取得了一些可貴的研究成果和經(jīng)驗。美國 研究特高壓輸電最早的國家。由于美國不同地區(qū)存在著兩種主干輸電電壓，500kV和765kV，因而上一級電壓也分別選擇了1100kV和1500kV。它們的輸送距離雖均不大，但輸電容量都很大，需要采用特高壓。不過后來它們都沒有付諸工程實踐，主要是因為美國后來對能源結(jié)構(gòu)、電源布局、輸電方式的思路發(fā)生了變化。意大利 于1976年建成包括1000kV實驗線段的Suvereto特高壓實驗基地，開展和完成不少實驗研究工作，受到國際上的重視。但最后沒有再推向工程實踐，主要是南部核電站的計劃有變。前蘇聯(lián)/俄羅斯 由于幅員遼闊、動力資源豐富，是最需要采用特高壓交、直流輸電的國家之一。它從20世紀70年代初開始研究特高壓交流輸電技術(shù)，并在1985年建成投運第一段1150kV交流輸電線路（長495km），此后又將總長增長為2350km，其中900km長的一段連同三座變電站曾以全電壓（1150kV）斷續(xù)運行，累計運行時間約為4年，其余時間則以500kV降壓運行。但從1992年到現(xiàn)在，該線一直降壓為500kV運行，主要原因是前蘇聯(lián)在90年代初解體后，經(jīng)濟長期衰退，電源建設(shè)停滯，沒有這么多電能需要用特高壓來輸送。日本 為了將東京東北部和西北部的核電站所發(fā)出的電力輸送到東京用電中心，距離雖不遠，但輸送量很大，且該地區(qū)人口稠密、線路走廊用地極為緊缺，非采用更高一級電壓不可。1978年成立了由政府、大學、電力公司、電力設(shè)備制造廠的專家組成的“UHV輸電特別委員會”，組織和推動相關(guān)的實驗研究，并與1993年建成1000kV南-北線，1999年建成1000kV東-西線。但它們建成后一直以500kV降壓運行。3.2 我國特高壓交流輸電發(fā)展過程我國從20世紀80年代即開始特高壓交流輸電方面的工作，成立有關(guān)組織，開始收集資料和信息，跟蹤這一技術(shù)在國外的發(fā)展。與此同時，武漢高壓研究所開始特高壓戶外試驗場的建設(shè)，到1996年正式建設(shè)投入使用，使我國有了自己達到世界規(guī)模的特高壓試驗研究基地，主要設(shè)施包括：（1） 串級工頻高壓試驗裝置：2250kV，4A；（2） 沖擊電壓發(fā)生器：5400kV，527kJ；（3） 真型1000kV級UHV試驗線段：長200m；我國的電工制造業(yè)已有20多年自制500kV級超高級輸變電設(shè)備的經(jīng)驗，近年又成功研制了750kV級成套輸變電設(shè)備，這些都是我國自己試制1000kV級設(shè)備的技術(shù)基礎(chǔ)。我國于2008年底在武漢市郊新建成一座世界領(lǐng)先的特高壓交流試驗基地，主要由以下幾部分組成：單回和同塔雙回特高壓交流試驗線段、特高壓交流設(shè)備帶電考核場、環(huán)境氣候?qū)嶒炇?、電磁環(huán)境測量實驗室、特高壓交流電暈籠、7500kV戶外沖擊試驗場等。這座基地的綜合試驗研究功能極為完備和先進，創(chuàng)造了多項世界第一，包括特高壓交流試驗線段和桿塔的實驗功能，單回和同塔雙回線段電磁環(huán)境測量試驗條件，模擬海拔高達5500m處的外絕緣特性試驗條件，特高壓交流絕緣子串全尺寸污穢實驗能力，特長絕緣子串的覆冰或融冰閃絡(luò)試驗能力，特高壓GIS/AIS全電壓、全電流帶電考核場的規(guī)模與功能。與這座試驗基地相配合，我國還建設(shè)了具有世界領(lǐng)先水平的特高壓直流實驗基地（北京昌平）、特高壓桿塔試驗基地（河北霸州）、4300m高海拔試驗基地（西藏羊八井）。由我國自主研發(fā)、設(shè)計和建設(shè)的1000kV“晉東南-南陽-荊門”特高壓交流試驗工程于2008年底建成，試運行168h后正式轉(zhuǎn)為商業(yè)運行。工程起于山西省長治市境內(nèi)的晉東南1000kV變電站，經(jīng)河南省南陽市境內(nèi)的南陽1000kV開關(guān)站，止于湖北荊州市境內(nèi)的荊門1000kV變電站，整個工程包括兩座特高壓變電站、一座特高壓開關(guān)站和一條全長約650km的單回1000kV交流線路，自然輸送功率5000MW，變電容量2*3000MVA。我國第二條1000kV特高壓交流線路（淮南-浙北-上海）亦于2013年9月建成投運，它是同塔雙回路線路，遠期送電能力為10000MW，它已成為當今世界上電壓等級最高、輸送容量最大的商業(yè)運行交流輸電線路。四 特高壓交流輸電中的若干技術(shù)問題4.1 潛供電弧及其熄滅工頻電弧的熄滅決定于弧道恢復場強和電弧電流的充分抑制。對于中性點非有效接地系統(tǒng)的配電線路，前者決定于絕緣子串的泄漏比距，而單項工頻電弧電流乃是兩個健全相對于地電容電流之和，稱為電網(wǎng)電容電流。如果配電網(wǎng)中線路總長度不太大，這一電容電流較小，接地電弧一般能夠自熄，如電容電流較大，電弧不能自熄，就要采用中性點經(jīng)消弧線圈接地的方式了。中性點有效接地系統(tǒng)的高壓和超、特高壓輸電線路則不然，雷擊閃絡(luò)之后出現(xiàn)的單相故障電流（一次工頻短路電流）很大，電弧一般不可能自熄的。對此目前普遍采用單相自動重合閘來使線路恢復正常運行，但是實際情況則往往不然，其原因在于：一次短路電流被切除后，由于兩健全相導線對被開斷相導線之間的靜電耦合和電磁耦合，接地弧道中還會通過一定大小的工頻電弧電流，稱為二次電流，我國稱為潛供電流。試驗證明，隨著線路額定電壓的提高，潛供電流越來越大，又由于超、特高壓線路一般很長，這使得線路的潛供電流更大，需要加以抑制。4.2 特高壓交流線路的防雷保護在超/特高壓輸電的發(fā)展史上，有一個有趣的現(xiàn)象，即從世界上出現(xiàn)第一條400kV線路（古比雪夫-莫斯科）起，每當出現(xiàn)一個新的電壓等級（例如500、750、1150kV）時，人們都聲稱自己的新路線絕緣水平很高，因而將會是完全耐雷的。以前蘇聯(lián)/俄羅斯的超/特高壓線路為例，它們的絕緣水平如表3所示，確實已達到很高的數(shù)值。表3 5001150kV架空線路絕緣水平額定電壓（kV）絕緣子串的沖擊放電電壓（kV）導線極性預放電時間為2時的U50（2）正，U50（+）負，U50（-）5002150235031507503000335044001150450050006750但是，后來的運行記錄表明：它們的雷擊跳閘率往往遠大于設(shè)計值，一次又一次地證明它們雖然絕緣水平很高，但仍不是完全耐雷的。當然，隨著輸電電壓和絕緣水平的提高，線路的雷擊跳閘率和總跳閘率的絕對值是越來越小了，但是雷擊跳閘的次數(shù)在總跳閘次數(shù)中所占的比重卻越來越大，如表4所示。表4 俄羅斯110750kV架空線路雷擊跳閘運行指標電壓（kV）每100km.年的運行跳閘率雷擊跳閘所占比重（）n（總跳閘率）n1（雷擊跳閘率）變化范圍平均變化范圍平均變化范圍平均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前蘇聯(lián)/俄羅斯的1150kV線路的實際運行經(jīng)驗表明：它的總跳閘率約為500kV線路的25、約為750kV線路的65，但雷擊跳閘在總跳閘中所占比重竟高達94?？梢娞馗邏狠旊娋€路也不是完全耐雷的。由于塔桿與避雷針對地高度都很高，線路落雷次數(shù)顯著增多、感應雷擊過電壓分量也增大。塔桿高、導線上的工作電壓也很高，導致繞擊率增大。在特高壓線路上，檔中導地線間的氣隙長度并沒有按電壓成比例增大，因而雷擊檔中避雷針而導致導地線間氣隙被擊穿的可能性增大。以上這一系列問題，都是需要在高空架線時加以考慮的，有些技術(shù)問題亟待解決。4.3 特高壓交流輸電系統(tǒng)中的操作過電壓操作過電壓是確定特高壓交流輸電系統(tǒng)絕緣水平的決定性因素。無論從減輕特高壓線路和輸變電設(shè)備的絕緣難度，或者從縮減整個系統(tǒng)的建設(shè)費用來說，降低操作過電壓水平（減小其倍數(shù)）的意義都十分重大。在不采取降壓-限壓措施的情況下，合閘過電壓的倍數(shù)為2.0或3.0，可見要將特高壓輸電系統(tǒng)的最大操作過電壓倍數(shù)控制到1.61.7倍，實在是非常困難的。為此，應綜合采取多種技術(shù)措施：（1） 首先，應采用高壓并聯(lián)電抗器或可控高壓并聯(lián)電抗器，并選用合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行方式來降低和限制工頻電壓升高；（2） 隨著制造水平的提高，現(xiàn)代金屬氧化物避雷器的保護性能不斷改善，已成為限制操作過電壓的主要手段之一；（3） 在斷路器內(nèi)裝設(shè)阻值為400600歐的合閘電阻來降低合閘過電壓；（4） 采用斷路器的相角控制技術(shù)來實現(xiàn)等電位合閘，更能有效地降低合閘過電壓。4.4 特高壓交流輸電的環(huán)境影響問題隨著輸電電壓的提高，輸電容量的增大和公眾環(huán)保意識的增強，輸電工程的環(huán)境影響問題越來越受到人們的關(guān)注，并成為決定工程設(shè)計方案和建設(shè)費用的重要因素。為妥善解決特高壓交流輸電的環(huán)境影響問題，美國、前蘇聯(lián)、日本、意大利和我國均曾建立相應的實驗研究基地，開展過大量的實驗研究工作。輸電工程的環(huán)境影響主要包括兩個方面：工頻電場和磁場對人類和植物所產(chǎn)生的生態(tài)生理影響。電暈放電及其派生效應對環(huán)境的影響。對于特高壓輸電工程來說，重點應為可聞噪聲和地面電場強度兩項。環(huán)境影響的限值選擇是一個很重要的問題，因為如限值取得過高，環(huán)保部門難以接受，公眾也會抱怨或投訴；若限值取得過低，則線路走廊用地和工程造價都將增大到電力企業(yè)難以接受的程度。五見解與認識特高壓輸電在我國從被提出之時就一直伴隨著支持和反對的聲音。支持者認為我國幅員遼闊，能源分布不均勻，需要把西部的能源運送到華中華東地區(qū)，如果采用特高壓輸送電能，不僅經(jīng)濟而且環(huán)保。但反對者以技術(shù)不成熟、線路不安全、容易引起大面積停電等理由對特高壓建設(shè)持反對意見。雖然特高壓輸電最終還是被納入國家“十二五”規(guī)劃，但我還是希望我國的特高壓建設(shè)能夠更加謹慎地進行，由于我國之前沒有建設(shè)特高壓的經(jīng)歷，無法獲取特高壓運行的具體數(shù)據(jù)，致使現(xiàn)在有些特高壓輸電所帶來的“危害”