第四章特高壓交直流輸電及特高壓電氣設(shè)備

1、第四章第四章 特高壓交直流輸電特高壓交直流輸電與特高壓電氣設(shè)備與特高壓電氣設(shè)備 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(kāi)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。 引言引言引言引言 2008年底我國(guó)裝機(jī)容量達(dá)7.9億千瓦，全年發(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

2、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。 （一）開(kāi)展特高壓電網(wǎng)建設(shè)的緊迫性（一）開(kāi)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

3、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。 特高壓交直流輸電特高壓交直流輸電 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。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。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。現(xiàn)有電網(wǎng)難以滿足遠(yuǎn)距離、大容量輸電的需要。6（二

4、）特高壓輸電的定義（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，交流輸電電壓一般分高壓、超高壓和特高壓。國(guó)際上，高壓（高壓（HV）通常指）通常指35220千伏電壓。超高壓（千伏電壓。超高壓（EHV）通）通常指常指330千伏及以上、千伏及以上、1000千伏以下的電壓。特高壓（千伏以下的電壓。特高壓（UHV）定義為定義為1000千伏及以上電壓。高壓直流（千伏及以上電壓。高壓直流（HVDC）通常指）通常指的是的是600千伏及以下的直流輸電電壓，千伏及以下的直流輸電電壓，600千伏以上的千伏以上的電壓稱為特高壓直流（電壓稱為特高壓直流（UHVDC）。）。 就我國(guó)而言，交流高壓

5、電網(wǎng)指的是就我國(guó)而言，交流高壓電網(wǎng)指的是110千伏和千伏和220千伏電千伏電網(wǎng)；超高壓電網(wǎng)指的是網(wǎng)；超高壓電網(wǎng)指的是330千伏、千伏、500千伏和千伏和750千伏電網(wǎng)。千伏電網(wǎng)。特高壓電網(wǎng)指的是特高壓電網(wǎng)指的是1000千伏電網(wǎng)；高壓直流指千伏電網(wǎng)；高壓直流指500千伏及千伏及以下直流系統(tǒng)，特高壓直流指以下直流系統(tǒng)，特高壓直流指800千伏直流系統(tǒng)。千伏直流系統(tǒng)。 特高壓交直流輸電特高壓交直流輸電相鄰兩個(gè)電壓等級(jí)的級(jí)差如何確定？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)最高電壓電壓1倍及以上。這樣，輸

6、電容量可提高倍及以上。這樣，輸電容量可提高4倍以上，不但能與現(xiàn)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。制，減少線路損耗，有利于安全穩(wěn)定運(yùn)行。能否采用能否采用750kV作為作為500kV電網(wǎng)的更高一級(jí)電壓等級(jí)？電網(wǎng)的更高一級(jí)電壓等級(jí)？（三）特高壓輸電的特點(diǎn)（三）特高壓輸電的特點(diǎn)1 1輸送容量大輸送容量大 一回一回10001000千伏特高壓輸電線路的送電能力接近千伏特高

7、壓輸電線路的送電能力接近500500萬(wàn)萬(wàn)千瓦，約為千瓦，約為500500千伏輸電線路（千伏輸電線路（88.588.5）的五倍左右。）的五倍左右。 800800千伏直流特高壓千伏直流特高壓(4kA)(4kA)輸電能力可達(dá)到輸電能力可達(dá)到640640萬(wàn)千萬(wàn)千瓦，是瓦，是500500千伏高壓直流千伏高壓直流(3kA)的的2.12.1倍，是倍，是620620千伏千伏高壓直流的高壓直流的1.71.7倍。倍。 特高壓交直流輸電特高壓交直流輸電（三）特高壓輸電的特點(diǎn)（三）特高壓輸電的特點(diǎn) 2 2送電距離長(zhǎng)送電距離長(zhǎng) 在輸送相同功率的情況下，在輸送相同功率的情況下，10001000千伏特高壓輸千伏特高壓輸電線

8、路的最遠(yuǎn)送電距離約為電線路的最遠(yuǎn)送電距離約為500500千伏線路的四倍。千伏線路的四倍。采用采用800800千伏直流輸電技術(shù)使得超遠(yuǎn)距離的送電千伏直流輸電技術(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)到成為可能，經(jīng)濟(jì)輸電距離可以達(dá)到25002500公里及以上。公里及以上。 特高壓交直流輸電特高壓交直流輸電（三）特高壓輸電的特點(diǎn)（三）特高壓輸電的特點(diǎn)3 3線路損耗低線路損耗低 在導(dǎo)線總截面、輸送容量均相同的情況下，在導(dǎo)線總截面、輸送容量均相同的情況下，10001000千伏交流千伏交流線路的電阻損耗是線路的電阻損耗是500500千伏交流線路的四分之一。千伏交流線路的四分之一。特高壓交直流輸電特

9、高壓交直流輸電800千伏直流線路的千伏直流線路的電阻損耗是電阻損耗是500千伏千伏直流線路的直流線路的39，是，是620千伏直流線路的千伏直流線路的60。（三）特高壓輸電的特點(diǎn)（三）特高壓輸電的特點(diǎn)4 4節(jié)約土地資源節(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米和米和81米，單位走廊輸送能力分別為米，單位走廊輸送能力分別為13.3萬(wàn)千瓦萬(wàn)千瓦/米和米和6.2萬(wàn)千瓦萬(wàn)千瓦/米，約為同類型米，約為同類型500千伏線路的三倍。千伏線路的三倍。特高壓交直流輸電特高壓交直流輸電特高壓直流：特高壓直流：800千伏、千伏、640萬(wàn)千

10、萬(wàn)千瓦直流輸電方案的線路走廊約瓦直流輸電方案的線路走廊約76米，米，單位走廊寬度輸送容量為單位走廊寬度輸送容量為8.4萬(wàn)千瓦萬(wàn)千瓦/米，是米，是500千伏、千伏、300萬(wàn)千瓦方案萬(wàn)千瓦方案的的1.29倍，倍，620千伏、千伏、380萬(wàn)千瓦萬(wàn)千瓦方案的方案的1.37倍。倍。（三）特高壓輸電的特點(diǎn)（三）特高壓輸電的特點(diǎn)5 5工程投資省工程投資省 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，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)約為千伏交流輸電方案的單位輸送

11、容量綜合造價(jià)約為500千伏輸電方案的千伏輸電方案的73，節(jié)省工程投資效益顯著。另，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。利于提高供電可靠性，降低運(yùn)行費(fèi)用。特高壓交直流輸電特高壓交直流輸電（三）特高壓輸電的特點(diǎn)（三）特高壓輸電的特點(diǎn)6 6聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)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)、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

12、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。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)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，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。從根本上解決短路電流超標(biāo)等問(wèn)題。特高壓交直流輸電特高壓交直流輸電（三）特高壓輸電的特點(diǎn)（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)力，

13、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。情的輸電方式和未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展方向。特高壓交直流輸電特高壓交直流輸電輸電線路的II形等值電路 分裂導(dǎo)線的直徑從0.8 m到1.2m，同時(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25m減少到15m，其他保持不變，輸電能力可增加12%以上?？傮w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%。 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)

14、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。 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。 擾動(dòng)可分為 ：（1

15、）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(kāi)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。 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(kāi)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(kāi)、切除故障后，剩下的一回線路能保

16、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(kāi)、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)。 穩(wěn)定限制要求： （1）靜態(tài)穩(wěn)定裕度應(yīng)達(dá)到30% 35%，

17、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。 特高壓輸電的經(jīng)濟(jì)性特高壓輸電的經(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1100kV特高壓輸電線路的輸電能力可達(dá)到500kV常規(guī)輸電線路輸電能力的4倍以上 。 在輸送相同功率情況下，1100kV線路功率損耗約為500kV線路的1/16左右。 可靠性 主要設(shè)備成本 輸電成本 4.3 特高壓電網(wǎng)的過(guò)電壓及其防護(hù)特高壓電網(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(kāi)式高壓配電裝置(

18、AIS )、敞開(kāi)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(HGIS )或全封閉組合電器(GIS) ,則其GIS部分的引入、引出套管尚需有直擊雷保護(hù)裝置保護(hù)。而GIS本身僅將其外殼接至變電站接地網(wǎng)即可。 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(MOA)。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MOA，變壓器回路也要求安裝MOA。 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1.3p.u.以下，在個(gè)別情況下線路側(cè)可短時(shí)(持續(xù)時(shí)間不大于0.3s)

19、允許在1.4p.u.以下。(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(kāi)關(guān)站設(shè)備應(yīng)限制在1.6p.u.以下。對(duì)于長(zhǎng)線路的線路桿塔部分限制在1.7p.u.以下。(3)相間統(tǒng)計(jì)操作過(guò)電壓：對(duì)于變電站、開(kāi)關(guān)站設(shè)備應(yīng)限制在2.6p.u.以下。對(duì)于長(zhǎng)線路的線路桿塔部分限制在2.8p.u.以下。其中:1.0p.u. =1100kV(峰值)。 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(AVR)和調(diào)速器的影響。 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