緊湊型輸電技術(shù)應(yīng)用于交流半波長(zhǎng)輸電初探

通過分析半波長(zhǎng)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(diǎn)，結(jié)合遠(yuǎn)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(zhǎng)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(duì)地距離、自然功率等參數(shù)，設(shè)計(jì)了適用于交流半波長(zhǎng)輸電技術(shù)的緊湊型直線塔單線圖，可為交流半波長(zhǎng)輸電技術(shù)的實(shí)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(duì)于環(huán)境問題的持續(xù)關(guān)注，世界各國(guó)已針對(duì)具備泛在互聯(lián)、低碳高效、供需互動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)的能源互聯(lián)網(wǎng)開展研究。基于此，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(jiān)強(qiáng)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(yùn)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(yuǎn)距離的輸電技術(shù)勢(shì)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(jì)性較高、技術(shù)較成熟、環(huán)境影響較小等優(yōu)勢(shì)；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(yuǎn)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(dá)到3?000km以上。但是，直流輸電的造價(jià)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(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)的遠(yuǎn)距離輸電方式。交流半波長(zhǎng)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(wú)需加設(shè)開關(guān)站、無(wú)需線路無(wú)功補(bǔ)償裝置、電壓穩(wěn)定性好、輸電能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，更適合進(jìn)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(guó)內(nèi)外尚未開展將半波長(zhǎng)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(zhǎng)輸電與緊湊型輸電技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其優(yōu)缺點(diǎn)；分析了兩者之間的區(qū)別與聯(lián)系；針對(duì)交流特高壓緊湊型輸電技術(shù)應(yīng)用于半波長(zhǎng)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(zhǎng)輸電技術(shù)研究現(xiàn)狀交流半波長(zhǎng)輸電技術(shù)是指輸電的電氣距離接近一個(gè)工頻半波的超遠(yuǎn)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究。指出在實(shí)際運(yùn)行中，對(duì)于線路長(zhǎng)度未達(dá)到半波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)人工調(diào)諧；對(duì)半波長(zhǎng)輸電的系統(tǒng)運(yùn)維控制技術(shù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)更優(yōu)的控制；對(duì)半波長(zhǎng)輸電的潛供電流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M，指出潛供電弧畸變電流較大，且架空線風(fēng)力對(duì)其影響也較大；對(duì)半波長(zhǎng)輸電的沿線供電進(jìn)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(jìn)行有源濾波等方式；分別指出半波長(zhǎng)輸電在足夠長(zhǎng)的輸電距離和一定輸電容量下，其經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)輸電仍處于理論研究階段，沒有實(shí)際線路投運(yùn)。半波長(zhǎng)輸電具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）提升輸送距離。由于半波長(zhǎng)有效輸電距離為3?000km左右，彌補(bǔ)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(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)輸電采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)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(wú)需無(wú)功補(bǔ)償裝置。通過半波長(zhǎng)輸電技術(shù)，可使得遠(yuǎn)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(shí)，半波長(zhǎng)輸電技術(shù)也具有常規(guī)交流輸電的缺點(diǎn)，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(zhǎng)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(shì)，規(guī)避劣勢(shì)。?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(jìn)行優(yōu)化排列，使其置于同一塔窗，且導(dǎo)線間無(wú)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(guó)對(duì)于緊湊型輸電展開了大量研究并已投入實(shí)際運(yùn)用，美國(guó)、巴西等國(guó)家在20世紀(jì)80年代即建成了500kV緊湊型線路，我國(guó)于20世紀(jì)90年代開始建設(shè)，1994年、1999

年分別建成了國(guó)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(yùn)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(guó)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(guó)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(shì)：（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(shí)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(jià)，可克服交流輸電相對(duì)于直流輸電線路走廊占地大的缺點(diǎn)。目前，針對(duì)緊湊型輸電存在的主要問題包括輸電線路舞動(dòng)、絕緣、電磁環(huán)境（無(wú)線電干擾和噪聲）、帶電作業(yè)等。隨著電壓等級(jí)升高，尤其是750、1?000kV電壓等級(jí)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(dòng)可能性更大，需通過選址改善線路的氣象環(huán)境減少舞動(dòng)發(fā)生頻率，或通過安裝相間間隔棒等方式減少舞動(dòng)引起的相間距離改變及對(duì)輸電帶來(lái)的不利影響。緊湊型輸電技術(shù)應(yīng)用于半波長(zhǎng)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(zhǎng)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(shì)互補(bǔ)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(zhǎng)輸電技術(shù)結(jié)合運(yùn)用的可能性，將兩者有效結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(zhǎng)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(yùn)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(gè)步驟進(jìn)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(jìn)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(jìn)行不同輸入條件下的絕緣配置、空氣間隙、對(duì)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(jì)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(shí)分析角鋼、鋼管、復(fù)合材料、高強(qiáng)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(jì)性評(píng)價(jià)。對(duì)比分析相同邊界條件下，交流半波長(zhǎng)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(jià)與走廊拆遷等工程量，評(píng)估半波長(zhǎng)輸電技術(shù)工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。為實(shí)現(xiàn)交流半波長(zhǎng)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(jì)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(chǎng)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(shí)，在下相導(dǎo)線最低高度23m以上電場(chǎng)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(shí)電磁環(huán)境無(wú)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(yàn)，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(zhǎng)配置結(jié)果如表5所示。（6）根據(jù)上述結(jié)論，可設(shè)計(jì)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(zhǎng)9m，小弧垂0.6m，雙聯(lián)雙掛點(diǎn)550kN）。圖4單回緊湊型鐵塔單線圖可見，設(shè)計(jì)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(jì)算，后期尚需在明確適合工程實(shí)際應(yīng)用的邊界條件基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)論與展望4.1?結(jié)論（1）本文介紹了半波長(zhǎng)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(diǎn)，提出交流特高壓緊湊型輸電技術(shù)應(yīng)用于半波長(zhǎng)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(zhǎng)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