特高壓輸電關(guān)鍵技術(shù)

ABSTRACT: UHV transmission projects can suffice the quickly increased demand of electrical power in the future, and suffice the requirement of grids extenting and uniting with the sustaining development of power system in China. The present paper introduces the research actuality of the whole world on UHV transmission project. Accoring to the analysis of Chinese actual conditions, the some technical problems in both 1000 kV UHVAC and ±800 kV UHVDC power transmission projects, including the problems of over voltage and insulation dependence, external insulation characteristics, electromagnetic environmental and the standards of UHV equipment’s manufacture and test. Along with the come into being of the State Grid UHV AC test base and the State Grid UHV DC test base, the above problems can be correctly solved. Test results can be used to direct the designs and the constructions of UHV transmission projects in our countries.

KEY WORDS: UHVAC; UHVDC; transmission line; test base

摘要：特高壓輸電工程建設能夠滿足我國未來快速的電力增長需求，滿足電網(wǎng)規(guī)模逐步擴大、跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)基本形成的網(wǎng)絡聯(lián)結(jié)要求。該文介紹了特高壓輸電技術(shù)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，基于中國的實際情況，分析了中國 1000 kV 特高壓交流輸電工程和±800 kV 特高壓直流輸電工程中，過電壓與絕緣配合、外絕緣特性、電磁環(huán)境以及特高壓設備制造與檢驗、檢測等方面面臨或亟待解決的問題。分析認為，依托國家電網(wǎng)公司一流的特高壓交流試驗基地和特高壓直流試驗基地，上述問題可以得到很好的研究解決，得到試驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果可直接用以指導我國特高壓輸電工程的設計和建設。

關(guān)鍵詞：特高壓交流;特高壓直流;輸電線路;試驗基地

0 引言

我國地域遼闊，能源儲備和電力負荷分布極不均衡。在電網(wǎng)建設中，能源分布和電力傳輸始終是一個需要綜合考慮的問題。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，建立長距離、大容量、低損耗的輸電系統(tǒng)已成為我國電網(wǎng)發(fā)展的必然[1]。特高壓交、直流輸電網(wǎng)除了能實現(xiàn)電能大規(guī)模和遠距離輸送的需求外，還可以大幅度提高電網(wǎng)自身的安全性、可靠性、靈活性和經(jīng)濟性，具有顯著的社會、經(jīng)濟效益。然而電網(wǎng)的運行電壓等級越高，相應的技術(shù)要求也就越高[2]。隨著四川復龍至上海南匯±800 kV 特高壓直流示范工程、晉東南−南陽−荊門 1000 kV特高壓交流試驗示范工程相繼由國家發(fā)展改革委員會核準建設，我國的特高壓交、直流輸電技術(shù)研究及其基礎(chǔ)實驗設施亟待完善。國家電網(wǎng)公司特高壓交流試驗基地和直流試驗基地的建設和逐步投付使用，將使我國具備可靠的試驗和測試平臺，同時可以為我國特高壓交、直流輸電技術(shù)在工程設計和建設方面起到重大的支撐作用。本文針對我國的國情，對特高壓輸電技術(shù)若干關(guān)鍵問題的進行研究。

1 特高壓輸電技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 國外特高壓輸電現(xiàn)狀

美國、日本、前蘇聯(lián)、意大利和巴西等國于 20世紀 60 年代末和 70 年代初相繼開始了特高壓交、直流輸電技術(shù)的研究，并建設了相應的試驗室及短距離試驗線路[3]。在特高壓交流輸電方面，前蘇聯(lián)于 20 世紀 80年代著手建設聯(lián)接西伯利亞、哈薩克斯坦和烏拉爾聯(lián)合電網(wǎng)的 1150 kV 輸電工程，成為世界上第一個(也是唯一的)具有成熟特高壓輸電運行經(jīng)驗的國家。進入 20 世紀 90 年代，受其國內(nèi)經(jīng)濟形勢及電力需求變化的影響，該工程降壓至 500 kV 運行。日本、意大利等國家也曾經(jīng)展開過特高壓交流輸電工程計劃，但由于世界經(jīng)濟發(fā)展速度減緩以及國際大環(huán)境變化而導致上述國家的電力需求停滯甚至衰退，特高壓輸電工程紛紛下馬，已經(jīng)建成的高壓輸電線路也只能以低電壓等級運行。在特高壓直流輸電方面，目前世界上運行電壓等級最高的是巴西伊泰普±600 kV 級直流輸電工程，而這一電壓等級與我國建設的±800 kV 級的直流輸電工程仍具有較大差距。

1.2我國特高壓輸電技術(shù)研究現(xiàn)狀

采用特高壓輸電，對實現(xiàn)更大范圍的資源優(yōu)化配置、提高輸電走廊的利用率和保護環(huán)境，都具有十分重要的意義[1]。我國大氣污染嚴重，“西南水電”的送出又帶來高海拔、覆冰等問題，因此氣候和地理環(huán)境對電磁環(huán)境指標及外絕緣特性的影響與國外研究機構(gòu)的試驗環(huán)境和試驗條件有較大差異，國外的研究結(jié)論很難應用。更重要的是，我國建設的800 kV特高壓直流輸電工程是世界上電壓等級最高、輸送容量最大、輸送距離最長的直流輸電工程，該工程的實現(xiàn)必須要基于我國實際情況而開展。

我國特高壓輸電技術(shù)研究始于 1986 年，在過去的 20 多年里，我國的科研機構(gòu)在特高壓交、直流輸電領(lǐng)域相繼開展了“遠距離輸電方式和電壓等級論證”、“特高壓輸電前期論證”和“采用交流百萬伏特高壓輸電的可行性”等研究，在特高壓輸電系統(tǒng)過電壓水平、絕緣配合、輸電線路對環(huán)境影響以及設備、線路、鐵塔、典型變電站(換流站)的選擇與論證方面，取得了初步成果。

隨著我國電網(wǎng)建設的發(fā)展，輸電線路數(shù)量不斷增多，輸電線路走廊將日益緊張，由此必將帶來交直流輸電線路同走廊、直流輸電線路導線多種排列方式、多回直流輸電線路同桿架設等新問題。同時，國家環(huán)保部門對電磁環(huán)境方面的管理越來越嚴格，特高壓工程的設計必須要滿足相關(guān)管理制度、法律、法規(guī)的要求。特高壓輸電工程的建設需要經(jīng)過特高壓試驗研究、特高壓設備研制、特高壓設備試運行的考核等幾個階段，而特高壓交流試驗基地和直流試驗基地的建設是特高壓輸電技術(shù)研究的基礎(chǔ)。為滿足特高壓輸電工程相關(guān)研究的需求，2006年 8 月，國家電網(wǎng)公司特高壓直流試驗基地奠基于北京中關(guān)村科技園區(qū)昌平園東區(qū)，該基地功能全面完整、高效實用，基地的建設緊密結(jié)合我國800 kV特高壓直流輸電工程實際。2006 年 10 月，國家電網(wǎng)公司特高壓交流試驗基地奠基于武漢 500 kV 鳳凰山變電站西側(cè)。該試驗基地的試驗線段部分包括單回路和雙回路各一條(目前均已實現(xiàn)帶電運行)，桿塔布置均為耐−直−直−耐方式，試驗線段在導線、地線的選用上，與晉−南−荊試驗示范工程保持一致。建成后的國家電網(wǎng)公司特高壓試驗基地將為我國特高壓交流試驗示范工程和直流示范工程的建設和運行提供強有力的技術(shù)支持。

2 特高壓試驗基地研究項目

2.1過電壓與絕緣配合

在特高壓輸電系統(tǒng)運行過程中，將承受操作沖擊、故障沖擊、雷電沖擊等引起的過電壓。由于目前我國尚無特高壓過電壓標準，因此，對過電壓與絕緣配合進行研究，選擇正確和經(jīng)濟的方式降低設備的過電壓水平和絕緣水平，對系統(tǒng)安全運行是十分重要的。

由于特高壓輸電工程的特殊性，導線的布置方式有多種選擇，絕緣子串型和塔頭間隙種類較超高壓線路多，如同桿并架，導線水平排列、垂直排列，絕緣子 I 串、V 串甚至 Y 串等。

我國特高壓輸電線路跨越高海拔地區(qū)的國情還決定必需對不同海拔條件下的空氣間隙放電電壓特性進行研究。因此，在常規(guī)研究項目基礎(chǔ)上，研究不同條件下空氣間隙的放電特性對于指導特高壓輸電工程的設計更具深遠意義。

2.2污穢外絕緣問題

通常，污穢外絕緣問題研究的主要內(nèi)容為絕緣子及套管的人工污穢、淋雨、覆冰和低氣壓(高海拔)條件下的外絕緣試驗，試驗的關(guān)鍵是在全電壓下進行。在我國特高壓輸電工程的前期研究中，由于缺乏高電壓等級的污穢電源，1000 kV 交流、±800 kV直流線路長串絕緣子的試驗不得不在國外進行，如日本 NGK、瑞典 STRI。

國外對特高壓交流輸電問題研究比較多，并且有前蘇聯(lián) 1150 kV 的運行經(jīng)驗可以借鑒。然而，考慮到我國特高壓輸電工程經(jīng)過地域的環(huán)境及地理氣候條件(如高海拔、重污穢等)，國外的建設經(jīng)驗不宜照搬。以目前我國 1000 kV 級交流輸電線路采用的 8 分裂導線設計為例，根據(jù)國外特高壓運行經(jīng)驗，該特高壓線路至少需要 300 kN 以上的大盤徑大噸位絕緣子。由于不同的絕緣子積污情況、耐污閃能力、老化性能、機械性能等相差很大，因此，以下 4 個方面問題是影響特高壓輸電工程外絕緣設計和選擇的關(guān)鍵問題：(1)設備外絕緣的耐污閃能力。與國外特高壓輸電工程不同，我國的地域遼闊，地理環(huán)境復雜，不同地區(qū)污穢情況有很大差別。同時，我國的大氣污染程度較美國、前蘇聯(lián)等國要嚴重得多。隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，工業(yè)污染日益嚴重，可以預見，在將來 1000 kV 交流特高壓和±800 kV 直流特高壓輸電工程中，線路外絕緣的染污放電問題將會越來越嚴重，因此，特高壓輸電線路在外絕緣設計時，首先應考慮的是設備外絕緣的耐污閃能力。(2)復合外絕緣的性能及可靠性。面對日益嚴重的大氣污染問題，在特高壓交、直流輸電工程上大量采用復合絕緣子已不可避免，然而國外特高壓輸電工程在此方面的研究比較薄弱，可借鑒的經(jīng)驗不多。因此，需要對復合絕緣子機電特性、老化、機械疲勞、內(nèi)部缺陷探測等問題，以及復合絕緣子在高海拔、覆冰條件下的外絕緣問題等進行深入、細致的研究。此外，部分線路絕緣子、變電設備采用 RTV 涂料(包括 PRTV 涂料)來增加設備外絕緣的耐污閃能力時，RTV 涂料(包括 PRTV 涂料)的可靠性、使用壽命的定義和判據(jù)也需要進一步研究。(3)外絕緣的串長及串型選擇。對輸電線路而言，絕緣子的串長是確定塔頭尺寸和塔頭結(jié)構(gòu)設計的基礎(chǔ)。耐污閃性能好的絕緣子，其串長就相對較小。相反地，耐污閃性能差的絕緣子會導致絕緣子串長較長，此時輸電線路的工程造價勢必會大大增加。綜合考慮國內(nèi)外特高壓輸電線路工程經(jīng)驗和運行特性分析，我國特高壓輸電線路可能采用與普通型輸電線路不同的絕緣子布置方式，如 V 形串等。由于采用 V 形串時的絕緣子的積污以及閃絡電壓同懸垂串都有所不同，因此，需要解決不同串形下的外絕緣水平選擇問題。(4)高海拔和覆冰問題。與平原地區(qū)相比，高海拔地區(qū)的染污絕緣問題更為嚴重。世界上的發(fā)達國家主要在平原地區(qū)，很少遇到高海拔問題，因此，他們在此領(lǐng)域所做研究很少，只有前蘇聯(lián)、日本、加拿大、瑞典等國家曾做過一些高海拔外絕緣污閃特性短串或模型的試驗。由于我國特高壓交、直流輸電線路將經(jīng)常性穿越高海拔、覆冰等氣候惡劣地區(qū)(如規(guī)劃中的向家壩−蘇南±800 kV 特高壓直流輸電線路中，線段的最高海拔達到了 3680 m),因此，各種環(huán)境條件下，輸電線路合理的絕緣配置也是特高壓輸電技術(shù)研究的關(guān)鍵問題，此問題的研究關(guān)鍵仍然是必須在全電壓等級下進行。

2.3電磁環(huán)境研究

電磁環(huán)境問題是特高壓交、直流輸電線路設計、建設和運行中必須考慮的重大技術(shù)問題?，F(xiàn)階段，此問題在世界范圍內(nèi)仍屬于熱點研究課題[3]。特高壓輸電線路的電磁環(huán)境與輸電線路電暈特性有關(guān)，線路的電暈會造成電暈損耗、工頻電磁場(交流輸電)、直流電場效應(直流輸電)、無線電干擾和可聽噪聲等方面的后果。其中，可聽噪聲問題已經(jīng)成為特高壓輸電線路導線設計的最重要影響因素。在高海拔地區(qū)，輸電線路的電磁環(huán)境問題比平原地區(qū)更為嚴重，然而目前國內(nèi)外對此問題的研究卻很不充分。因此，如何有效利用特高壓交流試驗基地和直流試驗基地的污穢及環(huán)境壓力容器試驗室，展開高海拔地區(qū)輸電線路電磁環(huán)境等問題的研究，也是面臨的新課題。

與±500 kV 直流輸電工程相比，特高壓直流輸電工程具有電壓高、導線截面大、鐵塔高、單回線路走廊寬等特點，因此其電磁環(huán)境問題與±500 kV 直流線路有一定的差別。由于特高壓直流輸電工程的電磁環(huán)境與導線型式、架線高度等密切相關(guān)，具體的選擇方式不僅直接影響到工程的技術(shù)方案和建設造價，還將直接影響工程建設環(huán)保是否達標等問題。

目前，±800 kV 特高壓直流輸電在國際上沒有先例，沒有經(jīng)驗可以借鑒，相應的電磁環(huán)境也沒有相關(guān)標準可循。而在 1000 kV 交流特高壓輸電線路電磁環(huán)境問題方面，其主要涉及到工頻電場、工頻磁場、無線電干擾和可聽噪聲等幾個方面，雖然已經(jīng)有部分研究成果應用于晉−南−荊試驗示范工程，但是對于減小電暈損耗、降低可聽噪聲以及無線電干擾的措施尚需進一步研究。

為了開展特高壓直流電磁環(huán)境研究，國家電網(wǎng)公司在北京建設了一條長 900 m、雙回試驗電壓±1200 kV 的可調(diào)整導線布置方式的特高壓直流試驗線段，以及一套尺寸為 70m×22m×13m 的兩廂式電暈籠(既可以進行單極試驗，又可進行雙極試驗)，在武漢建設了長度 1km 左右的特高壓交流試驗線段(單回路和雙回路各一條)，待建一套尺寸為35m×8m×8m 的電暈籠。

2.4 設備現(xiàn)狀

2.4.1我國輸變電設備制造業(yè)的發(fā)展

我國輸變電設備制造業(yè)經(jīng)過 50 年的發(fā)展，高壓、超高壓以及特高壓輸變電設備從無到有、從小到大。隨著我國電網(wǎng)技術(shù)、裝備水平不斷提高，相關(guān)設備制造企業(yè)的技術(shù)水平和國產(chǎn)化能力也不斷提升。近年來，在“裝備制造國產(chǎn)化”目標的指引下，經(jīng)過±500 kV 直流輸電工程、750 kV 交流輸電工程、三峽送出工程等實踐，我國電力設備制造行業(yè)在產(chǎn)品設計、制造、試驗檢測技術(shù)等方面均有了迅速發(fā)展，基本滿足了我國電力建設的需要。

目前，國內(nèi)設備制造廠已具備導線、金具、避雷器、電容式電壓互感器和電容器以及懸式絕緣子等特高壓輸變電設備的研制和供貨能力;而特高壓變壓器、電抗器、高速接地開關(guān)以及開關(guān)設備尚需加速開發(fā)研制;特高壓套管、GIS、可控電抗器等設備制造難度大，國內(nèi)目前還無制造能力，在特高壓輸電工程建設初期，尚需引進國外產(chǎn)品。

2.4.2長期帶電考核、運行狀態(tài)檢測與檢修技術(shù)

特高壓電網(wǎng)的建設決策是一項帶有戰(zhàn)略性和方向性的決策，具有很大的挑戰(zhàn)性[1]，設備的長期帶電考核對于保證系統(tǒng)的安全可靠運行具有重要意義[2]。考慮到我國電網(wǎng)所經(jīng)地區(qū)海拔高、污穢重、氣象條件惡劣，這就對特高壓設備的絕緣等級和技術(shù)條件提出了更高的要求，無論是國內(nèi)研發(fā)還是直接引進，都需要對其進行長期的帶電考核。

特高壓設備的運行狀態(tài)檢測和檢修技術(shù)的水平與能力是特高壓輸變電工程運行的可靠性指標。運行狀態(tài)檢測，尤其是在線監(jiān)測技術(shù)的應用可以防患于未然。但由于我們在相關(guān)方面經(jīng)驗仍存在較大的不足，因此對現(xiàn)有在線監(jiān)測技術(shù)的評估，選擇可靠性強的運行狀態(tài)檢測與檢修技術(shù)，提出相應的檢修項目、檢測周期、檢驗工具、檢驗標準和規(guī)范等。

3 若干關(guān)鍵技術(shù)研究成果與結(jié)論

3.1 過電壓與絕緣配合

3.1.1空氣間隙操作沖擊和雷電沖擊

±800kV 直流輸電塔頭空氣間隙操作沖擊和雷電沖擊 50%擊穿電壓的試驗分別在中國電力科學研究院戶外試驗場(6000kV/300kJ 沖擊電壓發(fā)生器)和國家電網(wǎng)公司特高壓直流試驗基地戶外試驗場(7200kV/480kJ 沖擊電壓發(fā)生器)進行。改變絕緣子串之間的橫擔長度以及 V 形串每邊的長度可以得到不同的導線到橫擔和導線到立柱的空氣間隙距離。

3.1.2系統(tǒng)過電壓水平

特高壓交流輸電系統(tǒng)工頻過電壓水平：①線路斷路器的變電站側(cè)1.3 pu。其中，1.0 pu =1100 2 / 3 ;②線路斷路器的線路側(cè)1.4 pu，持續(xù)時間小于0.4 s。特高壓交流輸電系統(tǒng)操作過電壓水平：①變電站：對地為 1.6 pu，相間線路斷路器內(nèi)/外為 2.8/2.9 pu;②線路：對地為 1.7 pu，相間為 2.9 pu。

為考驗長期工作可靠性，短時工頻耐受電壓被引入。中國特高壓交流變壓器、GIS設備的短時工頻耐受電壓取值及加壓方式如下：變壓器：1.5 pu ×1 h + 3 pu × 5 min+ 1.5 pu ×1 h;GIS：1.5 pu ×30 min+ 3 pu ×1 min+1.5 pu ×30 min。

特高壓輸電系統(tǒng)的絕緣配合以避雷器的操作、雷電沖擊保護水平為基礎(chǔ)，考慮配合系數(shù)(安全裕度)，采用慣用法加以確定電氣設備的操作、雷電沖擊耐受電壓。根據(jù)計算分析結(jié)果，特高壓交流一般輸電線路雷擊跳閘率不宜低于0.1次/100km⋅a，特高壓交流大跨越線路雷電安全運行年不宜低于50年，特高壓交流變電站(開關(guān)站)雷電侵入波安全運行年不宜低于1500~2000年。

3.2污穢外絕緣選型

通過對多種特高壓 1000kV級交流絕緣子 和±800kV級支流絕緣子在常壓下及不同氣壓下進行了不同污穢、不同氣壓下的污閃試驗發(fā)現(xiàn)，不同類型、不同形狀的絕緣子鹽密和閃絡電壓的關(guān)系曲線，以及海拔高度與閃絡電壓之間的關(guān)系曲線存在較大差異。結(jié)合特高壓線路具體情況，就不同類型絕緣子的耐污閃特性而言，耐污閃能力依次為：復合、三傘、雙傘、玻璃、棒形瓷、普通，后4種相差不大(交流試驗結(jié)果)。

由試驗得到的數(shù)據(jù)已用于我國1000 kV特高壓交流輸電和±800 kV特高壓直流輸電工程中線路、變電站、換流站設備外絕緣的選擇方式，具體包括在不同污穢地區(qū)、不同海拔地區(qū)、不同覆冰地區(qū)的絕緣子種類、傘形、串形、片數(shù)、串長和最小爬電距離的選擇等。需要特別注意的是，在特高壓交、直流輸電系統(tǒng)中，進行全電壓等級的污穢外絕緣問題研究是必須的，國家電網(wǎng)公司特高壓試驗基地待建的污穢及環(huán)境試驗室正為此提供了可靠的技術(shù)研究平臺。

3.3電磁環(huán)境研究

根據(jù)我國±800kV 直流工程的初步研究成果，線路下方的地面合成場強應不大于 30kV/m，離子流密度不大于 100nA/m2。這 2 種電暈效應受導線的對地高度影響較大，因此可不作為制約導線選型的依據(jù)。導線選型主要由其產(chǎn)生的無線電干擾水平和噪聲水平?jīng)Q定。

根據(jù)文獻[1]中的規(guī)定，在距直流架空輸電線路正極性導線對地投影外 20m 處，由電暈產(chǎn)生的可聽噪聲 50%值應不超過 45dB(A);海拔高度大于1000m 時應不超過 50dB(A)。特高壓直流試驗基地內(nèi)的試驗結(jié)果表明，按照線路設計運行條件，采用6×720mm2 導線的±800kV 直流試驗線段即使在相對濕度較大時，可聽噪聲也能滿足設計運行要求，較標準低約 13.3%~17.7%(夜間)，同時其在可聽噪聲方面也低于 58dB(µV/m)的限值，即特高壓工程可研階段確定的 6×720mm2 導線在無線電干擾和噪聲方面是滿足電磁環(huán)境需要的。

需要注意的是，輸電線路的可聽噪聲與導線結(jié)構(gòu)、導線對地高度、濕度、溫度、風速、季節(jié)等因素有關(guān)，新舊導線的可聽噪聲也會不同，要較明確地掌握特高壓架空輸電線路電暈產(chǎn)生的可聽噪聲范圍，需要進行長期的監(jiān)測與統(tǒng)計。

目前特高壓直流試驗基地正在進行多次合成場強和離子流的試驗，以研究合成場強和離子流在不同天氣、濕度、加壓時間、老化程度下的分布特性和變化規(guī)律。

3.4設備的制造、檢驗及運行檢測

目前正在制定的高壓輸電設備的技術(shù)規(guī)范和試驗標準、電氣設備監(jiān)造導則、現(xiàn)場交接試驗方法和標準、現(xiàn)場預防性試驗方法和規(guī)程及現(xiàn)場試驗設備技術(shù)條件等標準和協(xié)議可直接指導設備的設計、生產(chǎn)、驗收和檢測。

伴隨著特高壓交、直流設備的陸續(xù)排產(chǎn)，長期帶電考核以及檢驗與檢修技術(shù)將是特高壓設備在投運前及運行過程中必需進行的工作。而國家電網(wǎng)公司特高壓交流試驗基地和直流試驗基地帶電考核試驗回路的建設，正滿足了帶電考核的各種需要。

4 結(jié)論

為了建好國家特高壓輸電工程，需要開展大量的特高壓試驗研究和特高壓設備考核測試工作，國家電網(wǎng)公司特高壓交流試驗基地和直流試驗基地的建立為我國特高壓交流試驗示范工程和直流示范工程提供了一流的試驗及測試平臺。

目前我國在特高壓輸電工程中的過電壓與絕緣配合、外絕緣特性、電磁環(huán)境以及特高壓設備的長期帶電考核、檢驗與運行檢測技術(shù)研究等方面已取得一定進展，所得的部分試驗和數(shù)據(jù)分析結(jié)果可直接用于我國特高壓交、直流輸電工程建設。

參考文獻

[1] 劉振亞.特高壓電網(wǎng)[M].北京：中國經(jīng)濟出版社，2005.

[2] 劉振亞.特高壓直流輸電技術(shù)研究成果專輯[M].北京：中國電力出版社，2006.

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