特高压电网的技术特性.docx
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特高压电网的技术特性
特高压电网的技术特性
我国特高压电网包括特高压交流输电和特高压直流输电两种形式，交流为1000kV；直流为±800kV。
依照我国以后电力流向和负荷中心散布的特点和特高压交流输电和特高压直流输电的特点，在我国特高压电网建设中，将以1000kV交流特高压输电为主形成国家特高压骨干网架，以实现各大区域电网的同步强联网；±800kV特高压直流输电，那么要紧用于远距离，中间无落点、无电压支持的大功率输电工程。
特高压电网的系统特性要紧反映在技术特点、输电能力和稳固性三个方面。
1000kV交流输电中间可落点，具有电网功能，输电容量大，覆盖范围广，节省输电线路走廊，有功功率损耗与输电功率的比值小；1000kV交流输电能力取决于各线路两头的短路容量比和输电线路距离，输电稳固性要紧取决于运行点的功角大小。
±800kV特高压直流输电中间不落点，可将大量电力直送大负荷中心，输电容量大、输电距离长、节省输电线路走廊，有功功率损耗与输送功率的比值大，其输电稳固性取决于受端电网的结构。
一、关键技术分析
一、特高压系统中的过电压
电力系统的过电压是指由于内部故障、开关操作或蒙受雷击，而造成瞬时或持续时刻较长的高于电网额定许诺电压并可能致使电气装置损坏的电压升高。
我国特高压系统具有线路距离长、输送容量大；各地电网不同性大；部份特高压线路可能通太高海拔或重污秽地域等特点。
这些都使得过电压问题成为特高压系统设计中的重要问题之一。
表3－1为国外特高压系统的过电压水平情形。
目前我国尚无特高压过电压的标准，为了便于研究，通过反复计算和比较，并吸取其他国家的体会，初步建议以下的绝缘水平，作为进一步研究的参考和依据。
1）工频过电压:
限制在以下（持续时刻≤5s），在个别情形下线路侧短时（持续时刻≤许诺在以下。
2）相对地统计操作过电压（显现概率为2%的操作过电压）:
关于变电站、开关站设备应限制在以下。
关于长线路的线路杆塔部份限制在以下。
3）相间统计操作过电压:
关于变电站、开关站设备应限制在以下。
关于长线路的线路杆塔部份限制在以下。
工频过电压
产生工频过电压的要紧因素有空载长线的电容效应、线路甩负荷效应和线路单相接地故障。
可采取以下方法来限制工频过电压：
1）利用高压并联电抗器补偿特高压线路充电电容。
由于我国西电东送和南北互供等远距离送电的要求，相当一部份特高压线路都比较长。
单段线路的充电功率专门大，必需利用高压并联电抗器进行补偿。
日本由于每段特高压线路较短，没有利用高压电抗器，而前苏联和美国的特高压电网研究中均考虑采纳固定高压电抗器。
2）采纳可调剂或可控高抗。
线路补偿度一样在80％～90％左右。
重载长线在80％～90％左右高抗补偿度下，可能给无功补偿和电压操纵造成相当大的问题，乃至阻碍到输送能力。
对此问题较好的解决方法为采纳可调剂或可控高抗。
在重载时运行在低补偿度，如此由电源向线路输送的无功减少，使电源的电动势不至于太高，还有利于无功平稳和提高输送能力；当显现工频过电压时，快速操纵到高补偿度。
3）利用良导体地线（或光纤复合架空地线OPGW），可有利于减少单相接地甩负荷过电压。
4）利用线路两头联动跳闸或过电压继电爱惜，该方式可缩短高幅值无端障甩负荷过电压持续时刻。
5）利用金属氧化物避雷器限制短时高幅值工频过电压。
随着金属氧化物避雷器（MOA）性能的提高，使得MOA限制短时高幅值工频过电压成为可能，但这会对MOA能力提出很高的要求，在采纳了高压并联电抗器后，不需要将MOA作为限制工频过电压的要紧手腕，仅在特殊情形下考虑。
6）选择合理的系统结构和运行方式，以降低工频过电压。
过电压的高低和系统结构及运行方式紧密相关，这在特高压线路运行初期尤其重要。
操作过电压
操作过电压是决定特高压输电系统绝缘水平的最重要依据。
特高压系统要紧考虑三种类型的操作过电压：
合闸（包括单相重合闸）、分闸和接地短途经电压。
接地短路时在正常相产生的过电压，要紧依托线路两头的MOA限制。
因此，在特高压系统的操作过电压研究中以此作为限制操作过电压的底线，将合闸和分闸过电压限制到其适当的范围内（～水平之下）。
又由于相当一部份限制操作过电压方法是成立在限制工频过电压基础上，因此除上述采纳的限制工频过电压方法外，还要考虑以下方法：
1）金属氧化物避雷器（MOA）。
最近几年来随着MOA制造水平的提高，其限制操作过电压能力也不断提高，成为目前国际上限制操作过电压的要紧手腕之一。
在现时期特高压研究中，变电站和线路侧都采纳额定电压为828kV的MOA。
2）断路器合闸电阻限制合闸过电压。
合闸时，断路器辅助触头先合上，通过一段时刻（合闸电阻接入时刻），主触头合上，以达到限制合闸过电压的目的。
在国外，美国BPA合闸电阻为300Ω，前苏联合闸电阻为378Ω，意大利利用分合闸电阻为500Ω，日本由于线路较短，采纳高合闸电阻，利用分合闸电阻为700Ω。
在我国，综合各类因素后，初步确信1000kV断路器合闸电阻取400Ω。
3）利用操纵断路器合闸相角的方式来降低合闸过电压。
使合闸相角在电压过零周围，以降低合闸操作过电压。
1998年国际大电网会议对相控断路器的优缺点进行了讨论，以为通过度析计算和现场实验能够证明相控断路器的有效性。
4）用断路器分闸电阻来限制甩负荷分闸过电压。
分闸时,主触头先打开，通过一段时刻（分闸电阻接入时刻），辅助触头打开，以达到限制分闸过电压的目的。
但由于分闸电阻所需的能量专门大，分闸电阻在有的线路中还会阻碍到限制合闸过电压的成效，一样用线路两头MOA就能够够将大部份分闸过电压限制在要求水平以下，因此，在大部份情形下不采纳分闸电阻。
5）选择适当的运行方式以降低操作过电压。
雷电过电压
雷电过电压指雷云放电时，在导线或电气设备上形成的过电压，可分为直击雷过电压和感应雷过电压两类。
其中直击雷过电压对任何电压品级的线路和设备都可能产生危险，而感应雷过电压通常只对35kV及以下电压品级的线路和设备组成要挟。
为了避免雷击导线，我国110kV及以上架空线路几乎全数采纳避雷线。
由于特高压输电线路杆塔高度很高，导线上工作电压幅值专门大，比较容易由导线产生上行先导，使避雷线屏蔽性能变差。
例如雷电活动不太强烈的前苏联的1150kV特高压架空输电线路在不长的运行时刻（3000km·年）内已发生雷击跳闸21次，跳闸率高达km·年，这比我国500kV输电线路的运行统计值100km·年高得多。
这些跳闸的大体缘故是在耐张转角塔处雷电绕击导线。
国内外对架空输电线路雷电绕击进行了大量研究工作。
前苏联的特高压输电线路采纳水平拉线V型杆塔，杆塔高度约为46m，而日本特高压架空输电线路采纳同塔双回路、三相导线垂直排列的自立式杆塔，塔高88～148m。
我国已对拟建的交流1000kV特高压输电线路的四种塔型（M型水平排列、M型三角排列、3V型水平排列和3V型三角排列）的避雷线屏蔽性能进行初步研究。
通过对各类塔型在不同爱惜角情形下的雷击跳闸率分析比较说明，在工程设计中要充分关注雷电绕击防护的重要性，专门是对耐张塔和转角塔也要专门研究、精心设计、务必使其也具有较小的爱惜角。
关于山区、因地形阻碍（山坡、峡谷），避雷线也可能要取负爱惜角。
国内对架空输电线路的雷电还击也进行了大量的研究工作。
中国电力科学研究院在这方面也专门开发了计算程序，并取得了运行体会的验证。
关于不同的塔型，雷电还击跳闸率不同，如表3－2所示。
另外，杆塔接地电阻也是阻碍雷击杆塔还击耐雷水平的重要因素之一。
关于特高压变电站的雷击爱惜问题，国内外也在避雷器的爱惜范围、爱惜方式、进线线路爱惜角等方面进行了大量的研究工作。
结果说明，特高压变电站雷击防护问题与超高压变电站情形大体类似。
二、特高压电网的绝缘和绝缘配合
电网中电气设备在运行中会受到工频电压、工频过电压、操作过电压和雷电过电压等各类电压的作用。
电气设备的绝缘，即指在上述各类电压作用下呈现相应的绝缘强度。
而绝缘配合那么指在考虑运行环境和过电压爱惜装置特性的基础上，依照电网电气设备上可能显现的电压，科学合理地选择电网中电气装置的绝缘水平。
随着电网电压品级的提高，专门是在特高压电网中，空气间隙的放电电压在操作过电压下呈现饱和特性，这使得电网中电气装置的绝缘占据电网设备投资的份额愈来愈大。
而特高压电网因其输送容量庞大，绝缘故障后果将超级严峻。
因此，绝缘配合问题在特高压输电领域更值得关注。
特高压架空输电线路的绝缘子
特高压输电工程对绝缘子在高机械强度、防污闪、提高过电压耐受能力和降低无线电干扰等方面提出了更高要求。
前苏联1150kV特高压线路普遍采纳玻璃绝缘子；美国、日本1100kV特高压架空输电线路中采纳盘型悬式绝缘子，日本特高压输电线路利用防雾型瓷绝缘子；意大利的1000kV实验线路中采纳玻璃绝缘子。
部份特高压绝缘子的特性参数如表3－3所示。
基于国内外超高压架空线路复合绝缘子在污秽地域的良好运行特性，在较重污秽地域的特高压架空输电线路也宜采纳复合绝缘子。
俄罗斯直流研究所的专家极力推荐采纳合成绝缘子，以为这是电力系统中一项阻碍深远的新技术。
前苏联1150kV特高压架空输电线路大约采纳了700多支复合绝缘子。
在绝缘子串形和片数选择方面国内外都进行了大量的研究工作，综合考虑国内外特高压架空输电工程体会，架空输电线路的绝缘子串形和片数选择汇总如下：
1）1000kV级输电线路杆塔中相可采纳V串，边相采纳I串；而对同塔双回的情形，那么宜采纳I串。
2）关于1000kV输电线路绝缘子的选择，在轻污秽地域和污秽不过重的地域，应采纳300kN和400kN的双层伞型和三层伞型瓷绝缘子。
海拔1000m及以下地域绝缘子的具体选择如表3－4所示。
4）关于更高海拔地域的绝缘子片数的选择，将依照已有实验数据进行比较选择。
5）绝缘子串长度除应考虑上述工作电压的要求外，还应考虑运行中作用于其上的操作过电压要求及绝缘子串和同时受到该电压的杆塔上空气间隙的绝缘配合问题，以最终确信绝缘子串的长度。
特高压架空输电线路的空气间隙
空气是特高压输电工程中重要的绝缘介质之一。
空气间隙在交流工作电压、操作/雷电过电压作用下，呈现不同的放电电压。
前苏联、意大利、美国、加拿大、英国等都对架空输电线路的外绝缘特性进行了大量的研究工作，但由于实验条件与实际运行条件并非完全相符，因此设计架空线路时，这些数据不可直接利用。
我国特高压架空输电线路空气间隙在工作电压、操作过电压和雷电过电压下的选择要求如表3－5所示。
特高压变电站空气间隙的选定由操作过电压决定，如表3－6所示。
特高压电气设备的绝缘配合
特高压电气设备交流耐压实验目的在于两个方面：
其一是通过在升高电压实验进程中检测局部放电状况，以确认长期工作电压作用下的工频靠得住性；其二是特高压电气设备在运行中将受到临时过电压的作用，因此其绝缘设计应充分考虑到这一电压的作用，而且通过相应的实验加以查验。
日本特高压电气设备交流耐压实验的电压值与作历时刻如表3-7所示。
前苏联对特高压电气设备经受临时过电压的要求值如表3－8所示。
我国特高压电气设备短时交流耐受电压可按表3-7（实验电压为1100kV；时刻对变压器和GIS别离为5分钟和1分钟）要求。
前苏联和日本由于变电站电气设备绝缘配合原那么的不同和避雷器性能的不同，致使电气设备绝缘水平有较大不同，其变压器绝缘耐受电压如表3－9所示。
我国参照IEC71－2（1996）《绝缘配合第二部份利用导那么》和DL/T620－1997《交流电气装置的过电压爱惜和绝缘配合》等有关标准，取绝缘配合系数如下：
变压器、高压并联电抗器、开关设备和电压、电流互感器等内绝缘的操作冲击绝缘配合系数均取。
变压器内绝缘的雷电冲击绝缘配合系数取，且考虑运行老化因素再引入一裕度系数。
高压并联电抗器、开关设备和电压、电流互感器等考虑爱惜距离的因素，其内绝缘的雷电冲击绝缘配合系数取。
依照特高压金属氧化锌避雷器的操作冲击爱惜水平（1456kV）和雷电冲击爱惜水平（1624kV），可取我国特高压电气设备内绝缘的操作冲击和雷电冲击耐受电压值，如表3－10所示。
3、特高压直流输电
特高压直流输电由于直流侧电压高、容量大，对换流阀、换流变压器、平波电抗器、直流滤波器、直流避雷器等设备提出了更高的要求。
换流阀
目前大型直流输电工程均采纳晶闸管换流阀。
组成400kV、4000A的换流阀，不需元件并联，所需串联数约为138个。
对此数量级的串联数，换流阀的制造技术已比较成熟。
因此，特高压直流输电工程所需换流阀的制造是可行的。
换流变压器
换流变压器阀侧绕组承担有交流电压和直流电压的叠加，这对变压器的油纸绝缘和套管有特殊的要求。
前苏联20世纪80年代已制造出320MVA，直流750kV的单相双绕组换流变压器，并通过了现场实验，但仍没有运行体会。
关于±800kV、6400MW的特高压直流输电工程，换流变的研制是设备研制的重点。
平波电抗器
直流输电工程所采纳的平波电抗器有干式和油浸式两种类型，它们都在直流输电中取得普遍应用。
关于特高压直流输电，要紧应付直流电压下的油纸绝缘和支柱绝缘子进行更多的研究。
直流避雷器
由于具有非线形好，通流能力强、结构简单等优势，氧化锌避雷器在换流站中取得普遍应用。
氧化锌避雷器是通过增加氧化锌阀片的串联数来取得高电压，
在±600kV直流避雷器的制造和运行体会的基础上，制造±800kV的直流避雷器是难度不大的，其要紧限制条件是热稳固性和寿命问题。
直流绝缘子和套管
由于直流输电线路和换流站的污秽严峻，要求直流绝缘子（线路绝缘子和支柱绝缘子）和套管的爬距长而且具有良好的防污性能。
长爬距的瓷绝缘子和玻璃绝缘子在直流线路上均取得普遍应用。
复合绝缘子具有良好的抗污闪性能，宜在重污秽地域利用。
在直流输电工程中，由于直流穿墙套管的不均匀湿闪而引发的故障屡有发生，给套管制造带来困难。
采纳复合绝缘套管可使污闪问题取得改善。
二、特高压设备供给能力及自主化、国产化分析
从设备制造角度来看，国外闻名的设备制造商具有制造交流特高压设备的技术和能力，但缺乏商业运行考验。
关于特高压直流关键设备正处于研究开发时期，具有必然的工程应用风险。
最近调研说明：
除GIS、高压套管之外，我国电工制造企业已具有特高压交流输电设备的研制生产能力，而在特高压直流关键设备的研发能力方面，距离国际跨国公司水平还有较大差距。
1交流特高压输电设备
1） 变压器和并联电抗器
国内变压器制造要紧由西安变压器厂、保定变压器厂和特变电工（包括沈阳变压器厂和衡阳变压器厂）三大企业承担。
西安变压器厂和保定变压器厂都成功制造了750kV的3×500MVA的自耦变压器；衡阳变压器厂制成了750kV的并联电抗器，现已在750kV示范工程中运行；沈阳变压器厂还研制了供实验用的240MVA、1200kV的单相自耦变压器。
关于1000kV级所需的变压器，在技术上我国具有了自主研发的能力。
2） 开关设备
国内开关设备要紧由西安高压开关厂、平顶山高压开关厂和沈阳高压开关厂三大企业承担。
三个厂均能生产550kV单柱2断口SF6瓷柱式断路器；且别离与三菱、东芝和日立合作生产550kVGIS。
西安高压开关厂和沈阳高压开关厂通过三峡工程引进了ABB公司的GIS制造技术。
西安高压开关厂自主开发了550kV单断口SF6罐式断路器，现已制成750kV2断口的SF6罐式断路器样机。
沈阳高压开关厂为750kV示范工程的需要，引进了韩国晓星公司（日立技术）的750kVGIS技术，现已能生产750kVGIS中的母线。
1000kV级的开关设备，三个企业均能在单柱2断口550kVSF6瓷柱式断路器的基础上，自主研发双柱4断口的SF6瓷柱式断路器，在技术上不存在难度。
隔离开关、电流互感器、电容式电压互感器、避雷器等设备也能自主研发，可知足1000kV级空断气缘的放开式变电站的需要。
基于西安高压开关厂自主研发的550kV单断口产品和750kV的2断口样机，自主研发1000kV级的2断口SF6罐式断路器也是可能的。
在1000kV级的GIS产品方面，国内技术体会和生产条件尚有必然的差距。
但以我国自我研发为主，部份引进国外先进技术为辅来实现1000kV级GIS的国产化也是可能的。
2直流特高压输电设备
1） 晶闸管
5英寸（3000A）的电控晶闸管和光控晶闸管国内均已能生产。
5英寸硅片、钼片和管壳目前仍需入口正在慢慢国产化。
2） 换流阀
西安整流器厂已大体消化吸收了±500kV直流换流阀引进技术，已研制出换流阀所需的一些关键零部件，大体具有了为±500kV直流输电工程提供换流阀的能力。
在±500kV技术的基础上，慢慢实现±800kV（3000A）换流阀的国产化大体是可行的。
关于±800kV（4000A）的换流阀还需要进一步进行研发。
3） 换流变压器、平波电抗器、直流套管等设备
“九五”期间，西安高压电瓷公司与西安交通大学合作，为三峡工程研制了±500kV换流变压器和平波电抗器套管，已把握了其关键技术，具有设计和生产能力。
同时开展了直流干式套管的研发工作。
抚顺套管厂为灵宝背靠背换流站提供了120kV的直流干式套管。
国产±500kV直流输电的换流变压器及平波电抗器已在“三－常”线运行。
“贵－广”线也利用了国产换流变压器。
因此，国内研制±800kV所需的关键设备，已有了初步的基础和体会。
三、特高压对环境及生态的阻碍分析
特高压对环境和生态的阻碍是特高压进展研究中一个超级重要的问题。
要紧阻碍项目有由电晕所产生可听噪声、无线电干扰，和工频电磁场对生态的阻碍。
各国的研究均说明：
只要合理选择割裂子导线的半径和根数,和割裂间距和离地高度,这些阻碍和干扰都可限制在许诺范围内。
在特高压电磁环境阻碍方面，国家电网公司提出了符合国家标准的电磁环境操纵指标，于2005年7月13日通过了国家环境爱惜总局组织的专家审查。
武汉高压研究所开展的特高压线路对环境阻碍的实验研究结果说明，采纳割裂直径1m的8割裂导线，特高压线路的地面静电感应水平与500kV输电线路水平大体相当，无线电干扰水平小于500kV输电线路，可听噪声在公众所同意的范围内。
一、特高压输电线路可听噪声的分析
国外对特高压线路可听噪声做了大量的实验研究，表3－11为各国特高压线路可听噪声设计值。
由上表能够看出，国际上特高压输电线路可听噪声的限制值范围为50~60dB。
我国目前运行电网中的线路的最高电压品级为500kV，普遍采纳4割裂导线，可听噪声不突出。
依照我国的国家相关标准GB3096-1993《城市区域环境噪声标准》对不同类型地域所作的规定，参考国外特高压输电线路可听噪声限值，可确信可听噪声限值范围为50~60dB之间的中间值。
2、无线电干扰阻碍研究的分析
世界各国及我国对特高压电网的无线电干扰水平进行了大量的研究工作。
美国邦纳维尔电力局（BPA）的研究结果说明：
选择适合的导线后，1200kV实验线路的无线电干扰水平与550kV的接近。
我国、日本、加拿大、前苏联的研究也得出了类似结果。
输电线路的无线电干扰限值，因为各国的国情不一样，输电线路的参数和走廊的宽度也不同，到目前为止仍无相应的国际标准。
目前我国的国家标准是GB15707-1995《高压交流架空送电线无线电干扰限值》，标准的参考频率为，参考距离是边相导线投影外20m。
无线电干扰限值也是随着电压升高而增大（如表3－12所示）。
综上研究结果说明：
适被选择导线割裂数和子导线直径，能够使交流特高压输电线路的无线电干扰水平与已运行的超高压输电线路相当。
3、工频电磁场散布及其对生态阻碍分析
交流输电线路工作时，导线上的电荷将在空间产生工频电场，导线内的电流将在空间产生工频磁场。
工频电场和磁场对人体的阻碍程度取决于电场和磁场强度的大小。
输电工程的工频电场和磁场的长期生态阻碍如何，受到各界普遍关注。
由于特高压输电工程导线周围的工频电场和磁场一样会比超高压输电工程的高，如何操纵特高压输电工程的电磁环境，是特高压电网建设和运行需要考虑的要紧问题之一。
美国邦纳维尔电力局（BPA）的研究比较具有代表性。
1977年~1980年，美国邦纳维尔电力局（BPA）在莱昂斯的1200kV特高压实验对选择的8×41mm和7×41mm割裂导线进行了详细的测试研究。
实验线段长2.1km，档距416m，导线采纳三角形布置，相间水平距离22m，垂直距离18.3m，导线割裂圆直径1.07m，实验时加电压1150kV。
将8×41mm割裂导线边相的对地距离调整为22.9m，测得离地1m处的最大场强为m。
这是公众容易抵达的地址所许诺的场强值。
前苏联和日本也别离关于不同特高压杆塔的场强进行了研究。
研究结果说明，只要对导线进行合理的设计并选择适合的对地高度，能够使交流特高压输电线路的工频电场水平与已经同意的500kV输电线路一样。
针对工频电场和磁场对人和动植物的阻碍，美国、前苏联、日本和意大利等国在研究特高压输电时进行过大量的研究，世界卫生组织（WHO）也就工频电场和磁场对人和动物的阻碍进行过评判，结果说明，工频电场和磁场对人和动植物有确信的有害阻碍的阀值远高于输电线路下工频电场和磁场的限值。
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