半波長交流輸電技術(shù)前沿追蹤與述評

汪煒將，陳程，楊金成，劉楊帆

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443000)

半波長交流輸電技術(shù)前沿追蹤與述評

汪煒將，陳程，楊金成，劉楊帆

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443000)

半波長交流輸電作為一種超遠距離、大容量的輸電技術(shù)，因其特有的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟性在國際上得到廣泛關(guān)注，在超遠距離點對點輸電模式中具有競爭力和應用前景。我國主要能源基地距離負荷中心較遠，接近一個工頻半波長，特高壓半波長交流輸電可以作為電力送出的一種可選方案。本文介紹了半波長交流輸電技術(shù)的研究進展，這些研究主要集中在該技術(shù)的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)運行特性、功率傳輸特性、潛供電流和過電壓及其抑制方法、調(diào)諧半波長輸電、繼電保護技術(shù)和抽能供電等。這些研究成果為特高壓半波長交流輸電系統(tǒng)未來試驗工程的實施提供了有力的技術(shù)支撐。

半波長輸電技術(shù)；暫態(tài)特性；潛供電流；調(diào)諧半波長輸電；過電壓防護；繼電保護

1 引言

當今社會經(jīng)濟快速發(fā)展的同時伴隨著用電需求量不斷增長，特別是在一些諸如中國、巴西等發(fā)展中國家，還有個明顯的特征就是負荷中心與能源基地相距甚遠，這種地域因素所產(chǎn)生矛盾便催生出各種超遠距離和超大功率的電能輸送技術(shù)，例如超/特高壓交流輸電技術(shù)、超/特高壓直流輸電技術(shù)、半波長交流輸電技術(shù)等。其中超/特高壓交流輸電，超/特高壓直流輸電都在實際電網(wǎng)中可靠運行，但世界范圍內(nèi)還沒有一條投入商業(yè)運營的半波長交流輸電線路，這也反映了對半波長輸電系統(tǒng)的研究還有很多問題有待解決。目前國家電網(wǎng)仍遠遠滿足不了未來我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的要求[1]，特高壓半波長輸電技術(shù)作為遠距離、大功率的輸電技術(shù)或許在未來能滿足龐大的電力需求。

半波長交流輸電是指輸電的電氣距離接近一個工頻半波長，即3000km(50Hz)或2500km(60Hz)的超遠距離三相交流輸電。

2 國外研究

前蘇聯(lián)學者AA Wolf和OV Shcherbachev在20世紀40年代首次提出半波長輸電理論[2]，并展開初期的理論研究，分析了半波長交流輸電線路在100Hz頻率下的一些運行條件和特點。1965年，美國的FJHubert等人在文獻[3]中提出用半波長系統(tǒng)來消除傳統(tǒng)輸電線路中各種運行和設計的問題，分析了線路在不同負載、短路故障時的暫穩(wěn)特性。1969年，印度學者FSPrabhakra在前者的基礎(chǔ)上做了大量的仿真，分別闡述了自然半波長傳輸線和調(diào)諧半波長傳輸線的一些主要特征[4-5]，給出了利用電感和電容將普通交流輸電線路調(diào)諧成半波長交流輸電線路的三種方式，分別為π型、T型和電容型調(diào)諧方式，但沒有明確給出調(diào)諧所需的電容值和電感值計算式。FIliceto和ECinieri在文獻[6]中提出了電暈損耗的數(shù)值模型，分析了電暈損耗對半波長輸電線路的影響，指出電暈損耗對抑制半波長輸電線路的工頻過電壓有較好的效果，但同時電暈損耗也是阻礙半波長線路傳輸能力提高的主要因素，且電暈損耗還會影響線路的暫態(tài)穩(wěn)定性，如何平衡電暈損耗、工頻過電壓及線路輸送能力這三者的關(guān)系是一個非常重要的問題。FMGatta等人于1992年對半波長輸電線路的電磁暫態(tài)問題，比如工頻過電壓、操作過電壓等問題做了論述和說明，并初步分析了潛供電流產(chǎn)生的原理，為進一步研究提供了可靠的參考[7]。此外，幾位意大利學者對半波長交流輸電技術(shù)開展了進一步研究，并使用EMTP軟件研究了半波長輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行和傳輸功率極限的特性、短路時線路過電壓、兩條線路并列運行等問題[8]。進入21世紀，很多巴西學者結(jié)合巴西水電資源與電力負荷中心呈逆向分布的特征，重點研究半波長交流輸電系統(tǒng)以試圖解決這一分布矛盾。Tavares M C等人在文獻[9]中討論了關(guān)于開展半波長輸電線路真型仿真試驗研究，主要方案是將巴西現(xiàn)有的500kV線路串聯(lián)起來進行真型線路試驗。文獻[10-12]分別討論了在半波長線路沿途安裝串聯(lián)或并聯(lián)FACTS裝置的兩種情況下，利用這兩種裝置對附近用戶進行供電，這種間接供電方式理論上初步解決了半波長輸電線路沿線不能給周圍負荷供電的問題。文獻[13]從入射和反射電流入手，推導得到了針對半波長輸電系統(tǒng)經(jīng)濟性研究所用的線路熱損失公式，該公式簡潔明了，對于實際工程計算則顯得非常便利。

3 國內(nèi)研究

國內(nèi)對于特高壓半波長輸電技術(shù)的研究還處于初始階段，主要是國家電網(wǎng)公司在2011～2012年組織有關(guān)科研院所就特高壓半波長輸電線路的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性、過電壓及保護、潛供電流及抑制措施、經(jīng)濟性評估等展開研究。

3.1 穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性

文獻[14]研究了輸送功率大小對沿線電壓分布和線損率的影響，以及甩負荷和故障情況下輸電線路沿線過電壓情況。結(jié)果表明：線路輸送功率的大小會影響到最大電壓和最小電壓出現(xiàn)的位置，即當輸送功率大于自然功率時，電壓分布呈兩端低、中間高；當輸送功率小于自然功率時，電壓分布呈兩端高、中間低；當線路輸送自然功率時，其線損率最小。同時研究表明對于線路無損情況下的半波長交流輸電線路，從理論上來說不需要裝設無功補償裝置，此時經(jīng)濟性較為突出。文獻[15]從入、反射波與無功需求兩個方面對其電壓分布特性進行深入分析，提出特高壓半波長輸電系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定極限和輸電能力，并通過仿真發(fā)現(xiàn)半波長輸電系統(tǒng)的最嚴重故障點既不在首端，也不再末端，而是距首端75%～90%之間的位置，但分析過程沒有考慮電容電壓和電感磁鏈的暫態(tài)過程，因而結(jié)果偏于保守。

3.2 過電壓問題及潛供電弧

文獻[16]對特高壓半波長輸電系統(tǒng)的工頻過電壓、操作過電壓、接地故障過電壓以及潛供電流等問題進行仿真研究，指出該線路過電壓水平非常高，當發(fā)生單相故障甩負荷時線路兩側(cè)過電壓大小超過3.8pu，這也是半波長交流輸電系統(tǒng)的缺點之一。潛供電弧是半波長輸電技術(shù)面臨的關(guān)鍵問題之一，半波長潛供電弧既有一般輸電系統(tǒng)潛供電弧的特點，又有其自身特殊性。文獻[17]闡述了潛供電弧數(shù)學建模的研究現(xiàn)狀，比較分析了各種模型的優(yōu)缺點，指出了潛供電弧作用機制和模型中待解決的關(guān)鍵難題。文獻[18]通過物理模擬試驗獲得了不同潛供電流值、恢復電壓梯度等組合方案下潛供電弧的燃弧時間，可作為沿線快速接地開關(guān)配置方案設計的參考依據(jù)。文獻[19]建立了用于半波長線路潛供電弧物理模擬的單相等值試驗拓撲，研究表明半波長交流輸電線路潛供電弧的陰極和陽極弧根運動具有明顯的極性效應，同時研究在不同補償方案下的熄弧特性，通過適當控制補償條件，有利于電弧的熄滅。文獻[20]綜合考慮了半波長輸電線路電弧所受電磁力、熱浮力、風載荷和空氣阻力的多場耦合作用，建立了潛供電流的受力方程和運動模型以及弧根模型，研究成果為發(fā)展特高壓半波長輸電線路潛供電流的抑制技術(shù)提供參考。

3.3 經(jīng)濟性和敏感性評估

文獻[21]采用最小年費用法對特高壓半波長交流輸電系統(tǒng)和±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行了分析，通過計算輸送單位功率綜合費用，特高壓半波長交流系統(tǒng)輸送單位功率綜合費用比±800kV直流輸電系統(tǒng)低19%；再者如果將特高壓半波長交流系統(tǒng)通過特高壓主變接入500kV系統(tǒng)，這時其輸送單位功率綜合費用比±800kV直流輸電系統(tǒng)低17%。文獻[22]針對電廠接線方式和輸電容量對特高壓半波長交流輸電系統(tǒng)進行了敏感性分析，結(jié)果是隨著輸送容量的增加，特高壓半波長交流輸電的單位容量年費用會越來越低，經(jīng)濟性逐步轉(zhuǎn)好?？傮w來說，特高壓半波長交流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟性明顯好于±800kV直流輸電系統(tǒng)。

3.4 絕緣配合

絕緣配合是半波長輸電工程建設的基礎(chǔ)，合理的絕緣配合是系統(tǒng)可靠運行的前提。文獻[23-24]研究了半波長輸電線路的各種諸如確定線路絕緣子配置和空氣間隙距離、變電站電氣設備絕緣水平和空氣間隙距離等絕緣配合。變電站空氣間隙距離分為工頻過電壓下和操作過電壓下的空氣間隙距離，對于工頻過電壓下的空氣間隙距離，作者指出由于半波長交流輸電系統(tǒng)的工頻過電壓高于常規(guī)的100kV特高壓輸電系統(tǒng)，因而空氣間隙距離應相應的提高；對于操作過電壓下的空氣間隙距離，由于半波長交流輸電系統(tǒng)的操作過電壓低于常規(guī)特高壓系統(tǒng)，因而此時變電站操作過電壓下的空氣間隙距離可以沿用常規(guī)特高壓工程值。當線路傳輸功率為自然功率，此時全線的電壓幅值相等，全線可按照線路中點電壓統(tǒng)一配置；當傳輸功率不等于自然功率時，此時線路各點電壓大小不一決定了全線絕緣配置不同。最后結(jié)果表明，特高壓半波長輸電工程設備和線路的絕緣配置基本上可以沿用現(xiàn)有的特高壓示范工程中所使用的絕緣配置。

3.5 繼電保護配置

繼電保護配置技術(shù)作為電力系統(tǒng)安全運行的可靠保證，是電力系統(tǒng)研究的一項重點工作。從各種文獻來看，半波長交流輸電系統(tǒng)的繼電保護技術(shù)的理論成果較少，初步研究表明特高壓半波長輸電系統(tǒng)的繼電保護配置方案可以參考現(xiàn)有的特高壓交流示范工程的繼電保護配置方案，如晉-南-荊特高壓交流示范工程。因為特高壓半波長輸電系統(tǒng)與特高壓交流輸電系統(tǒng)相比，即有共性，如充電功率大，故障后潛供電流大；同時又有半波長輸電系統(tǒng)自身特殊性質(zhì)，其主要不同體現(xiàn)在半波長輸電線路兩側(cè)電壓、電流不再遵循集總參數(shù)的基爾霍夫電壓電流定律，故障測距時需考慮其分布參數(shù)特性。文獻[25]提出一種基于貝瑞隆線路模型的適用于半波長交流輸電線路的電流差動保護新策略，通過PSCAD仿真驗證，該措施充當主保護能很好地保護半波長輸電系統(tǒng)。

3.6 調(diào)諧半波長線路及抽能供電技術(shù)

其他技術(shù)方面，為了能利用半波長輸電線路的優(yōu)良特性，充分發(fā)揮半波長輸電線路輸送功率大的特點，可以將普通輸電線路改造成半波長輸電線路，即所謂的人造半波輸電線路。文獻[26-27]針對這一點研究了利用電容和電感將普通輸電線路補償成π型、T型和電容型人造半波長輸電線路，給出了補償用所需電感和電容的表達式，詳細比較了不同補償點數(shù)對補償效果的影響。結(jié)果表明并非補償點數(shù)越多越好，當達到某一數(shù)值時，補償效果基本穩(wěn)定，從而在經(jīng)濟性上也得到有效保證。由于半波長輸電線路是一種典型的點對點輸電線路，難以在線路沿線取點給負荷供電，文獻[28]針對這一特點，拋棄了以往文獻中提到的利用絕緣避雷線和抽能電抗器抽取能量的方法，也不同于國外學者提出的利用串聯(lián)或并聯(lián)FACTS裝置進行抽能供電的方法，提出了沿輸電線路平行架設抽能導線進行抽能供電。抽能供電帶負載能力很差，為了提高載荷能力，作者提出抽能供電系統(tǒng)經(jīng)過串聯(lián)電抗器補償后使載荷能力有明顯提高，但其對半波長交流輸電系統(tǒng)的影響還需進一步研究。

4 結(jié)論

(1)半波長交流輸電技術(shù)，特別是特高壓半波長交流輸電技術(shù)以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢適用于遠距離、大容量的電力輸送，能滿足未來社會更大的電力需求。

(2)特高壓半波長交流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟性要好于±800kV直流輸電系統(tǒng)，初期投資和運行成本都將低于特高壓直流輸電系統(tǒng)。

(3)半波長交流輸電線路傳輸功率較大，過電壓水平高，如何提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及最大程度地抑制過電壓是半波長交流輸電技術(shù)的一個關(guān)鍵技術(shù)。

(4)人工調(diào)諧半波長交流輸電線路的經(jīng)濟性和調(diào)諧措施的可靠性還有待研究。

(5)目前對半波長交流輸電系統(tǒng)的研究還僅僅局限在點對點的輸電模式，如果將半波長交流輸電系統(tǒng)與其它線路并聯(lián)成網(wǎng)，此時的半波長交流輸電系統(tǒng)的控制策略還有待研究。

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FrontierTracing and Review of Half-wavelength Alternating Current Transmission

WANG Wei-jiang,CHEN Cheng,YANG Jin-cheng,LIU Yang-fan

(School of Electrical and New Energy,China Three Gorges University,Yichang 443000,China)

Half-wavelength alternating current transmission(HWACT)is a mode for long-distance and large-capacity power transmission,has been popularized around the world for its unique advantages inboth technological and economical aspects,and has nowadays drawn more attention in ultra-distance point-to-point transmission mode.The geographical positions of main energy resources in China are far from load centers,and the distance between energy resources and load centers are close to half-wavelength of power frequency.UHV half-wavelength AC transmission can be regarded as one of the selectable schemes to send electric power.This paper introduce the research progress of HWACT.And these research mainly focused on its steady state and transient operational characteristics、power transmission ability、secondary arc current and over-voltage and its suppression method、tuned half-transmission lines、relay protection technology and power extraction system.The achievements provide the power technical supports for the implementation of future testing project of UHV half-wavelength transmission system.

half-wavelength alternating current transmission;transient characteristics;secondary arc current;tuned half-wavelength line;over-voltage;relay protection

1004-289X(2017)01-0012-04

TM722

B

2016-10-09

汪煒將(1994-)，男，安徽銅陵人。在讀碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析； 陳程(1992-)，男，湖北宜昌人。在讀碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析； 楊金成(1990-)，男，湖北黃岡人。在讀碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)故障診斷； 劉楊帆(1991-)，女，河北石家莊人。在讀碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)故障診斷。