緊湊型輸電技術(shù)應(yīng)用于交流半波長輸電初探

通過分析半波長輸電技術(shù)與緊湊型輸電技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其優(yōu)缺點，結(jié)合遠距離傳輸、提升輸送容量和電網(wǎng)穩(wěn)定性與可靠性的需求，開展了緊湊型輸電技術(shù)應(yīng)用于半波長輸電的探討研究；并依據(jù)特定的邊界條件，以及研究得到的滿足電磁環(huán)境要求的相地距離、相間距離、絕緣配置、對地距離、自然功率等參數(shù)，設(shè)計了適用于交流半波長輸電技術(shù)的緊湊型直線塔單線圖，可為交流半波長輸電技術(shù)的實現(xiàn)提供參考。引言隨著全球能源需求的不斷增加、傳統(tǒng)能源的枯竭以及對于環(huán)境問題的持續(xù)關(guān)注，世界各國已針對具備泛在互聯(lián)、低碳高效、供需互動等優(yōu)點的能源互聯(lián)網(wǎng)開展研究?；诖?，建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、以輸送清潔能源為主導(dǎo)，全球互聯(lián)泛在的堅強智能電網(wǎng)迫在眉睫，全球能源互聯(lián)網(wǎng)的概念也應(yīng)運而生。為滿足建設(shè)全球能源互聯(lián)網(wǎng)的需求，發(fā)展大容量、遠距離的輸電技術(shù)勢在必行。交流輸電與直流輸電相比，具有輸送方式較靈活、經(jīng)濟性較高、技術(shù)較成熟、環(huán)境影響較小等優(yōu)勢；而直流輸電在降低損耗、降低故障率以及提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)更優(yōu)。目前，直流輸電是遠距離輸電的主要方式，已經(jīng)核準(zhǔn)的準(zhǔn)東-華東（皖南）±1?100kV特高壓直流輸電工程的輸電距離達到3?000km以上。但是，直流輸電的造價昂貴，且閉鎖問題不能得到很好的解決。因此，有必要開展新型輸電技術(shù)研究，實現(xiàn)更經(jīng)濟的遠距離輸電方式。交流半波長輸電的概念由蘇聯(lián)專家于20世紀(jì)40

年代提出，相比傳統(tǒng)的交流輸電方式，其具有中途無需加設(shè)開關(guān)站、無需線路無功補償裝置、電壓穩(wěn)定性好、輸電能力強、經(jīng)濟性好等優(yōu)點，更適合進行同步聯(lián)網(wǎng)；但其輸送容量較直流輸電略低，且電暈損耗較高。為解決此問題，可采用交流特高壓緊湊型輸電技術(shù)，通過增大導(dǎo)線分裂數(shù)與線路的波阻抗，減少線路的電暈損失，并可提高自然輸送功率，壓縮線路走廊。目前，國內(nèi)外尚未開展將半波長輸電與交流特高壓緊湊型輸電技術(shù)相結(jié)合的相關(guān)研究。本文首先介紹了半波長輸電與緊湊型輸電技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其優(yōu)缺點；分析了兩者之間的區(qū)別與聯(lián)系；針對交流特高壓緊湊型輸電技術(shù)應(yīng)用于半波長輸電提出了應(yīng)用設(shè)想，并展示了初步研究成果，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。半波長輸電技術(shù)研究現(xiàn)狀交流半波長輸電技術(shù)是指輸電的電氣距離接近一個工頻半波的超遠距離（3?000km）的三相交流輸電技術(shù)，最早由蘇聯(lián)專家于20世紀(jì)40年代提出，而后國內(nèi)外學(xué)者對其進行了大量研究。指出在實際運行中，對于線路長度未達到半波長的，可通過串聯(lián)電感或并聯(lián)電容調(diào)節(jié)波阻抗，從而實現(xiàn)人工調(diào)諧；對半波長輸電的系統(tǒng)運維控制技術(shù)進行了研究，認(rèn)為可通過其與柔性交流輸電技術(shù)（FACTS）結(jié)合，實現(xiàn)更優(yōu)的控制；對半波長輸電的潛供電流進行了實驗?zāi)M，指出潛供電弧畸變電流較大，且架空線風(fēng)力對其影響也較大；對半波長輸電的沿線供電進行了研究，提出可采用常規(guī)變供電技術(shù)、絕緣避雷線抽能供電、抽能電抗器、與輸電線路平行架設(shè)的抽能導(dǎo)線、采用交流接口進行有源濾波等方式；分別指出半波長輸電在足夠長的輸電距離和一定輸電容量下，其經(jīng)濟性優(yōu)于特高壓直流輸電技術(shù)，可靠性稍高于特高壓直流輸電技術(shù)。但目前半波長輸電仍處于理論研究階段，沒有實際線路投運。半波長輸電具有以下優(yōu)勢：（1）提升輸送距離。由于半波長有效輸電距離為3?000km左右，彌補了傳統(tǒng)交流輸電方式在輸送距離上的缺陷，并且節(jié)約了兩端換流站投資，使交流輸電具備了與直流輸電競爭的可能性，為全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。（2）提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性與可靠性。半波長輸電采用點對點或點對網(wǎng)的輸電方式，由于首末兩端電壓幅值相同，相位相差180°，大大縮短了電氣距離，且無需無功補償裝置。通過半波長輸電技術(shù)，可使得遠距離的電網(wǎng)同步互聯(lián)，大大提升電網(wǎng)的抗干擾能力，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性與可靠性。同時，半波長輸電技術(shù)也具有常規(guī)交流輸電的缺點，例如：相同的邊界條件下，輸送容量遜于直流輸電；走廊需求較大；沿線潛供電流與過電壓的抑制尚缺乏深入研究等。因此，若將半波長輸電應(yīng)用于工程中，一方面須繼續(xù)深入研究其特性，另一方面可考慮與其他手段相結(jié)合，以發(fā)揮其優(yōu)勢，規(guī)避劣勢。?緊湊型輸電技術(shù)研究現(xiàn)狀緊湊型輸電是指將三相導(dǎo)線進行優(yōu)化排列，使其置于同一塔窗，且導(dǎo)線間無接地構(gòu)建，從而可節(jié)約線路走廊并提高走廊的單位輸電容量。世界各國對于緊湊型輸電展開了大量研究并已投入實際運用，美國、巴西等國家在20世紀(jì)80年代即建成了500kV緊湊型線路，我國于20世紀(jì)90年代開始建設(shè)，1994年、1999

年分別建成了國內(nèi)首條220、500kV緊湊型輸電線路，目前有220、330、500kV單雙回的緊湊型工程正在運行。750kV和1?000kV單、雙回緊湊型輸電技術(shù)尚處于理論研究階段，我國第一條500kV同塔雙回緊湊型輸電線路直線塔見圖1。圖1我國第一條500kV同塔雙回緊湊型輸電線路直線塔緊湊型輸電具有以下優(yōu)勢：（1）提高輸送功率。同一桿塔布置的多回線路使得線路之間距離更小，線路的感抗降低，容抗升高，可增加線路的自然功率，可提升線路的輸送能力。（2）節(jié)約線路走廊。通過適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線選型，實現(xiàn)線路的緊湊型布置，可節(jié)約線路走廊，減少土地占用面積，使土地使用成本下降，降低工程造價，可克服交流輸電相對于直流輸電線路走廊占地大的缺點。目前，針對緊湊型輸電存在的主要問題包括輸電線路舞動、絕緣、電磁環(huán)境（無線電干擾和噪聲）、帶電作業(yè)等。隨著電壓等級升高，尤其是750、1?000kV電壓等級下線路的電磁環(huán)境更為復(fù)雜，且由于其導(dǎo)線分裂數(shù)增加，導(dǎo)線舞動可能性更大，需通過選址改善線路的氣象環(huán)境減少舞動發(fā)生頻率，或通過安裝相間間隔棒等方式減少舞動引起的相間距離改變及對輸電帶來的不利影響。緊湊型輸電技術(shù)應(yīng)用于半波長輸電的可行性分析3.1?兩者的區(qū)別與聯(lián)系由前文分析可知，半波長輸電技術(shù)與緊湊型輸電技術(shù)之間存在互相結(jié)合、優(yōu)勢互補之處，如圖2所示。圖2

可見，緊湊型輸電技術(shù)存在與半波長輸電技術(shù)結(jié)合運用的可能性，將兩者有效結(jié)合，有望實現(xiàn)遠距離、大容量的交流輸電方式。3.2?應(yīng)用設(shè)想由于緊湊型輸電的防舞性能有待提高，因此今后的半波長輸電應(yīng)靈活使用緊湊型輸電技術(shù)。例如，在低風(fēng)速、輕冰區(qū)等工況下，運用緊湊型輸電方式，可以節(jié)約走廊，在一定程度上減小投資。根據(jù)前期調(diào)研與論證，應(yīng)用設(shè)想如圖3所示。

圖3

應(yīng)用設(shè)想擬分為5個步驟進行研究：（1）確定系統(tǒng)的邊界條件。1）輸送功率范圍暫定：6?600–7?200MW，不超過自然功率的1.2倍。2）工作電壓范圍暫定：1?100–

1?260kV。3）操作過電壓暫按不超過1?527kV考慮（考慮線路安裝避雷器）。4）相間過電壓：2.8p.u、3.0p.u.。5）選取不同分裂數(shù)及截面的導(dǎo)線進行比選研究：10×630mm2，10×720mm2，10×800mm2；12×500mm2，12×630mm2，12×720mm2，12×800mm2。（2）電磁環(huán)境與外絕緣研究。依據(jù)系統(tǒng)邊界條件，進行不同輸入條件下的絕緣配置、空氣間隙、對地距離、電磁環(huán)境控制的相間距離及自然功率等參數(shù)研究（導(dǎo)線采用等邊倒三角布置），得到不同輸入條件下的參數(shù)特性曲線。（3）塔頭布置方案研究。依據(jù)參數(shù)特性曲線，研究不同輸入條件下的單、雙回路緊湊型線路導(dǎo)線在同一塔窗、不同塔窗、垂直布置、水平布置等的可能方式，從工程技術(shù)角度分析緊湊型塔頭的合理型式。（4）鐵塔設(shè)計研究。研究緊湊型鐵塔塔頭幾何尺寸、瓶口隔面、塔身坡度以及節(jié)間布置等，同時分析角鋼、鋼管、復(fù)合材料、高強鋼等不同材料應(yīng)用于鐵塔結(jié)構(gòu)的可行性，提出合適的結(jié)構(gòu)布置型式和材料選擇建議。（5）經(jīng)濟性評價。對比分析相同邊界條件下，交流半波長輸電線路與特高壓交流常規(guī)型輸電線路、±1?100kV直流輸電線路的本體造價與走廊拆遷等工程量，評估半波長輸電技術(shù)工程應(yīng)用的經(jīng)濟性。為實現(xiàn)交流半波長輸電技術(shù)提供建議。3.3?初步研究結(jié)論以單回交流特高壓緊湊型塔頭布置為例，采用前文所述的邊界條件（導(dǎo)線采用等邊倒三角布置，風(fēng)速為30m/s），經(jīng)計算，可得到如下結(jié)論：（1）電壓1?100kV下，在下相導(dǎo)線最低高度20m（即平均高度27m）以上電場可以控制在10kV/m以下，滿足電磁環(huán)境控制指標(biāo)要求的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)和最小相間距離如表1所示。（2）單回交流特高壓緊湊型等邊倒三角布置，電壓1260kV時，在下相導(dǎo)線最低高度23m以上電場可以控制在10kV/m以下，10×500mm2、10×630mm2、10×720mm2

在相間距離小于或等于18m時電磁環(huán)境無法滿足控制值要求。剩下的幾種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)滿足電磁環(huán)境控制指標(biāo)要求的最小相間距離和自然功率如表2所示。（3）相地放電電壓要求值及間隙配置結(jié)果如表3所示。（4）根據(jù)特高壓10分裂導(dǎo)線1000us相間試驗，相間放電電壓要求值及間隙配置結(jié)果如表4所示（以海拔1000m為例）。（5）復(fù)合絕緣子串長配置結(jié)果如表5所示。（6）根據(jù)上述結(jié)論，可設(shè)計得到不同工況下的單回交流特高壓緊湊型鐵塔單線圖。以風(fēng)速為

30m/s、呼高為54m的直線塔為例，其單線圖如圖4所示（工作電壓1?260kV，導(dǎo)線選擇12

×630mm2，分裂間距400mm，復(fù)合串長9m，小弧垂0.6m，雙聯(lián)雙掛點550kN）。圖4單回緊湊型鐵塔單線圖可見，設(shè)計的桿塔結(jié)構(gòu)美觀，受力合理，具備應(yīng)用的可行性。但是，桿塔僅通過了理論計算，后期尚需在明確適合工程實際應(yīng)用的邊界條件基礎(chǔ)上進行試驗驗證。結(jié)論與展望4.1?結(jié)論（1）本文介紹了半波長輸電與緊湊型輸電技術(shù)的研究現(xiàn)狀，論證了其優(yōu)缺點，提出交流特高壓緊湊型輸電技術(shù)應(yīng)用于半波長輸電的設(shè)想。（2）論證了交流特高壓緊湊型輸電技術(shù)應(yīng)用于半波長輸電的可行性，并提出研究工作的技術(shù)路線。（3）以特定的邊界條件為例，根據(jù)研究得到的滿足電磁環(huán)境要求的相地距離、相間距離、絕緣配