1、第四章第四章 特高压交直流输电特高压交直流输电与特高压电气设备与特高压电气设备 电力工业起源于19世纪后期，世界上第一台火力发电机组是1875年建于巴黎北火车站的直流发电机，用于照明供电。1879年，美国旧金山实验电厂开始发电，这是世界上最早出售电力的电厂。而我国电力工业的发展几乎和国际同步，我国也在1882年建成第一座发电厂。目前我们国家的电力技术无论是电压等级、机组容量还是设备制造方面相对发达国家来说基本持平，甚至在某些技术领域，如特高压与智能电网，还走在世界前列。引言引言引言引言 2019年底我国装机容量达7.9亿千瓦，全年发电量达34268亿kWh，仅次于美国居世界第二位，成为世界电力
2、生产和消费大国，但是人均装机容量和人均用电量较世界平均水平都低。电力系统是一个知识密集型行业，科学技术在电力行业中的重要性就显得尤为突出。目前电力系统正朝着大电网、特高压、大机组、高自动化方向发展。国家电网公司制定了“一特四大”能源战略，即特高压电网、大煤电、大水电、大核电、大可再生能源基地。2009年5月21日，国家电网公司在“2009特高压输电技术国际会议”上提出了“建设坚强的智能电网”战略举措。（一）开展特高压电网建设的紧迫性（一）开展特高压电网建设的紧迫性 我国能源资源赋存和电力负荷分布极不均衡的状况，西电东送，南北互供，全国联网势在必行。采用特高压输电有利于实现电力资源在较大范围优化
3、配置，有利于节省线路走廊和节约土地资源，有利于节省电网建设投资和运行费用，有利于减少煤电对环境污染的影响。特高压交直流输电特高压交直流输电 由于近年来我国电源超常发展，电网建设严重滞后，输电能力不足，电网与电源发展不协调的矛盾十分突出。现有现有500千伏跨区同步互联电网联系薄弱，输电能力千伏跨区同步互联电网联系薄弱，输电能力严重不足，大电网的优越性难以发挥。严重不足，大电网的优越性难以发挥。区域电网之间水火互济和跨流域补偿能力明显不足。区域电网之间水火互济和跨流域补偿能力明显不足。现有电网难以满足远距离、大容量输电的需要。现有电网难以满足远距离、大容量输电的需要。6（二）特高压输电的定义（二）
4、特高压输电的定义 交流输电电压一般分高压、超高压和特高压。国际上，交流输电电压一般分高压、超高压和特高压。国际上，高压（高压（HV）通常指）通常指35220千伏电压。超高压（千伏电压。超高压（EHV）通）通常指常指330千伏及以上、千伏及以上、1000千伏以下的电压。特高压（千伏以下的电压。特高压（UHV）定义为定义为1000千伏及以上电压。高压直流（千伏及以上电压。高压直流（HVDC）通常指）通常指的是的是600千伏及以下的直流输电电压，千伏及以下的直流输电电压，600千伏以上的千伏以上的电压称为特高压直流（电压称为特高压直流（UHVDC）。）。就我国而言，交流高压电网指的是就我国而言，交流
5、高压电网指的是110千伏和千伏和220千伏电千伏电网；超高压电网指的是网；超高压电网指的是330千伏、千伏、500千伏和千伏和750千伏电网。千伏电网。特高压电网指的是特高压电网指的是1000千伏电网；高压直流指千伏电网；高压直流指500千伏及千伏及以下直流系统，特高压直流指以下直流系统，特高压直流指800千伏直流系统。千伏直流系统。特高压交直流输电特高压交直流输电相邻两个电压等级的级差如何确定？相邻两个电压等级的级差如何确定？一般认为，超高压电网更高一级电压标称值应高于现有电网最高一般认为，超高压电网更高一级电压标称值应高于现有电网最高电压电压1倍及以上。这样，输电容量可提高倍及以上。这样，
6、输电容量可提高4倍以上，不但能与现倍以上，不但能与现有电网电压配合，而且为今后新的更高电压的发展，留有合理有电网电压配合，而且为今后新的更高电压的发展，留有合理的配合空间，做到简化网络结构，减少重复容量，便于潮流控的配合空间，做到简化网络结构，减少重复容量，便于潮流控制，减少线路损耗，有利于安全稳定运行。制，减少线路损耗，有利于安全稳定运行。能否采用能否采用750kV作为作为500kV电网的更高一级电压等级？电网的更高一级电压等级？（三）特高压输电的特点（三）特高压输电的特点1 1输送容量大输送容量大 一回一回10001000千伏特高压输电线路的送电能力接近千伏特高压输电线路的送电能力接近50
7、0500万万千瓦，约为千瓦，约为500500千伏输电线路（千伏输电线路（88.588.5）的五倍左右。）的五倍左右。800800千伏直流特高压千伏直流特高压(4kA)(4kA)输电能力可达到输电能力可达到640640万千万千瓦，是瓦，是500500千伏高压直流千伏高压直流(3kA)的的2.12.1倍，是倍，是620620千伏千伏高压直流的高压直流的1.71.7倍。倍。特高压交直流输电特高压交直流输电（三）特高压输电的特点（三）特高压输电的特点 2 2送电距离长送电距离长 在输送相同功率的情况下，在输送相同功率的情况下，10001000千伏特高压输千伏特高压输电线路的最远送电距离约为电线路的最远
8、送电距离约为500500千伏线路的四倍。千伏线路的四倍。采用采用800800千伏直流输电技术使得超远距离的送电千伏直流输电技术使得超远距离的送电成为可能，经济输电距离可以达到成为可能，经济输电距离可以达到25002500公里及以上。公里及以上。特高压交直流输电特高压交直流输电（三）特高压输电的特点（三）特高压输电的特点3 3线路损耗低线路损耗低 在导线总截面、输送容量均相同的情况下，在导线总截面、输送容量均相同的情况下，10001000千伏交流千伏交流线路的电阻损耗是线路的电阻损耗是500500千伏交流线路的四分之一。千伏交流线路的四分之一。特高压交直流输电特高压交直流输电800千伏直流线路的
9、千伏直流线路的电阻损耗是电阻损耗是500千伏千伏直流线路的直流线路的39，是，是620千伏直流线路的千伏直流线路的60。（三）特高压输电的特点（三）特高压输电的特点4 4节约土地资源节约土地资源特高压交流：同塔双回和猫头塔单回线路的走廊宽度分别为特高压交流：同塔双回和猫头塔单回线路的走廊宽度分别为75米和米和81米，单位走廊输送能力分别为米，单位走廊输送能力分别为13.3万千瓦万千瓦/米和米和6.2万千瓦万千瓦/米，约为同类型米，约为同类型500千伏线路的三倍。千伏线路的三倍。特高压交直流输电特高压交直流输电特高压直流：特高压直流：800千伏、千伏、640万千万千瓦直流输电方案的线路走廊约瓦直
10、流输电方案的线路走廊约76米，米，单位走廊宽度输送容量为单位走廊宽度输送容量为8.4万千瓦万千瓦/米，是米，是500千伏、千伏、300万千瓦方案万千瓦方案的的1.29倍，倍，620千伏、千伏、380万千瓦万千瓦方案的方案的1.37倍。倍。（三）特高压输电的特点（三）特高压输电的特点5 5工程投资省工程投资省 采用特高压输电技术，可以节省大量导线和铁塔材采用特高压输电技术，可以节省大量导线和铁塔材料，从而降低建设成本。根据有关设计部门的计算，料，从而降低建设成本。根据有关设计部门的计算，1000千伏交流输电方案的单位输送容量综合造价约为千伏交流输电方案的单位输送容量综合造价约为500千伏输电方案
11、的千伏输电方案的73，节省工程投资效益显著。另，节省工程投资效益显著。另外，采用特高压输电可减少线路回数及设备数量，有外，采用特高压输电可减少线路回数及设备数量，有利于提高供电可靠性，降低运行费用。利于提高供电可靠性，降低运行费用。特高压交直流输电特高压交直流输电（三）特高压输电的特点（三）特高压输电的特点6 6联网能力强联网能力强 通过交流特高压同步联网，大幅度缩短电网间的电气距离，加通过交流特高压同步联网，大幅度缩短电网间的电气距离，加强电气联系，提高稳定水平，充分发挥大电网互联的水火互济、强电气联系，提高稳定水平，充分发挥大电网互联的水火互济、错峰、跨流域互补、减少系统装机备用容量等各种
12、联网效益。错峰、跨流域互补、减少系统装机备用容量等各种联网效益。利用特高压联网，增强网间功率交换能力，可以在更大范围内利用特高压联网，增强网间功率交换能力，可以在更大范围内优化能源资源配置方式，有利于改善电网结构，分层分区布局，优化能源资源配置方式，有利于改善电网结构，分层分区布局，从根本上解决短路电流超标等问题。从根本上解决短路电流超标等问题。特高压交直流输电特高压交直流输电（三）特高压输电的特点（三）特高压输电的特点 特高压电网具备长距离、大容量和低损耗的送电能特高压电网具备长距离、大容量和低损耗的送电能力，代表着当今输电技术的最高水平，是符合我国国力，代表着当今输电技术的最高水平，是符合
13、我国国情的输电方式和未来电网的发展方向。情的输电方式和未来电网的发展方向。特高压交直流输电特高压交直流输电输电线路的II形等值电路 分裂导线的直径从0.8 m到1.2m，同时保持子导线数和相间距离不变，输电线输电能力增加10%左右；子导线数从6增加到12，同时保持分裂导线直径和相间距离不变，输电能力可增加5%左右;相间距离从25m减少到15m，其他保持不变，输电能力可增加12%以上。总体来看，调整分裂导线3个参数在合理的范围，输电能力可增加大约25%。电力系统功角稳定性分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定电力系统功角稳定性分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定 静态稳定指的是电力系统受到小的干扰后，不发
14、生非同期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。暂态稳定指的是电力系统受到大的干扰后，各发电机保持同步运行并过渡到新的平衡状态或恢复到原来稳定运行状态的能力，通常指第一或第二振荡周期不失步。动态稳定指的是电力系统受到小的或大的干扰后，不发生振幅不断增大的振荡而失步。电压稳定性是电力系统在给定的运行条件下，遭受扰动后，系统中所有母线电压能继续保持在可接受的水平的能力。电压不稳定的主要原因是电力系统在扰动过程，增加负荷或改变运行条件时不能满足无功功率的需要。核心问题是输电电网在传输有功功率和无功功率时，在线路电抗上要产生电压降落。扰动可分为：（1）大干扰电压稳定是指系统大扰动，如系统故障、发电机跳
15、闸或输电线路断开等事故后系统对电压的控制能力。这种能力是由系统负荷特性、连续与离散控制和保护的相互作用决定的。（2）小干扰电压稳定是指系统的负荷逐渐增长变化时系统控制电压的能力。这种形式的电压稳定性是由负荷特性、连续作用的控制及给定瞬间的离散控制作用决定的。双回特高压输电线路将发电中心或送端系统的电力输送到远方的负荷中心。稳定性要求：（1）当一回输电线路发生可能出现的严重故障，主要是靠近输电线路送端发生三相短路时，继电保护和断路器正常动作，跳开故障线路，切除故障，电力系统应能保持暂态稳定。（2）故障线路跳开、切除故障后，剩下的一回线路能保持原双回线路的输送功率在静态稳定极限范围内，有一定静态稳
16、定裕度，短时内保持电力系统稳定运行，保证电力系统运行人员在故障后重新调整电力系统潮流，使电力系统各输电线路有接近正常运行的静态稳定裕度。（3）故障线路跳开、切除故障后，剩下的一回线路保持原双回线路的输送功率在小干扰电压稳定极限范围内，并留有一定的稳定裕度。（4）在电力系统大方式运行条件下，特高压输电受端系统内发生单台大机组突然跳闸，根据故障后的潮流分布，特高压输电线路对于可能增加的功率输送，应留有短时的静态稳定裕度和电压稳定所需的短时有功和无功输送裕度确保受端电压在稳定裕度范围内。稳定限制要求：（1）静态稳定裕度应达到30%35%，包括送、受端系统等值阻抗在内的等效的两端电势的功角相应地为44
17、40。（2）特高压输电线路两端电压降落应保持在5%左右。特高压输电的经济性特高压输电的经济性 两种比较方法：一种是按相同的可靠性指标，比较它们的一次投资成本；一种是比较它们的寿命周期成本。一回1100kV特高压输电线路的输电能力可达到500kV常规输电线路输电能力的4倍以上。在输送相同功率情况下，1100kV线路功率损耗约为500kV线路的1/16左右。可靠性 主要设备成本 输电成本 4.3 特高压电网的过电压及其防护特高压电网的过电压及其防护 特高压变电站高压配电装置的直击雷保护（1）特高压变电站采用敝开式高压配电装置(AIS)、敞开式电气设备时，可直接在特高压变电站构架上安装避雷针或避雷线
18、作为直击雷保护装置。（2）特高压变电站采用半封闭组合电器(HGIS)或全封闭组合电器(GIS),则其GIS部分的引入、引出套管尚需有直击雷保护装置保护。而GIS本身仅将其外壳接至变电站接地网即可。特高压变电站电气设备的雷电侵入波过电压保护 在变电站内适当位置安装金属氧化物避雷器(MOA)。由于限制线路上操作过电压的要求，在变电站线路断路器的线路侧必然安装有MOA，变压器回路也要求安装MOA。特高压内部过电压限值暂定值(1)工频过电压:限制在1.3p.u.以下，在个别情况下线路侧可短时(持续时间不大于0.3s)允许在1.4p.u.以下。(2)相对地统计操作过电压(出现概率为2%的操作过电压)：对
19、于变电站、开关站设备应限制在1.6p.u.以下。对于长线路的线路杆塔部分限制在1.7p.u.以下。(3)相间统计操作过电压：对于变电站、开关站设备应限制在2.6p.u.以下。对于长线路的线路杆塔部分限制在2.8p.u.以下。其中:1.0p.u.=1100kV(峰值)。特高压线路自身的容性无功大、输送的功率大，加之我国单段特高压线路比较长 影响工频过电压主要有下列几个因素：（1）空载长线路的电容效应及系统阻抗的影响。（2）线路甩负荷效应。（3）线路单相接地故障的影响。（4）甩负荷后发电机转速的增加及自动电压调节器(AVR)和调速器的影响。限制工频过电压可考虑采取以下措施（1）使用高压并联电抗器补
20、偿特高压线路充电电容（2）考虑使用可调节或可控高抗（3）使用良导体地线(或光纤复合架空地线OPGW)（4）使用线路两端联动跳闸或过电压继电保护（5）使用金属氧化物避雷器限制短时高幅值工频过电压（6）选择合理的系统结构和运行方式以降低工频过电压 特高压系统主要考虑三种类型操作过电压：合闸(包括单相重合闸)、分闸和接地短路过电压。接地短路在正常相产生的过电压，主要靠线路两端MOA限制。1000kV输电线路合闸和分闸过电压，以期将其限制到1.61.7p.u.水平之下。限制合闸和分闸过电压主要措施：（1）金属氧化物避雷器(MOA)（2）断路器合闸电阻限制合闸过电压。（3）考虑使用控制断路器合闸相角方法
21、降低合闸过电压。（4）考虑使用断路器分闸电阻限制甩负荷分闸过电压的可行性。（5）选择适当的运行方式以降低操作过电压。特高压电网绝缘的分类（1）特高压架空输电线路绝缘的分类 空气：导线对杆塔之间的空气间隙，导线之间的空气间隙，档距中间导线对地的空气间隙，档距中间导线对地面上运输工具或传动机械间的空气间隙。绝缘子：高机械强度、防污闪、提高过电压耐受能力和降低无线电干扰等。（2）特高压变电站绝缘的分类 敝开式高压配电装置(AIS)：空气，绝缘子 半封闭组合电器(HGIS)或全封闭组合电器(GIS)：六氟化硫(SF6)气体，内部合成绝缘子，引入引出套管 确定合理的绝缘配合原则，即用合理的成本获得适当的可靠性水平，是确定电气设备绝缘水平至为重要的前提。
