特高压输电系统及其关键技术
摘要
特高压输电具有大容量、远距离输电的优点，在我国能源和负荷分布不均衡，用电需求量很大的背景下，将有很好的应用前景。我国电网当前的特点是发电能源与用电中心存在地理位置的差异，特高压输电系统的建设可有效缓解这一难题，以实现我国能源资源的优化配置。发展特高压输电既能满足持续增长的电力需求，保障国家用电安全，也是提高电网的安全稳定水平与执行西电东送战略的需要。本文介绍了国内外特高压输电的历史和研究现状及过电压和绝缘水平的简介，根据我国未来能源流的要求及当前电网架构的问题总结出特高压电网的基本功能及特点，特高压输电的展望等问题。
关键词: 特高压，基本功能，过电压，绝缘水平，绝缘配合。
一、综述（国内外）
中国发展特高压技术的必要性
（1）建设特高压电网是实现资源优化配置的重要途径
中国是电能生产大国和使用大国，地域广阔，发电资源分布和地方经济发展极不平衡。 全国可开发水电资源近三分之二在西部的四川、云南、西藏；煤炭保有量的三分之二分布在山西、陕西、内蒙三省区。
而全国三分之二的用电负荷却分布在东部沿海和京广铁路沿线以东等经济发达地区。如在经济发达地区建设火电厂，巨量的煤炭运输将是个棘手问题。因此，必须在发电资源丰富的地区建设大煤电基地、大水电基地，实现煤电就地转换和水电大规模开发，再通过建设坚强的国家电网特高压骨干网架，将清洁的电能从西部和北部大规模输送到中东部地区，实现跨地区、跨流域水火互济，既解决东部能源短缺问题，减轻运输和环保压力，又促进西部资源优势转化为经济优势，实现经济社会协调发展，从而在全国范围内实现资源的优化配置。有利于优化我国电网和电源布局，促进电力工业整体协调发展长期以来“重发（电）轻供（电）”，造成电网建设投入不足，电网发展严重滞后，成为电力供应的瓶颈。近年来，随着电源建设步伐的加快，电网规划建设滞后和输电能力不足的问题日益突出，加剧了电网与电源发展不协调的矛盾。为尽快扭转这种状况，必须加快建设坚强的国家电网，从根本上解决我国电网建设滞后问题，引导电源合理布局，促进电源集约化建设和规模化经营，减少投资和运营成本，促进电网与电源协调发展。同时还可以提高电力和社会综合效益。随着电网规模的不断扩大，目前负荷密集地区电网出现诸多问题。负荷中心的大规模电厂建设使地区电网短路电流控制困难，如华东、华北电网已经出现部分500kV 母线的短路电流超过断路器的最大遮断电流能力。特高压电网建设将根本性地解决此问题，并提高电网运行的稳定性。
（2）特高压输电具有明显的经济效益
据估计，1条1150千伏输电线路的输电能力可代替5～6条500千伏线路，或3条750千伏线路;可减少铁塔用材三分之一，节约导线二分之一，节省包括变电所在内的电网造价10～15%。1150千伏特高压线路走廊约仅为同等输送能力的500千伏线路所需走廊的四分之
一，这对于人口稠密、土地宝贵或走廊困难的国家和地区会带来重大的经济和社会效益。
国内外特高压输电的研究
特高压交流输电技术的研究始于60年代后半期。当时西方工业国家的电力工业处在快速增长时期，美国、前苏联、意大利、加拿大、德国、日本、瑞典等国家根据本国的经济增长和电力需求预测，都制定了本国发展特高压的计划。美国、前苏联、日本、意大利均建设了特高压试验站和试验线段，专门研究特高压输变电技术及相关输变电设备。前苏联是最早开展特高压输电技术研究的国家之一，1988 年完成科克切塔夫—库斯坦奈延伸段的建设，总长约900km，曾以1 150kV 全电压累积运行四年左右的时间。日本在1972 年开始特高压输电的开发，1993 年建成柏崎一西群马—东山梨南北向特高压输电线路，总长190km ；1995 年在新榛名试验站安装特高压GIS 成套设备，随即加1 000kV 全电压试运行，到2006 年6月底为止，累计加压时间已有2413 天。可以看到，截至今日，技术问题已不是特高压输电发展的限制性因素，从技术来看，特高压输电应该是完全可行的
我国自1986 年开始便立项研究特高压交流输电技术，1994 年，我国第一条百万伏级特高压输电研究线段在武汉高压研究所建成，2005 年，我国提出建设1 000kV 级交流和+800kV 级直流系统，使特高压输电技术的研发快速进入试验阶段。目前，我国特高压设备研制工作已全面展开，完成了特高压输电中过电压与绝缘配合、电磁环境等重大研究。同时，我国已开工建设了特高压交直流试验基地和国家电网仿真中心，两条特高压试验示范工程已经完成工程设计并进入建设实施阶段。
我国在特高压输电技术上目前已具备的基础和条件。
首先有大量的研究成果可供应用和借鉴，日本、前苏联、美国、意大利等国都曾建设专门的试验基地，对特高压技术进行了长期的全面研究，我国应充分发挥后发研究的优势，不需从头开始，可在消化吸收的基础上，着重研究过电压的限制、无功补偿与平衡、设备制造等关键技术问题，并尽快进入工业试验。第二有实际工程的运行经验可供考虑。前苏联早在1985年就设计制造了全套特高压输变电设备，在投入1150kV全电压运行后，变压器、断路器、电抗器、避雷器等变电设备运行情况正常。从1995年以来，日本的特高压输变电设备包括变压器、断路器、隔离开关、高速接地开关、避雷器、CT、PT等在新近名特高压变电站进行了长达8年的全电压运行考核，不曾出现运行故障。由于国外已有特高压实际工程建设在先，其设计、施工、运行经验均可供我国学习和参考。第三国内已有较好的技术基础和条件。我国目前已在武汉建立了特高压试验研究基地，试验设备完全具备进行各项特高压试验的条件和能力，已进行了各项特高压的专题研究工作。另外，我国的设计和制造单位通过西北750kV工程，进一步具备了制造特高压设备的条件和基础，考虑到设备的成熟性部分特高压输变电设备在建设初期还可从国外引进。
我国特高压输电技术还需在无功平衡措施、消除潜供电弧措施、限制过电压的措施及绝缘配合、串联电容补偿装置、外绝缘、特高压设备等问题上进行重点技术研究。
二、特高压输电技术需研究的重点技术问题
重点研究的特高压输电技术包括：
（1）无功平衡措施的研究：特高压线路的充电功率很大（约为500kV 线路的5 倍），无功平衡问题尤显突出。固定电感值的电抗器可限制甩负荷时的工频过电压和正常运行时的容升效应，但这可能降低特高压线路的输送能力。为有效解决这一问题，需重点研究可控电
抗器的技术要求、参数及对潜供电流和工频、操作过电压的作用。
（2）消除潜供电弧措施的研究：特高压线路的潜供电流大，恢复电压高，潜供电弧 难以熄灭，会影响单相重合闸的无电流间歇时间和成功率，需研究快速消除潜供电弧的措施，以确保故障相在两端断路器跳开后熄灭潜供电弧。
（3）限制过电压措施的研究：过电压是指由于内部故障、开关操作或遭受雷击，而造成瞬时或持续时间较长的高于电网额定允许电压并可能导致电气装置损坏的电压升高。限制特高压输电系统过电压对于降低工程造价和保证系统安全稳定运行具有重要意义。因此需进行限制工频暂态过电压、各类型的操作过电压（包括线路和变电站合闸过电压，线路单相重合闸过电压，线路接地故障发生和消除过电压及解列过电压）、系统防雷、潜供电流和恢复电压的措施的研究。
（4）绝缘配合的研究：绝缘配合是指在考虑运行环境和过电压保护装置特性的基础上，根据电网电气设备上可能出现的电压，科学合理地选择电网中电气装置的绝缘水平。随着电网电压等级的提高，特别是在特高压电网中，空气间隙的放电电压在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越来越大。而特高压电网因其输送容量巨大，绝缘故障后果将非常严重。因此，绝缘配合问题在特高压输电领域更值得关注。特高压设备绝缘水平和绝缘配合原则的研究，对变电（换流）设备的价格和安全都有重大影响。要重点研究特高压输电在高海拔地区的过电压与绝缘配合研究。
（5）串联电容补偿装置的研究：串联电容补偿可提高特高压线路的输送容量和增强系统稳定度，需研究特高压系统的串联补偿装置及相关参数和技术要求。
（6）外绝缘的研究：外绝缘特高压线路和变电站中各种电极结构空气间隙的放电特性，各类送、变电设备外绝缘的放电特性，不同海拔高度下的海拔修正系数等需结合具体情况试验研究，另外特高压线路的防雷、防污、带电作业也需结合沿线路的雷电活动情况、土壤电阻率情况、污源分布状况专题研究合理的绝缘配合原则并结合具体的带电作业方式、工具特点研究最小安全距离和组合间隙，为设计、运行维护提供技术依据。
三、特高压输电对环境的影响
特高压输电产生的强电场造成对人生理和心理影响， 电晕放电除损耗能量外， 还引起如无线电、电视的干扰和可听噪声等一系列愈来愈为人们所关注的环境问题。
（1）强电场对人的生理和心理影响
1972年， 苏联关于超高压变电站工人反映电场对身体有影响的报告在大电网国际会议上发表后，引起了很大的波动， 世界各国对此进行了大量的试验研究。西班牙医生Fole在第二次国际电气危险防护会议上叙述了功能障碍的问题， 报道8~ 9个变电站工人到500kV变电站工作后有头痛、嗜睡、恶心等症状。国内也做过大量的试验研究表明， 工频高压电场有较明显的刺激作用， 对机体存在不良影响， 工作人员进入电场后头发竖立， 头部紧缩。动物试验还证明: 一定场强的工频高压对机体除局部有刺激作用外， 还有全身性影响， 诸如琥珀酸氢酶、心血管系统的心肌细胞乳酸脱氢酶、心肌细胞膜三磷酸腺苷( ATP) 酶和心电等的改变。
上面所说的是电场的长期影响， 此外还有电场的短期影响。处在特高压线下面或者附近的对地绝缘的导电体， 因为导电体和导线间的相互部分电容以及导电体对地的自有部分电容的存在， 当人接触此物体时， 就会产生电击。电击一般分为2种: 暂态电击和稳态电击。例如雨天打伞经过特高压线路下时， 如果脸部或手靠近伞的金属部分就会有火花放电， 这就是暂态电击。关于稳态电击， 据有关资料表明， 平均感觉电流约为0. 6mA( 妇女) 到1mA( 男子) 。
（2）电晕放电对电视的干扰
输电线路对电视的干扰有2个方面: 一是由于电晕放电产生的噪声对调幅图像的干扰引起图像质量的变差; 二是由于线路杆塔对电视波的屏蔽和反射引起信号衰减及产生重影等不良后果。电视伴音因为是调频制, 有其固有的抗干扰特性, 则不受影响。
输电线路对电视的干扰一般限于来自不良的绝缘子或金具上的火花放电。因绝缘子瓷件断裂或破损造成的断续放电, 各元件金属部分接触不良引起的放电, 如导线悬挂金具的绞接处及绝缘子钢脚的球头与铁帽的球窝间, 因锈蚀形成绝缘壁垒, 它们在交变电压下发生连续式微电弧放电。输电线路对电视接收产生屏蔽影响和引起重影, 发生影响的范围变化很大, 与电视波的入射角、线路的长度、导线粗细、导线根数、排列方式、地形以及入射波的强度等均有关系。
（3）可听噪声对环境的影响
可听噪声是指导线周围空气电离放电时所产生的一种人耳能直接听得见的噪声, 它是一种声频干扰。这种噪声将使得特高压线路附近的居民以及在邻近线路工作的人们感觉到烦躁不安, 严重时可以使人难以忍受。可听噪声和无线电干扰一样, 随着导线表面电场强度的增加而增大, 但是随着距离的增加, 可听噪声比无线电干扰衰减慢得多。交流输电线路可听噪声有2个特征分量: 一是宽频带噪声( 破裂声、吱吱声或斯斯声) ; 二是频率为100Hz( 或120Hz) 及其整数倍的纯声( 哼声和嗡嗡声) 。宽频带噪声是由于导线表面在空气中的电晕 放电产生杂乱无章的脉冲所造成的; 交流纯声是由于导线周围空间电荷的来回运动使空气压力变换方向所致。国外的研究表明, 对1000kV及以上的特高压线路, 可听噪声将成为很突出的矛盾, 导线的最小截面往往需要按这个条件来决定。
本文仅简述
特高压输电系统中的过电压问题及其解决思路。
四、内部过电压问题
在特高压系统设计中, 面临的重大问题之一就是如何将过电压等危害系统安全的电磁暂态问题限制在一个合理的水平内。大容量、远距离的特高压系统自身的无功功率很大, 每100 km 的1 000 kV 线路无功可达530 Mvar 左右, 这使得特高压系统:
a. 在甩负荷时可能导致严重的暂时过电压;
b. 在正常运行时负荷变化将给无功调节、电压控制以及单相重合闸潜供电弧熄灭等造成一系列问题;
c. 长空气间隙绝缘的饱和特性及复杂环境对绝缘特性的影响和电气设备制造的因素都给过电压的限制提出更高的要求。
在特高压系统的绝缘选择上, 操作过电压是主要的决定因素, 工频过电压有一定影响, 谐振过电压基本不予考虑。国内外对特高压输电系统内部过电压的研究主要集中在操作过电压和工频过电压( 主要是甩负荷引起的工频电压升高) , 各国针对具体情况考虑的内过电压水平如表1 所示。