增容技術(shù)在電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用及現(xiàn)狀簡(jiǎn)析

韓曉燕

中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院 河南省鄭州市 451191

1 引言

電力是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的根本動(dòng)力之一，建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)是一個(gè)地區(qū)保持健康快速發(fā)展的關(guān)鍵所在。但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力需求也越來(lái)越大，部分線路因受現(xiàn)有輸電線路技術(shù)規(guī)程的限制，制約了系統(tǒng)內(nèi)傳輸容量的增長(zhǎng)，造成部分地區(qū)“拉閘限電”鬧“電荒”。

以河南為例，河南電網(wǎng)是“三華”特高壓同步電網(wǎng)的重要樞紐，但是目前部分220kV電網(wǎng)存在輸送斷面，三門峽、周口地區(qū)尤其突出。

三門峽電網(wǎng)主要擔(dān)負(fù)著轄區(qū)“一區(qū)兩市三縣”1萬(wàn)余平方公里的供電任務(wù)，無(wú)論是夏季大負(fù)荷方式還是冬季大負(fù)荷方式，三門峽電網(wǎng)中 220kV三高線、李高線、ⅠⅡ陜李線等潮流都較重，送電壓力大，在系統(tǒng)“N-1”或“N-2”方式下存在重載、過(guò)載現(xiàn)象[1]。

同樣，周口電網(wǎng)受電斷面情況也不容樂觀，供電形勢(shì)嚴(yán)峻。隨著“外電入豫”，局部地區(qū)220kV電網(wǎng)的輸送斷面問題將更加突出。

因此，針對(duì)目前電力供應(yīng)短缺問題，研究如何增加高壓輸電線路的輸送能力，在解決用電高峰及部分線路故障等情況下電力供應(yīng)不足的同時(shí)，還能帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 增容技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 提高輸電線路容量的電網(wǎng)技術(shù)

該方法主要是研究無(wú)損傳輸，確定線路的自然傳輸功率，其對(duì)輸送能力的增加提供基本的信息[2]。設(shè)線路兩端電源保持各端口的電壓不變，則當(dāng)輸送容量大于自然功率時(shí)，線路中間的電壓值將會(huì)降低，線路兩端都將注入無(wú)功功率；若輸電功率小于自然功率，線路中間的電壓將升高，兩端都要從線路吸收無(wú)功功率。這兩種現(xiàn)象都會(huì)隨著輸電距離的增大而愈加嚴(yán)重。因此自然功率常用來(lái)衡量長(zhǎng)距離輸電線路的輸送容量[3]。

2.2 提高輸電線路輸送能力的補(bǔ)償措施

輸電線路的自然功率與其阻抗Z成反比，若減小阻抗Z，則可達(dá)到提高線路輸送容量的目的。

2.2.1 串補(bǔ)技術(shù)和可控串補(bǔ)技術(shù)

串補(bǔ)技術(shù)是一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)，但傳統(tǒng)串補(bǔ)技術(shù)在帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也帶來(lái)了很多的問題，最常見的就是同步諧振問題。

2.2.2 并聯(lián)補(bǔ)償和靈活交流輸電技術(shù)

并聯(lián)補(bǔ)償主要由并聯(lián)電抗器補(bǔ)償、并聯(lián)電容器補(bǔ)償。在增容技術(shù)方面，近年來(lái)發(fā)展較快的是動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，該技術(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)需要快速調(diào)節(jié)無(wú)功、維持母線電壓在額定值附近[3]。

2.3 提高現(xiàn)有輸電線路輸送能力的技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)外主要采用靜態(tài)提溫增容技術(shù)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)增容技術(shù)來(lái)提高輸電線路的輸送容量。

靜態(tài)提溫增容技術(shù)是指突破現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程的規(guī)定，環(huán)境溫度按40℃考慮，線路上的風(fēng)速和日照強(qiáng)度完全符合規(guī)程要求，將導(dǎo)線的允許溫度由現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定的70℃提高到80℃和90℃，從而提高導(dǎo)線輸送容量[4]。

我國(guó)規(guī)程規(guī)定，計(jì)算導(dǎo)體允許載流量時(shí)，對(duì)于導(dǎo)線允許溫度鋼芯鋁絞線、鋼芯鋁合金絞線可采用70℃（大跨越可采用90℃）；環(huán)境氣溫應(yīng)采用最高氣溫月的最高平均氣溫（40℃）；風(fēng)速應(yīng)采用0.5m/s（大跨越可采用0.6m/s）；日照強(qiáng)度應(yīng)采用1000W/m2。但運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，這種極限值是保守地基于最惡劣的氣象條件下為維持線路對(duì)地的安全距離而得出的。實(shí)際上，絕大多數(shù)情況下允許輸送容量超出一些并不會(huì)造成設(shè)備故障和系統(tǒng)損壞。因此在現(xiàn)有線路設(shè)計(jì)的技術(shù)要求下，在不影響線路運(yùn)行安全和線路使用壽命的情況下，輸電線路有很大的增容空間，但要保障線路在增容的情況下安全運(yùn)行，就必須實(shí)時(shí)掌握線路狀態(tài)運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)（導(dǎo)線溫度、環(huán)境溫度、風(fēng)速以及日照強(qiáng)度等），根據(jù)線路運(yùn)行情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)控，確保線路運(yùn)行安全。

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)增容技術(shù)就是在輸電線路上安裝在線監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)導(dǎo)線狀態(tài)（導(dǎo)線溫度、張力、弧垂等）和氣象條件（環(huán)境溫度、日照、風(fēng)速等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在不突破現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程規(guī)定的前提下，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出導(dǎo)線的最大允許載流量，充分利用線路客觀存在的隱性容量，提高輸電線路的輸送容量。

動(dòng)態(tài)增容技術(shù)首先是由國(guó)外的一些研究機(jī)構(gòu)提出的。美國(guó)電科院（EPRI）開發(fā)的線路動(dòng)態(tài)熱容量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（DTCR）是將實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)與氣象資料結(jié)合起來(lái)，計(jì)算線路動(dòng)態(tài)負(fù)荷，此系統(tǒng)可允許設(shè)備負(fù)荷短時(shí)超出額定負(fù)荷而不會(huì)帶來(lái)危險(xiǎn)[5]。

美國(guó)SRP（Salt River Project）公司目前在2條重要輸電線路上使用動(dòng)態(tài)增容技術(shù)，使線路負(fù)荷短時(shí)超出它們的固定容量。

加拿大BC水電公司在靠近Vancuover的2條地下電纜上使用了動(dòng)態(tài)增容技術(shù)，并使其更換電纜的計(jì)劃推遲了1年，一次性節(jié)約費(fèi)用約100萬(wàn)美元。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)的研究也越來(lái)越多，例如上海交通大學(xué)、西安工程大學(xué)、華東電力試驗(yàn)研究院等高校及科研院所對(duì)動(dòng)態(tài)增容應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并在華東電網(wǎng)、浙江等電力公司開展了應(yīng)用。

華東電網(wǎng)公司是早期開展動(dòng)態(tài)增容實(shí)施工作的單位，并于2003年成功地對(duì)斗南、斗牌雙線進(jìn)行了增容，2004年對(duì)瓶武、王南雙線進(jìn)行了增容，2005年對(duì)渡牌雙線、瓶風(fēng)、瓶?jī)x、喬涌、喬潮、鳳雙雙線共8線進(jìn)行增容。線路輸送電流由2.4kA增大至2.8kA，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

在線監(jiān)測(cè)裝置研發(fā)應(yīng)用方面，目前應(yīng)用于動(dòng)態(tài)增容監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)裝置主要有微氣象監(jiān)測(cè)、導(dǎo)線溫度監(jiān)測(cè)、弧垂監(jiān)測(cè)，這三類監(jiān)測(cè)裝置近年來(lái)在各網(wǎng)省公司輸電線路上都有安裝部署。

2.4 提高輸電線路輸送能力的線路建設(shè)技術(shù)

2.4.1 同塔多回路技術(shù)

采用此種架設(shè)方式不僅可以節(jié)約土地，而且通過(guò)對(duì)多回路高壓線的組合排列，還可以部分抵消高壓輸電線產(chǎn)生的電場(chǎng)、磁場(chǎng)，減少對(duì)環(huán)境的影響。

2.4.2 大截面容量技術(shù)

大截面導(dǎo)線輸電技術(shù)是指超過(guò)經(jīng)濟(jì)電流密度控制的常規(guī)的最小截面導(dǎo)線，而采用較大截面的導(dǎo)線（如500kv，4*500mm2、4*630mm2、4*800mm2），以成倍提高輸電線路輸送能力的新型輸電技術(shù)。

2.4.3 采用新型導(dǎo)線進(jìn)行線路增容

目前新型導(dǎo)線主要采用耐熱導(dǎo)線技術(shù)和復(fù)合芯導(dǎo)線技術(shù)，連續(xù)容許載流量為同規(guī)格普通導(dǎo)線的1.5~1.6倍，大大提高了導(dǎo)線的輸送容量。

3 現(xiàn)有技術(shù)存在的問題

靜態(tài)提溫增容技術(shù)：突破了現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程的規(guī)定，我們還須研究提高導(dǎo)線允許溫度對(duì)導(dǎo)線、配套金具的機(jī)械強(qiáng)度和壽命的影響程度，以及導(dǎo)線溫升引起弧垂增加，對(duì)地及交叉跨越空氣間隙距離減小，線路對(duì)地及交跨安全裕度的影響程度。

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)增容技術(shù)：在不突破現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程規(guī)定的條件下，可保證系統(tǒng)穩(wěn)定和設(shè)備安全運(yùn)行，因此有很強(qiáng)的實(shí)用性。但動(dòng)態(tài)增容技術(shù)作為新技術(shù)，理論相對(duì)缺乏，關(guān)于載流量計(jì)算、隱性容量計(jì)算、線路躍遷時(shí)的暫態(tài)分析、溫度與弧垂之間的關(guān)系等數(shù)學(xué)模型的詳細(xì)算法少有論述。

新型增容導(dǎo)線：新型增容導(dǎo)線的材料和結(jié)構(gòu)與ACSR導(dǎo)線存在較大差異，目前缺乏新型增容導(dǎo)線溫升模型參數(shù)的有效計(jì)算方法，且缺乏實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、成本高。

4 動(dòng)態(tài)增容技術(shù)要解決的關(guān)鍵技術(shù)

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)增容技術(shù)無(wú)需改變?cè)芯€路的結(jié)構(gòu)，不影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，但需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）針對(duì)目前摩爾根載流量計(jì)算公式復(fù)雜的問題，建立載流量修正模型，通過(guò)理論驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，對(duì)處于熱平衡條件下的輸電線路數(shù)學(xué)模型可行有效性進(jìn)行驗(yàn)證；

（2）線路的躍遷（暫態(tài)運(yùn)行）問題的研究：在短時(shí)負(fù)荷場(chǎng)合下考慮線路的躍遷（暫態(tài)運(yùn)行）問題，根據(jù)熱平衡原理，建立線路躍遷時(shí)溫度變化方程式；根據(jù)實(shí)際線路的力學(xué)示意圖，計(jì)算懸點(diǎn)不等高導(dǎo)線任意點(diǎn)弧垂，建立線路躍遷時(shí)弧垂變化方程式；

（3）動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)。硬件包括線路監(jiān)測(cè)主分機(jī)、線路監(jiān)測(cè)副分機(jī)設(shè)計(jì)；軟件包括相關(guān)程序的編寫及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息、線路運(yùn)行信息的計(jì)算、分析、統(tǒng)計(jì)等。

5 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)增容技術(shù)可在確保系統(tǒng)穩(wěn)定、設(shè)備安全、不改變線路現(xiàn)行規(guī)程的前提下，通過(guò)對(duì)線路運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，及時(shí)對(duì)輸電線路的熱穩(wěn)定限額進(jìn)行調(diào)整，可最大限度地發(fā)揮輸電線路的負(fù)載能力，減少輸電設(shè)備的投資，對(duì)滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)有著積極的作用。

針對(duì)目前動(dòng)態(tài)增容技術(shù)理論不完善的缺點(diǎn)，一方面可從理論仿真與計(jì)算方面進(jìn)一步詳細(xì)研究動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；另一方面從整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面入手，設(shè)計(jì)可行、合理的控制系統(tǒng)，將實(shí)測(cè)氣象信息帶入數(shù)學(xué)模型，計(jì)算實(shí)時(shí)載流量及最大安全載流量，為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)增容提供指導(dǎo)，對(duì)解決電網(wǎng)電力緊缺問題及綠色環(huán)保智能電網(wǎng)建設(shè)有重要意義。