特高壓知識問答

問：交流特高壓電網(wǎng)電氣設備的絕緣有什么特點，其影響因素是什么?

答：現(xiàn)代電網(wǎng)應具有安全不間斷的基本功能。實踐表明，在全部停電事故中，輸電線路和變電站電氣設備的絕緣閃絡或擊穿是最主要的原因。因此，為了保證電網(wǎng)具有一個可接受的可靠性指標，科學合理地選擇電氣裝置的絕緣水平至關重要。

電氣設備的絕緣在運行中會受到以下幾種電壓的作用：工作電壓、暫時過電壓、操作過電壓、雷電過電壓和陡波過電壓。電氣裝置的絕緣強度一般以在上述各種電壓的作用下的放電電壓來表征。

交流特高壓設備絕緣的主要特點：一是運行電壓高。為了降低設備尺寸和造價，通過采用大容量高性能的避雷器等措施，降低過電壓水平和設備試驗絕緣水平，運行電壓與試驗水平的比值同超高壓相比有顯著增加。二是設備的重要性提高。特高壓線路輸送容量可達500千瓦，單組變壓器容量為300千瓦，要求設備具有更高的可靠性。三是設備尺寸比較大。由于設備尺寸增大，雜散分布電容和局部發(fā)熱等因素對絕緣的長期穩(wěn)定運行形成威脅。

特高壓輸電線路的絕緣可以分為兩類：一類是導線與桿塔或大地之間的空氣間隙，另一類則是絕緣子。由于電壓等級的提高，特高壓輸電工程對絕緣子提出了更高的要求，如高機械強度、防污閃、提高過電壓耐受能力和降低無線電干擾等。

問：什么是內(nèi)部過電壓?交流特高壓電網(wǎng)的內(nèi)部過電壓與超高壓電網(wǎng)相比，有哪些相同點和不同點?

答：內(nèi)部過電壓是由于電力系統(tǒng)故障，或開關操作而引起的電網(wǎng)中能量的轉(zhuǎn)化，從而造成瞬時或持續(xù)高于電網(wǎng)額定允許電壓，并對電氣裝置可能造成威脅的電壓升高。內(nèi)部過電壓分為操作過電壓和暫時過電壓兩大類，其中在故障或操作時瞬間發(fā)生的稱為操作過電壓，其持續(xù)時間一般在幾十毫秒之內(nèi);在暫態(tài)過渡過程結(jié)束以后出現(xiàn)的，持續(xù)時間大于0.1秒甚至數(shù)小時的持續(xù)性過電壓稱為暫時過電壓。暫時過電壓又可以分為工頻過電壓和諧振過電壓。

另外，在GIS變電站中，由于隔離刀閘操作，會產(chǎn)生波頭很陡、頻率很高的操作過電壓，其頻率達數(shù)百千周至幾十兆周，稱之為快速暫態(tài)過電壓(VFTO)。VFTO可能威脅到GIS及其相鄰設備的安全，特別是變壓器匝間絕緣的安全，也可能引發(fā)變壓器內(nèi)部的高頻振蕩。

特高壓電網(wǎng)的過電壓問題與超高壓電網(wǎng)相比有相似之處，但由于特高壓系統(tǒng)線路輸送容量大、距離可能更長，而自身的無功功率很大，每100公里的1000千伏線路無功功率可達530兆乏左右，使得在甩負荷時可能導致嚴重的暫時過電壓;在正常運行負荷變化時將給無功調(diào)節(jié)、電壓控制以及故障時單相重合閘潛供電流熄滅等造成一系列困難。同時高電壓長空氣絕緣的飽和、高海拔和電氣設備制造等方面的因素，給過電壓限制提出更高的要求。

問：交流特高壓電網(wǎng)的雷電過電壓有什么特點?有什么保護措施?

答：交流特高壓電網(wǎng)的雷電過電壓及其防護可以分為線路和變電站兩個方面。線路的雷電過電壓防護包括繞擊和反擊防護，變電站的雷電過電壓防護包括直擊雷和侵入波的防護。

1. 特高壓線路的雷電過電壓防護

由于特高壓輸電線路桿塔高度高，導線上工作電壓幅值很大，比較容易從導線上產(chǎn)生向上先導，相當于導線向上伸出的導電棒，從而引起避雷線屏蔽性能變差。這一點不但可從電氣幾何理論上得到解釋，運行情況也提供了佐證。前蘇聯(lián)的特高壓架空輸電線路運行期間內(nèi)曾多次發(fā)生雷擊跳閘，基本原因是在耐張轉(zhuǎn)角塔處雷電繞擊導線。日本特高壓架空輸電線路在降壓運行期間雷擊跳閘率也很高，據(jù)分析是線路遭到側(cè)面雷擊引起了絕緣子閃絡。

理論分析和運行情況均表明，特高壓輸電線路雷擊跳閘的主要原因是避雷線屏蔽失效，雷電繞擊導線造成的。因此采用良好的避雷線屏蔽設計，是提高特高壓輸電線路耐雷性能的主要措施。同時還應該考慮到特高壓輸電線路導線上工作電壓對避雷線屏蔽的影響。對于山區(qū)，因地形影響(山坡、峽谷)，避雷線的保護可能需要取負保護角。

2. 特高壓變電站的雷電過電壓保護

根據(jù)我國110～500千伏變電站多年來的運行經(jīng)驗，如果特高壓變電站采用敝開式高壓配電裝置，可直接在變電站構(gòu)架上安裝避雷針或避雷線作為直擊雷保護裝置;如果采用半封閉組合電器(HGIS)或全封閉組合電器(GIS)，進出線套管需設直擊雷保護裝置，而GIS本身僅將其外殼接至變電站接地網(wǎng)即可。

與超高壓變電站一樣，特高壓變電站電氣設備也需考慮由架空輸電線路傳入的雷電侵入波過電壓的保護，其根本措施在于在變電站內(nèi)適當?shù)奈恢迷O置避雷器。由于限制線路上操作過電壓的要求，在變電站出線斷路器的線路側(cè)和變壓器回路均需要安裝避雷器。至于變電站母線上是否要安裝避雷器，以及各避雷器距被保護設備的距離，則需通過數(shù)字仿真計算予以確定。

問：交流特高壓電網(wǎng)絕緣配合的特點是什么?與超高壓電網(wǎng)有什么區(qū)別?

答：絕緣配合技術(shù)是考慮運行環(huán)境和過電壓保護裝置特性的基礎上，科學合理地選擇電網(wǎng)中電氣裝置的絕緣水平。在此過程中，權(quán)衡設備造價、維修費用和故障損失，力求用合理的成本獲得較好的經(jīng)濟利益。

交流特高壓電網(wǎng)中，由于空氣間隙的放電電壓在操作過電壓下呈現(xiàn)飽和特性，從而使得電網(wǎng)中電氣設備的絕緣占據(jù)電網(wǎng)設備總投資的份額愈來愈大;同時由于特高壓電網(wǎng)輸送容量巨大，絕緣故障的后果將非常嚴重，因此在特高壓電網(wǎng)中絕緣配合問題更值得關注，在特高壓的絕緣配合研究中需采用更精確的方法。例如對于操作過電壓作用下空氣間隙的選擇，宜采用長操作波頭(1000微秒)的試驗情況替代以往超高壓電網(wǎng)線路絕緣配合時采用標準操作波形(250微秒)。

問：交流特高壓電網(wǎng)有哪些限制內(nèi)部過電壓的措施?

答：交流特高壓輸電系統(tǒng)限制內(nèi)部過電壓的主要措施如下：

1.輸電線路上裝設高壓并聯(lián)電抗器，其中性點通過小電抗接地;

2. 線路的架空地線(避雷線)采用光纖電纜(OPGW)或良導體導線;

3. 變電站母線和輸電線路上裝設吸收能量較大的避雷器;

4. 斷路器采用合分閘電阻;

5. 在GIS變電站中采用有電阻接入的隔離刀閘裝置。

特高壓直流輸電的可靠性指標

問：為什么要對直流輸電系統(tǒng)的可靠性指標進行定期統(tǒng)計和評價?

答：直流輸電系統(tǒng)是一個復雜的自成體系的工程系統(tǒng)，多數(shù)情況下承擔大容量、遠距離輸電和聯(lián)網(wǎng)任務。因此，需要設定一些直流輸電系統(tǒng)可靠性指標，用于衡量直流輸電系統(tǒng)實現(xiàn)其設計要求和功能的可靠程度，評價直流輸電系統(tǒng)運行性能。直流系統(tǒng)可靠性直接反映直流系統(tǒng)的系統(tǒng)設計、設備制造、工程建設以及運行等各個環(huán)節(jié)的水平。通過直流系統(tǒng)可靠性分析，可以提出改善工程可靠性的具體措施，對新建工程提出合理的指標要求。國際大電網(wǎng)會議專門成立一個直流輸電系統(tǒng)可靠性工作組，每兩年對全世界所有直流輸電工程進行一次可靠性的綜合統(tǒng)計和評價。

問：直流輸電系統(tǒng)的可靠性有哪些具體的指標?

答：直流輸電系統(tǒng)的可靠性指標總計超過10項，這里只介紹停運次數(shù)、降額等效停運小時、能量可用率、能量利用率四項主要可靠性指標。

停運次數(shù)：包括由于系統(tǒng)或設備故障引起的強迫停運次數(shù)。對于常用的雙極直流輸電系統(tǒng)，可分為單極停運，以及由于同一原因引起的兩個極同時停運的雙極停運。對于每個極有多個獨立換流器的直流輸電系統(tǒng)，停運次數(shù)還可以統(tǒng)計到換流器停運。不同的停運代表對系統(tǒng)不同水平的擾動。

降額等效停運小時：直流輸電系統(tǒng)由于全部或者部分停運或某些功能受損，使得輸送能力低于額定功率稱為降額運行。降額等效停運小時是：將降額運行持續(xù)時間乘以一個系數(shù)，該系數(shù)為降額運行輸送損失的容量與系統(tǒng)最大連續(xù)可輸送電容量之比。

能量可用率:衡量由于換流站設備和輸電線路(含電纜)強迫和計劃停運造成能量傳輸量限制的程度，數(shù)學上定義為統(tǒng)計時間內(nèi)直流輸電系統(tǒng)各種狀態(tài)下可傳輸容量乘以對應持續(xù)時間的總和與最大允許連續(xù)傳輸容量乘以統(tǒng)計時間的百分比。

能量利用率：指統(tǒng)計時間內(nèi)直流輸電系統(tǒng)所輸送的能量與額定輸送容量乘以統(tǒng)計時間之比。

問：我國直流輸電的實際運行指標處于什么水平?

答：截止到2005年底，我國已經(jīng)建成5回±500千伏高壓直流輸電工程。它們分別是：葛洲壩-南橋直流輸電工程、天生橋-廣東直流輸電工程、三峽-常州直流輸電工程、三峽-廣東直流輸電工程和貴州-廣東I回直流輸電工程，總換流容量達到2400萬千瓦，直流線路總長達到4741公里。我國已建成第一個背靠背直流工程-靈寶背換流站，電壓120千伏，容量36萬千瓦。近3年以來，所有工程的能量可用率都超過80%;特別是三常和三廣工程，能量可用率一直在90%以上。單極跳閘次數(shù)一般在合同中規(guī)定為5次/年或6次/年，每個工程實際發(fā)生的次數(shù)沒有超過合同要求;特別是三常和三廣直流工程，在投產(chǎn)的第一年內(nèi)就達到了合同的要求，這在世界直流輸電歷史上也屬罕見，而且出現(xiàn)的故障都是由于輔助系統(tǒng)問題引起的。隨著直流輸電技術(shù)的日臻完善，直流輸電的可靠性指標可望進一步提高。

問：特高壓直流輸電可靠性指標如何?

答：在我國計劃建設的西南水電外送特高壓直流輸電工程電壓為±800千伏，其主接線方式和我國已有的直流工程不同，每極采用兩個12脈動換流器串聯(lián)。如果出現(xiàn)一個12脈動換流器故障，健全的換流器仍然可以和同一個極對端換流站的任意一個換流器共同運行，因此單極停運的概率將顯著降低，考慮到第一個特高壓直流工程缺乏經(jīng)驗，可行性研究報告中初步提出了與三峽-上海直流工程相同的可靠性指標。技術(shù)成熟后，預計停運次數(shù)可以降低到2次/(每極·年)以下。雙極停運的概率也將大幅下降，可以控制在0.05次/年。另外由于系統(tǒng)研究水平、設備制造技術(shù)、建設和運行水平的提高，由于直流工程數(shù)量的增加和相關經(jīng)驗的積累，換流器平均故障率預計可以控制在2次/(每換流器·年)。總體來說，特高壓直流工程將會比常規(guī)直流更加可靠。

問：如何提高特高壓直流的可靠性?

答：所有提高常規(guī)直流輸電可靠性的措施對于提高特高壓直流輸電的可靠性依然有效，并且要進一步予以加強。主要包括：降低元部件故障率;采取合理的結(jié)構(gòu)設計，如模塊化、開放式等;廣泛采用冗余的概念，如控制保護系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)的并行冗余和晶閘管的串行冗余等;加強設備狀態(tài)監(jiān)視和設備自檢功能等。

針對常規(guī)直流工程中存在的問題，如曾經(jīng)導致直流系統(tǒng)極或者雙極停運的站用電系統(tǒng)、換流變本體保護繼電器、直流保護系統(tǒng)單元件故障等薄弱環(huán)節(jié)，在特高壓直流輸電系統(tǒng)的設計和建設中將采取措施進行改進。此外，還將加強運行維護人員的培訓，適當增加易損件的備用。

提高特高壓直流輸電工程可靠性，還可以在設計原則上確保每一個極之間以及每極的各個換流器之間最大程度相互獨立，避免相互之間的故障傳遞。其獨立性除了主回路之外，還需要考慮：閥廳布置、供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、電纜溝、控制保護系統(tǒng)等

交流特高壓輸電線路相關配置及施工環(huán)境要求

問：世界上已經(jīng)建成投運的交流特高壓線路有哪些?

答：美國、前蘇聯(lián)、日本和意大利都曾建成交流特高壓試驗線路，進行了大量的交流特高壓輸電技術(shù)研究和試驗，最終只有前蘇聯(lián)和日本建設了交流特高壓線路。

1. 前蘇聯(lián)：在前期研究的基礎上，從1981年開始動工建設1150千伏交流特高壓線路，分別是?；退箞D茲-科克契塔夫494公里，科克契塔夫-庫斯坦奈396公里。1985年8月，世界上第一條1150千伏線路埃基巴斯圖茲-科克契塔夫在額定工作電壓下帶負荷運行，后延伸至庫斯坦奈。1992年1月1日，通過改接，哈薩克斯坦中央調(diào)度部門把1150千伏線路段電壓降至500千伏運行。在此期間，埃基巴斯圖茲-科克契塔夫線路段及兩端變電設備在額定工作電壓下運行時間達到23787小時，科克契塔夫-庫斯坦奈線路段及庫斯坦奈變電站設備在額定工作電壓下運行時間達到11379小時。從1981年到1989年，前蘇聯(lián)還陸續(xù)建成特高壓線路1500公里，總體規(guī)模達到2400公里。目前全部降壓至500千伏運行。

2. 日本：1988年秋動工建設1000千伏特高壓線路。1992年4月28日建成從西群馬開關站到東山梨變電站的西群馬干線138公里線路，1993年10月建成從柏崎刈羽核電站到西群馬開關站的南新瀉干線中49公里的特高壓線路部分，兩段特高壓線路全長187公里，目前均以500千伏電壓降壓運行。1999年完成東西走廊從南磐城開關站到東群馬開關站的南磐城干線194公里和從東群馬開關站到西群馬開關站的東群馬干線44公里的建設，兩段特高壓線路全長238公里。目前日本共建成特高壓線路426公里，由于國土狹小，日本特高壓線路全部采用雙回同桿并架方式。

問：交流特高壓試驗示范工程輸電線路的走廊寬度是多少?

答：線路走廊內(nèi)的房屋建筑的拆除范圍原則是當處于距邊導線7米及以內(nèi)時一律拆遷;7米以外則按該建筑物地面高1米處未畸變場強4千伏/米作控制條件，超過這一標準的予以拆遷。

線路通過林區(qū)時，采用高塔跨越。晉東南-南陽-荊門線路工程推薦方案經(jīng)過林區(qū)長度約15公里。從保護生態(tài)的角度，線路經(jīng)過林區(qū)時，采用高塔跨樹的方案，原則上不砍伐過林通道，僅在塔位附近考慮桿塔組立的場地，需少量砍伐。線路跨越樹木，在樹木頂部按20千伏/米場強控制。

問：交流特高壓試驗示范工程輸電線路導線對地及交叉跨越距離是多少?

答：1. 最小對地距離

對于一般非居民地區(qū)(如跨越農(nóng)田)，線下場強限值取10千伏/米，導線最小對地距離取22米(中相V串)。

對于居民區(qū)，線下場強限值取7千伏/米，導線最小對地距離取27米(中相V串)。

對于人煙稀少的非農(nóng)業(yè)耕作地區(qū)，線下場強限值放寬至12千伏/米，導線最小對地距離取19米。

對上述結(jié)果，按輸送自然功率(電流2.59千安)對工頻磁場進行核算，計算的地面最大磁感應強度均小于35微特斯拉，滿足不大于100微特斯拉的要求。

交通困難地區(qū)是指車輛不能達到的地區(qū)，該類地區(qū)的最小對地距離一般按人、畜及攜帶物總高加上操作過電壓間隙和裕度。

我國現(xiàn)行的線路設計技術(shù)規(guī)程中，500千伏和750千伏線路，對人、畜及攜帶物總高按3.5米考慮、裕度按2.0米考慮。1000千伏輸電線路操作過電壓間隙取6.5米，線下地面最大電場強度按18千伏/米左右控制，對地距離取15米。

步行可達到的山坡時，考慮人在放牧時揮鞭對導線的接近，導線的凈空距離是操作過電壓間隙6.5米，加人、畜及攜帶物總高3.5米，再留有2米的裕度，導線風偏后的凈空距離取12米。

對于步行不可達到的山坡、峭壁、巖石的凈空距離，考慮操作過電壓間隙和人、畜及攜帶物總高，即操作過電壓間隙6.5米，加人、畜及攜帶物總高3.5米，導線風偏后的凈空距離取10米。

2. 交叉跨越距離

試驗示范工程南陽-荊門段線路海拔在1000米以下，考慮過電壓倍數(shù)為1.7，此時主要交叉跨越距離的取值如表所示。

問：什么是特高壓架空輸電線路的金具?在選擇金具時需要注意些什么?

答：電力金具是指連接和組合電力系統(tǒng)中各類裝置，以傳遞機械、電氣負荷及起到某種防護作用的金屬附件。他們把導線連接起來組成通電回路，通過絕緣子將導線懸掛于桿塔上，并保護導線和絕緣子免受高電壓的傷害，同時使電暈和無線電干擾控制在合理的水平，保護人類的生活環(huán)境。由于電壓等級的提高，特高壓輸電線路金具除了具有超高壓金具的基本條件外，還要滿足在保護絕緣子、屏蔽電暈和無線電干擾方面的更高要求。在選擇特高壓金具時，首先應注意機械及電氣兩方面的安全可靠性，其次要注意選用高強度材料金具，以縮小結(jié)構(gòu)尺寸。

問：對特高壓架空輸電線路導線選擇有什么要求?

答：導線的選擇是特高壓輸電技術(shù)的重要課題，它不僅要滿足線路輸送電能的要求，同時要保障線路能夠安全可靠地運行和滿足環(huán)境保護的要求，而且還要經(jīng)濟合適。因此，導線選擇需要考慮線路的輸送容量、傳輸性能、環(huán)境影響(電暈、無線電干擾、噪聲等)等多種因素，通過導線電氣特性、機械特性和投資三個方面分析，對各種導線截面和分裂型式進行了詳細的技術(shù)經(jīng)濟比較，推薦出在技術(shù)和經(jīng)濟上最優(yōu)的導線截面和分裂型式。原則上，在導線選型時，應綜合考慮以下因素：(1)導線的允許溫升;(2)對環(huán)境的影響，包括無線電干擾、電暈噪聲等;(3)輸送容量和經(jīng)濟電流密度;(4)電暈臨界電壓;(5)機械強度。經(jīng)研究，晉東南-南陽-荊門試驗示范工程每相導線選擇八分裂，正八角形布置，單根導線截面為500平方毫米。對于導線環(huán)境安裝要求特別嚴的局部地區(qū)，將通過研究，選用擴徑導線，增加虛擬自導線，中相或三相采用低噪聲導線等措施。

問：特高壓線路防雷有什么特殊要求?

答：線路雷害分為反擊和繞擊兩種情況。特高壓線路由于本身絕緣水平高，反擊網(wǎng)絡的概率很小。但特高壓線路高度大，相導線電壓高，具有一定的迎雷特性。理論計算和運行實踐均表明，雷云繞過避雷線，直擊導線的概率顯著增加。為此，必須將地線外移，降低保護角至5度以下。在山區(qū)地面傾角顯著的區(qū)段，應進一步降低保護角至0度甚至負保護角，中間的漏空部分可采用第三根地線保護。

問：特高壓線路的絕緣配置如何?

答：線路的絕緣配置主要指兩個方面，第一為絕緣子的配置，第二為考慮風偏后絕緣子懸掛處的帶電金屬部件對塔身的距離。目前國內(nèi)多按爬距法選擇絕緣子片數(shù)，對于特高壓線路，一般超過50片，絕緣子串長度在10米以上。對于重污穢地區(qū)，絕緣子串長超過15米甚至更長，嚴重影響線路的經(jīng)濟性。由于國內(nèi)合成絕緣子技術(shù)的提高和使用經(jīng)驗的積累，在交流特高壓線路上使用合成絕緣子的比例將顯著提高。空氣間隙耐受操作電壓幅值與間隙長度的關系是一條飽和曲線。在間隙長度為6米、耐壓為1600千伏左右開始進入明顯飽和區(qū)。具體耐壓水平與間隙形狀和氣壓水平關聯(lián)。對于試驗示范工程來說，中相V串的間隙均為6.5米。

問：交流特高壓線路桿塔有什么特點?

答：一是高度大。由于線路最低對地距離高達26米，絕緣子串長度一般超過10米，考慮一定的弧垂，水平排列的特高壓線路桿塔的呼稱高一般超過50米，三角排列的特高壓線路桿塔呼稱高超過60米，同桿并架線路桿塔一般超過80米。

二是強度大。塔的強度主要受使用應力和塔高決定。由于采用八分裂導線，導線高度又比較高，塔的使用應力超過500千伏桿塔兩倍，高度約為兩倍，因此特高壓交流線路桿塔主材和基礎的強度為常規(guī)500千伏線路桿塔的四倍以上。將研究使用管材、高強鋼、高強螺栓等技術(shù)措施。

三是根開大。為了優(yōu)化設計，節(jié)省塔材，將適當放大桿塔根開，一般桿塔根開約為15×15米水平。