1000kV交流特高壓輸電技術(shù)分析

王安華

（國網(wǎng)德陽供電公司 四川德陽 618200）

1000kV交流特高壓輸電技術(shù)分析

王安華

（國網(wǎng)德陽供電公司 四川德陽 618200）

本文簡(jiǎn)要分析了我國應(yīng)用1000kV交流特高壓輸電的必要性以及其輸電特點(diǎn)，研究了1000kV交流特高壓輸電的相關(guān)技術(shù)問題，探討1000kV交流特高壓輸電線路及變電站設(shè)計(jì)方案，最終分析了我國特高壓工程應(yīng)用方案，以期提高1000kV交流特高壓輸電技術(shù)水平。

特高壓輸電；1000kV；電磁環(huán)境；技術(shù)特點(diǎn)

引言

交流特高壓電網(wǎng)主要適用于長(zhǎng)距離、大容量輸電。我國從1986年起就開始研究特高壓，受多種因素的影響，目前仍落后于俄、日、美、意等發(fā)達(dá)國家。我國正處于經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展階段，預(yù)計(jì)2020年國內(nèi)生產(chǎn)總值達(dá)到40000億美元，電力負(fù)荷勢(shì)必快速增長(zhǎng)，屆時(shí)我國總用電量將達(dá)到4600TWh左右，目前我國500kV電網(wǎng)已出現(xiàn)輸送能力不足等問題，目前的超高壓輸電技術(shù)將無法滿足未來電力發(fā)展需求。發(fā)展并應(yīng)用1000kV特高壓輸電技術(shù)，是保障電力、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要措施。此外，我國能源資源與生產(chǎn)力發(fā)展分布方向相反，因此，長(zhǎng)距離、大容量輸電是我國電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)?？傊瑥碾娋W(wǎng)發(fā)展需求、能源資源分布及國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求來看，我國都需要加快特高壓輸電技術(shù)的研究與應(yīng)用。

1 1000kV交流特高壓輸電技術(shù)特點(diǎn)

1.1 大容量輸電能力

線路自然功率是評(píng)價(jià)輸電線路輸電能力的重要指標(biāo)，長(zhǎng)距離超、特高壓輸電線路，通常要裝設(shè)高壓電抗器來解決無功平衡和過電壓?jiǎn)栴}，裝設(shè)串聯(lián)補(bǔ)償裝置來提高線路輸送能力。不同類型輸電線路的廣義自然功率見圖1，由圖可知采取相同的并聯(lián)補(bǔ)償度時(shí)，1000kV輸電線路的自然功率是緊湊型單回500kV線路的3.1倍，是常規(guī)單回500kV線路的4.2倍。由此可見，1000kV特高壓輸電線路具有大容量輸電能力。

圖1 不同類型輸電線路的廣義自然功率

1.2 長(zhǎng)距離輸電能力

單回1000kV特高壓輸電線路阻抗折算到500kV，相當(dāng)于同距離單回500kV線路阻抗的1/4，即電氣距離縮短為500kV線路的1/4。電氣距離縮短時(shí)，輸電線路的靜穩(wěn)極限就會(huì)增大，線路的輸電能力自然提高。不同類型輸電線路的輸送能力與輸電距離的關(guān)系見圖2，由圖2可知，就相同輸電容量而言，采用1000kV特高壓線路的輸電距離要大于500kV線路。以2000MW電力為例，1000kV線路的輸送距離約單回500kV常規(guī)線路的2.6倍，是單回500kV緊湊型線路輸送距離的2倍。

圖2 不同類型輸電線路的輸送能力與輸電距離的關(guān)系

1.3 低損耗輸電能力

降低線路損耗是提高輸電效率、節(jié)約資源的重要舉措，特高壓輸電線路的損耗由電阻性損耗、線路電暈損耗構(gòu)成。在總導(dǎo)線截面、輸送容量相同的情況下，1000kV輸電線路的電流是500kV輸電線路的一半，電阻損耗是500kV線路的1/4，低損耗優(yōu)勢(shì)極為顯著。

2 特高壓輸電的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無功平衡

1000kV特高壓輸電線路較長(zhǎng)、電壓高、電流大，因此潮流變化范圍大、無功平衡問題較為突出。為解決無功需求波動(dòng)問題，應(yīng)該配置高（低）壓電抗器、低壓電容器、可控電抗器等設(shè)備來實(shí)現(xiàn)無功平衡。此外，還可以通過安裝串聯(lián)補(bǔ)償裝置來提高自然功率的幅值，優(yōu)化系統(tǒng)的無功平衡、改善系統(tǒng)性能，降低電網(wǎng)損耗。

2.2 過電壓和絕緣配合

工頻過電壓及操作過電壓的水平會(huì)直接影響到設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)，關(guān)系到設(shè)備制造成本及運(yùn)行性能。這就要求在應(yīng)用特高壓輸電技術(shù)時(shí)，降低工頻過電壓及操作過電壓的水平。根據(jù)國家電網(wǎng)及相關(guān)部門的研究發(fā)現(xiàn)，我國特高壓輸電系統(tǒng)的過電壓水平需滿足以下要求：工頻過電壓在變電站側(cè)需小于1.3倍，在線路側(cè)需小于1.4倍；操作過電壓在變電站側(cè)需小于1.6倍，在線路側(cè)需小于1.7倍。特高壓設(shè)備絕緣水平需滿足以下要求：雷電沖擊耐受水平2250kV、操作沖擊耐受水平1800kV，5min工頻耐受水平1100kV。

2.3 潛供電流

1000kV特高壓輸電線路發(fā)生多相故障的可能性極小，通常為單相接地故障。設(shè)計(jì)人員可以通過安裝單相重合閘來減少線路強(qiáng)迫退出的次數(shù)，提高線路輸電的可靠性。但是在單相重合閘階段，故障相線路兩側(cè)斷路器跳開后，健全相通過電容及互感耦合，因此故障點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)潛供電流，該電流越大、其電弧就越難熄滅，最終影響到單相重合閘的成功率。為了解決這一問題，提高線路輸電的可靠性，日本的特高壓線路采用了快速接地開關(guān)。我國特高壓線路較長(zhǎng)，這就需要在高抗中性點(diǎn)處裝設(shè)小電抗來限制潛供電流。

2.4 電磁環(huán)境的影響

我國對(duì)1000kV電磁環(huán)境控制限值做出明確規(guī)定：特高壓輸電線路臨近民房時(shí)的工頻電場(chǎng)強(qiáng)度不得超過4kV/m，工頻磁場(chǎng)強(qiáng)度不得超過0.1mT；無線電干擾不得超過58dB；可聽噪聲不得超過55dB。要想實(shí)現(xiàn)這一要求，設(shè)計(jì)人員必須要結(jié)合實(shí)際情況來選擇線路導(dǎo)線型號(hào)、優(yōu)化設(shè)計(jì)桿塔及走廊寬度。經(jīng)過充分研究認(rèn)為，工頻電場(chǎng)和可聽噪聲的控制限值對(duì)特高壓線路設(shè)計(jì)起主要控制作用?？陕犜肼晫?duì)特高壓線路設(shè)計(jì)的影響較大，要想滿足上述要求，設(shè)計(jì)人員可以應(yīng)用大截面導(dǎo)線來實(shí)現(xiàn)。以單回1000kV特高壓線路為例，一般采用8×400mm2就可以滿足，但為了進(jìn)一步降低可聽噪聲，可以采用8×500mm2的導(dǎo)線，如果是同桿雙回1000kV特高壓線路，那么可以選用截面更大的導(dǎo)線或者8×630mm2的導(dǎo)線。另外，以同桿雙回輸電線路為例，采用逆相序排列能夠有效降低對(duì)工頻電場(chǎng)、工頻磁場(chǎng)造成的不良影響，但是不利于降低可聽噪聲，正相序排列則與其相反。這就要求設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工作過程中結(jié)合實(shí)際情況采用相應(yīng)的相序排列方式。

3 1000kV特高壓輸電系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

3.1 輸電線路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)1000kV輸電線路時(shí)，需要考慮到一系列相關(guān)因素，例如過電壓、絕緣、線路輸送容量、電磁環(huán)境影響、自然環(huán)境、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能等等。具體來說，單回1000kV輸電線路的設(shè)計(jì)參數(shù)如下所示：導(dǎo)線截面采用8分裂500mm2鋼芯鋁絞線；在居民區(qū)，導(dǎo)線對(duì)地距離為27m，在非居民區(qū)則為22m；塔頭空氣間隙中相V形絕緣子串為7.5m，邊相I形絕緣子串為6.5m；根據(jù)沿線污穢情況來確定絕緣子片數(shù)；鐵塔型式的選擇，則需要參考工程實(shí)際環(huán)境。一般情況下，1000kV線路故障率約500kV線路故障率的1/4，約750kV線路故障率的7/10。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)分析，94%的線路故障起因都是雷電繞擊導(dǎo)線。要想降低雷擊跳閘率，提高特高壓輸電系統(tǒng)的輸電可靠性及安全性，就要減小輸電線路的地線保護(hù)角，優(yōu)化耐張塔的地線布置，圖3為某1000kV直線桿塔的示意圖。

圖3 某1000kV直線桿塔的示意圖

3.2 變電站設(shè)計(jì)

以我國第一個(gè)交流特高壓變電站為例，該變電站的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下所示：1000kV電氣主接線選用雙斷路器接線；主變壓器容量為3GVA；設(shè)備短路電流設(shè)定為50kA；斷路器電流為4000A。變電站內(nèi)1000kV最小空氣間隙，帶電部分與接地部分之間距離為6.7m；不同相帶電部分的距離為9.3m。與敞開式屋外配電裝置設(shè)計(jì)相比，采用全封閉式組合電器，變電站面積能夠節(jié)約一半以上。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，設(shè)計(jì)人員可以建設(shè)數(shù)字化變電站，以此來適應(yīng)新時(shí)期的輸送電需求。

4 交流特高壓輸電技術(shù)的工程應(yīng)用

建立試驗(yàn)示范工程，是積極穩(wěn)妥地發(fā)展并應(yīng)用特高壓輸電技術(shù)的關(guān)鍵舉措。國家電網(wǎng)公司在對(duì)比分析幾種不同的方案后，最終決定將晉東南—南陽—荊門輸變電工程作為交流特高壓試驗(yàn)示范工程。晉東南—南陽—荊門輸變電工程全長(zhǎng)為670km，最終建成晉東南特高壓變電站、荊門特高壓變電站與南陽特高壓開關(guān)站。該工程規(guī)模相對(duì)合理，線路長(zhǎng)度及接線方式都具有一定的代表性，線路兩側(cè)系統(tǒng)具有獨(dú)立性，該變電工程能夠在保障系統(tǒng)運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上滿足各試驗(yàn)所需的各項(xiàng)條件，因此是建設(shè)特高壓試驗(yàn)示范工程的最佳方案。就目前來看，該工程的接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、規(guī)劃選站及選線、設(shè)備類型及技術(shù)規(guī)范的選定都已經(jīng)得以確定，工程可研報(bào)告也編制完成，電磁環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)滿足相關(guān)部門的要求，相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)研究工作也基本完成，已基本具備啟動(dòng)工程建設(shè)的相關(guān)要求。我國國家電網(wǎng)公司要能夠在特高壓試驗(yàn)示范工程成功建設(shè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的實(shí)際情況，深入研究交流特高壓輸電技術(shù)，解決存在的客觀難題，理清建設(shè)交流特高壓電網(wǎng)的具體實(shí)施思路，以點(diǎn)帶面、全面推動(dòng)特高壓輸電技術(shù)在我國電網(wǎng)中的發(fā)展與應(yīng)用。

5 結(jié)束語

綜上所述，我國正處于工業(yè)化及城鎮(zhèn)化加速發(fā)展的階段，資源危機(jī)及環(huán)境壓力逐漸加劇，這對(duì)我國電力發(fā)展水平及電力增長(zhǎng)方式提出了較高要求。1000kV交流特高壓輸電技術(shù)在我國電網(wǎng)發(fā)展中扮演著重要角色，占據(jù)著重要地位。1000kV交流特高壓輸電線路具備大容量、長(zhǎng)距離及低損耗的特征，能夠大幅度節(jié)約輸電走廊面積；其次，1000kV交流特高壓輸電技術(shù)在無功平衡、過電壓及絕緣配合、電磁環(huán)境影響等方面具有一定的特殊性，但是設(shè)計(jì)人員可以通過配置相關(guān)設(shè)備、優(yōu)化變電站設(shè)計(jì)、優(yōu)化線路設(shè)計(jì)等方式來加以滿足?？傊?000kV交流特高壓輸電技術(shù)是我國電力發(fā)展的必然趨勢(shì)，在我國有著廣泛的應(yīng)用前景，我國相關(guān)部門要能夠盡快建立試驗(yàn)示范工程，以此來加強(qiáng)對(duì)交流特高壓輸電技術(shù)的深入研究，最終為我國電網(wǎng)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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TM723

A

1004-7344（2016）08-0048-02

2016-3-1

王安華（1981-），男，技師，本科，主要從事縣級(jí)供電企業(yè)電網(wǎng)運(yùn)行、生產(chǎn)、安全管理工作。