第四章 特高壓交直流輸電 與特高壓電氣設(shè)備 2 電力工業(yè)起源于 19世紀(jì)后期，世界上第一臺(tái)火力發(fā)電機(jī)組是 1875年建于巴黎北火車站的直流發(fā)電機(jī)，用于照明供電。 1879年，美國(guó)舊金山實(shí)驗(yàn)電廠開始發(fā)電，這是世界上最早出售電力的電廠。而我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展幾乎和國(guó)際同步，我國(guó)也在 1882年建成第一座發(fā)電廠。目前我們國(guó)家的電力技術(shù)無(wú)論是電壓等級(jí)、機(jī)組容量還是設(shè)備制造方面相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)基本持平，甚至在某些技術(shù)領(lǐng)域，如特高壓與智能電網(wǎng)，還走在世界前列。 引言 3 引言 2008年底我國(guó)裝機(jī)容量達(dá) 年發(fā)電量達(dá) 34268億 kWh，僅次于美國(guó)居世界第二位，成為世界電力生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，但是人均裝機(jī)容量和人均用電量較世界平均水平都低 。 電力系統(tǒng)是一個(gè)知識(shí)密集型行業(yè)，科學(xué)技術(shù)在電力行業(yè)中的重要性就顯得尤為突出。目前電力系統(tǒng)正朝著大電網(wǎng)、特高壓、大機(jī)組、高自動(dòng)化方向發(fā)展。 國(guó)家電網(wǎng)公司制定了“一特四大”能源戰(zhàn)略，即特高壓電網(wǎng)、大煤電、大水電、大核電、大可再生能源基地。 2009年 5月 21日，國(guó)家電網(wǎng)公司在“ 2009特高壓輸電技術(shù)國(guó)際會(huì)議”上提出了“建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)”戰(zhàn)略舉措。 4 （一）開展特高壓電網(wǎng)建設(shè)的緊迫性 我國(guó)能源資源賦存和電力負(fù)荷分布極不均衡的狀況，西電東送，南北互供，全國(guó)聯(lián)網(wǎng)勢(shì)在必行 。 采用特高壓輸電有利于實(shí)現(xiàn)電力資源在較大范圍優(yōu)化配置，有利于節(jié)省線路走廊和節(jié)約土地資源，有利于節(jié)省電網(wǎng)建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用，有利于減少煤電對(duì)環(huán)境污染的影響。 特高壓交直流輸電 5 由于近年來(lái)我國(guó)電源超常發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)嚴(yán)重滯后，輸電能力不足，電網(wǎng)與電源發(fā)展不協(xié)調(diào)的矛盾十分突出。 現(xiàn)有 500千伏跨區(qū)同步互聯(lián)電網(wǎng)聯(lián)系薄弱，輸電能力嚴(yán)重不足，大電網(wǎng)的優(yōu)越性難以發(fā)揮。 區(qū)域電網(wǎng)之間水火互濟(jì)和跨流域補(bǔ)償能力明顯不足。 現(xiàn)有電網(wǎng)難以滿足遠(yuǎn)距離、大容量輸電的需要。 （二）特高壓輸電的定義 交流輸電電壓一般分高壓、超高壓和特高壓。國(guó)際上，高壓（ 常指 35 220千伏電壓。超高壓（ 常指 330千伏及以上、 1000千伏以下的電壓。特高壓（ 義為 1000千伏及以上電壓。高壓直流（ 常指的是 600千伏及以下的直流輸電電壓， 600千伏以上的電壓稱為特高壓直流（ 就我國(guó)而言，交流高壓電網(wǎng)指的是 110千伏和 220千伏電網(wǎng)；超高壓電網(wǎng)指的是 330千伏、 500千伏和 750千伏電網(wǎng)。特高壓電網(wǎng)指的是 1000千伏電網(wǎng)；高壓直流指 500千伏及以下直流系統(tǒng)，特高壓直流指 800千伏直流系統(tǒng)。 特高壓交直流輸電 7 相鄰兩個(gè)電壓等級(jí)的級(jí)差如何確定？ 一般認(rèn)為，超高壓電網(wǎng)更高一級(jí)電壓標(biāo)稱值應(yīng)高于現(xiàn)有電網(wǎng)最高電壓 1倍及以上。這樣，輸電容量可提高 4倍以上，不但能與現(xiàn)有電網(wǎng)電壓配合，而且為今后新的更高電壓的發(fā)展，留有合理的配合空間，做到簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少重復(fù)容量，便于潮流控制，減少線路損耗，有利于安全穩(wěn)定運(yùn)行。 能否采用 75000 8 （三）特高壓輸電的特點(diǎn) 1輸送容量大 一回 1000千伏特高壓輸電線路的送電能力接近 500萬(wàn)千瓦，約為 500千伏輸電線路（ 五倍左右。 800千伏直流特高壓 (4電能力可達(dá)到 640萬(wàn)千瓦，是 500千伏高壓直流 (3 620千伏高壓直流的 特高壓交直流輸電 9 （三）特高壓輸電的特點(diǎn) 2送電距離長(zhǎng) 在輸送相同功率的情況下， 1000千伏特高壓輸電線路的最遠(yuǎn)送電距離約為 500千伏線路的四倍。 采用 800千伏直流輸電技術(shù)使得超遠(yuǎn)距離的送電成為可能，經(jīng)濟(jì)輸電距離可以達(dá)到 2500公里及以上。 特高壓交直流輸電 10 （三）特高壓輸電的特點(diǎn) 3線路損耗低 在導(dǎo)線總截面、輸送容量均相同的情況下， 1000千伏交流線路的電阻損耗是 500千伏交流線路的四分之一。 特高壓交直流輸電 800千伏直流線路的電阻損耗是 500千伏直流線路的 39，是 620千伏直流線路的60。 11 （三）特高壓輸電的特點(diǎn) 4節(jié)約土地資源 特高壓交流：同塔雙回和貓頭塔單回線路的走廊寬度分別為 75米和 81米，單位走廊輸送能力分別為 米和 米，約為同類型 500千伏線路的三倍。 特高壓交直流輸電 特高壓直流： 800千伏、 640萬(wàn)千瓦直流輸電方案的線路走廊約 76米，單位走廊寬度輸送容量為 ，是 500千伏、 300萬(wàn)千瓦方案的 620千伏、 380萬(wàn)千瓦方案的 12 （三）特高壓輸電的特點(diǎn) 5工程投資省 采用特高壓輸電技術(shù)，可以節(jié)省大量導(dǎo)線和鐵塔材料，從而降低建設(shè)成本。根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)部門的計(jì)算，1000千伏交流輸電方案的單位輸送容量綜合造價(jià)約為500千伏輸電方案的 73，節(jié)省工程投資效益顯著。另外，采用特高壓輸電可減少線路回?cái)?shù)及設(shè)備數(shù)量，有利于提高供電可靠性，降低運(yùn)行費(fèi)用。 特高壓交直流輸電 13 （三）特高壓輸電的特點(diǎn) 6聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng) 通過(guò)交流特高壓同步聯(lián)網(wǎng)，大幅度縮短電網(wǎng)間的電氣距離，加強(qiáng)電氣聯(lián)系，提高穩(wěn)定水平，充分發(fā)揮大電網(wǎng)互聯(lián)的水火互濟(jì)、錯(cuò)峰、跨流域互補(bǔ)、減少系統(tǒng)裝機(jī)備用容量等各種聯(lián)網(wǎng)效益。 利用特高壓聯(lián)網(wǎng)，增強(qiáng)網(wǎng)間功率交換能力，可以在更大范圍內(nèi)優(yōu)化能源資源配置方式，有利于改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分層分區(qū)布局，從根本上解決短路電流超標(biāo)等問(wèn)題。 特高壓交直流輸電 14 （三）特高壓輸電的特點(diǎn) 特高壓電網(wǎng)具備長(zhǎng)距離、大容量和低損耗的送電能力，代表著當(dāng)今輸電技術(shù)的最高水平，是符合我國(guó)國(guó)情的輸電方式和未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展方向。 特高壓交直流輸電 15 輸電線路的 16 17 分裂導(dǎo)線的直徑從 0.8 時(shí)保持子導(dǎo)線數(shù)和相間距離不變，輸電線輸電能力增加 10%左右；子導(dǎo)線數(shù)從 6增加到 12，同時(shí)保持分裂導(dǎo)線直徑和相間距離不變，輸電能力可增加 5%左右 ;相間距離從 255m，其他保持不變，輸電能力可增加 12%以上。總體來(lái)看，調(diào)整分裂導(dǎo)線 3個(gè)參數(shù)在合理的范圍，輸電能力可增加大約 25%。 18 電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定性分為靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定 靜態(tài)穩(wěn)定指的是電力系統(tǒng)受到小的干擾后，不發(fā)生非同期性的失步，自動(dòng)恢復(fù)到起始運(yùn)行狀態(tài)的能力。 暫態(tài)穩(wěn)定指的是電力系統(tǒng)受到大的干擾后，各發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行并過(guò)渡到新的平衡狀態(tài)或恢復(fù)到原來(lái)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力，通常指第一或第二振蕩周期不失步。 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定指的是電力系統(tǒng)受到小的或大的干擾后，不發(fā)生振幅不斷增大的振蕩而失步。 19 電壓穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)在給定的運(yùn)行條件下，遭受擾動(dòng)后，系統(tǒng)中所有母線電壓能繼續(xù)保持在可接受的水平的能力。 電壓不穩(wěn)定的主要原因是電力系統(tǒng)在擾動(dòng)過(guò)程，增加負(fù)荷或改變運(yùn)行條件時(shí)不能滿足無(wú)功功率的需要。 核心問(wèn)題是輸電電網(wǎng)在傳輸有功功率和無(wú)功功率時(shí)，在線路電抗上要產(chǎn)生電壓降落。 20 擾動(dòng)可分為 ： （ 1）大干擾電壓穩(wěn)定是指系統(tǒng)大擾動(dòng)，如系統(tǒng)故障、發(fā)電機(jī)跳閘或輸電線路斷開等事故后系統(tǒng)對(duì)電壓的控制能力。這種能力是由系統(tǒng)負(fù)荷特性、連續(xù)與離散控制和保護(hù)的相互作用決定的。 （ 2）小干擾電壓穩(wěn)定是指系統(tǒng)的負(fù)荷逐漸增長(zhǎng)變化時(shí)系統(tǒng)控制電壓的能力。這種形式的電壓穩(wěn)定性是由負(fù)荷特性、連續(xù)作用的控制及給定瞬間的離散控制作用決定的。 21 雙回特高壓輸電線路將發(fā)電中心或送端系統(tǒng)的電力輸送到遠(yuǎn)方的負(fù)荷中心。 穩(wěn)定性要求 ： （ 1）當(dāng)一回輸電線路發(fā)生可能出現(xiàn)的嚴(yán)重故障，主要是靠近輸電線路送端發(fā)生三相短路時(shí)，繼電保護(hù)和斷路器正常動(dòng)作，跳開故障線路，切除故障，電力系統(tǒng)應(yīng)能保持暫態(tài)穩(wěn)定。 （ 2）故障線路跳開、切除故障后，剩下的一回線路能保持原雙回線路的輸送功率在靜態(tài)穩(wěn)定極限范圍內(nèi)，有一定靜態(tài)穩(wěn)定裕度，短時(shí)內(nèi)保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行人員在故障后重新調(diào)整電力系統(tǒng)潮流，使電力系統(tǒng)各輸電線路有接近正常運(yùn)行的靜態(tài)穩(wěn)定裕度。 （ 3）故障線路跳開、切除故障后，剩下的一回線路保持原雙回線路的輸送功率在小干擾電壓穩(wěn)定極限范圍內(nèi)，并留有一定的穩(wěn)定裕度。 （ 4）在電力系統(tǒng)大方式運(yùn)行條件下，特高壓輸電受端系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生單臺(tái)大機(jī)組突然跳閘，根據(jù)故障后的潮流分布，特高壓輸電線路對(duì)于可能增加的功率輸送，應(yīng)留有短時(shí)的靜態(tài)穩(wěn)定裕度和電壓穩(wěn)定所需的短時(shí)有功和無(wú)功輸送裕度確保受端電壓在穩(wěn)定裕度范圍內(nèi)。 22 穩(wěn)定限制要求： （ 1）靜態(tài)穩(wěn)定裕度應(yīng)達(dá)到 30% 35%，包括送、受端系統(tǒng)等值阻抗在內(nèi)的等效的兩端電勢(shì)的功角相應(yīng)地為 4440。 （ 2）特高壓輸電線路兩端電壓降落應(yīng)保持在 5%左右。 23 特高壓輸電的經(jīng)濟(jì)性 兩種比較方法：一種是按相同的可靠性指標(biāo)，比較它們的一次投資成本；一種是比較它們的壽命周期成本。 一回 110000倍以上 。 在輸送相同功率情況下， 1100。 24 可靠性 25 主要設(shè)備成本 26 輸電成本 27 高壓電網(wǎng)的過(guò)電壓及其防護(hù) 特高壓變電站高壓配電裝置的直擊雷保護(hù) （ 1）特高壓變電站采用敝開式高壓配電裝置 (、敞開式電氣設(shè)備時(shí)，可直接在特高壓變電站構(gòu)架上安裝避雷針或避雷線作為直擊雷保護(hù)裝置。 （ 2）特高壓變電站采用半封閉組合電器 (或全封閉組合電器 (,則其 出套管尚需有直擊雷保護(hù)裝置保護(hù)。而 28 特高壓變電站電氣設(shè)備的雷電侵入波過(guò)電壓保護(hù) 在變電站內(nèi)適當(dāng)位置安裝金屬氧化物避雷器 (由于限制線路上操作過(guò)電壓的要求，在變電站線路斷路器的線路側(cè)必然安裝有 壓器回路也要求安裝 29 特高壓內(nèi)部過(guò)電壓限值暫定值 (1)工頻過(guò)電壓 :限制在 個(gè)別情況下線路側(cè)可短時(shí) (持續(xù)時(shí)間不大于 許在 (2)相對(duì)地統(tǒng)計(jì)操作過(guò)電壓 (出現(xiàn)概率為 2%的操作過(guò)電壓 )：對(duì)于變電站、開關(guān)站設(shè)備應(yīng)限制在 于長(zhǎng)線路的線路桿塔部分限制在 (3)相間統(tǒng)計(jì)操作過(guò)電壓：對(duì)于變電站、開關(guān)站設(shè)備應(yīng)限制在 其中 :=1100值 )。 30 特高壓線路自身的容性無(wú)功大、輸送的功率大，加之我國(guó)單段特高壓線路比較長(zhǎng) 影響工頻過(guò)電壓主要有下列幾個(gè)因素： （ 1）空載長(zhǎng)線路的電容效應(yīng)及系統(tǒng)阻抗的影響。 （ 2）線路甩負(fù)荷效應(yīng)。 （ 3）線路單相接地故障的影響。 （ 4）甩負(fù)荷后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加及自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器 (調(diào)速器的影響。 31 限制工頻過(guò)電壓可考慮采取以下措施 （ 1）使用高壓并聯(lián)電抗器補(bǔ)償特高壓線路充電電容 （ 2）考慮使用可調(diào)節(jié)或可控高抗 （ 3）使用良導(dǎo)體地線 (或光纖復(fù)合架空地線 （ 4）使用線路兩端聯(lián)動(dòng)跳閘或過(guò)電壓繼電保護(hù) （ 5）使用金屬氧化物避雷器限制短時(shí)高幅值工頻過(guò)電壓 （ 6）選擇合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式以降低工頻過(guò)電壓 32 特高壓系統(tǒng)主要考慮三種類型操作過(guò)電壓：合閘 (包括單相重合閘 )、分閘和接地短路過(guò)電壓。 接地短路在正常相產(chǎn)生的過(guò)電壓，主要靠線路兩端 1000期將其限制到 1. 7p. 33 限制合閘和分閘過(guò)電壓主要措施： （ 1）金屬氧化物避雷器 ( （ 2）斷路器合閘電阻限制合閘過(guò)電壓。 （ 3）考慮使用控制斷路器合閘相角方法降低合閘過(guò)電壓。 （ 4）考慮使用斷路器分閘電阻限制甩負(fù)荷分閘過(guò)電壓的可行性。 （ 5）選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行方式以降低操作過(guò)電壓。 34 特高壓電網(wǎng)絕緣的分類 （ 1）特高壓架空輸電線路絕緣的分類 空氣：導(dǎo)線對(duì)