俄羅斯特高壓交流輸電的啟示
隨著電力負(fù)荷的不斷快速增長，同時(shí)對(duì)大容量和遠(yuǎn)距離輸電的需求，從上個(gè)世紀(jì)六七十年代開始，俄羅斯(蘇聯(lián))、美國、日本、意大利等國開始了特高壓輸電技術(shù)的研究工作。其中，俄羅斯是國際上最早開展特高壓輸電技術(shù)研究的國家之一，也是世界上較早時(shí)期就有特高壓輸電工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的國家。
一、俄羅斯特高壓輸電發(fā)展歷程
從上個(gè)世紀(jì)60年代開始，蘇聯(lián)為解決特高壓輸電的工程設(shè)計(jì)、設(shè)備制造問題，組織多個(gè)研究、設(shè)計(jì)和制造單位開展了特高壓輸電的基礎(chǔ)研究。
上世紀(jì)70年代是蘇聯(lián)統(tǒng)一電力系統(tǒng)蓬勃發(fā)展和形成的時(shí)期，電力技術(shù)不斷升級(jí)。為滿足西部核電外送需要，開始在西部地區(qū)建設(shè)750千伏輸電線路，同時(shí)也促進(jìn)了國際聯(lián)網(wǎng);為滿足東部大型水、火電源送出，開始建設(shè)1150千伏特高壓交流和±750千伏直流輸電線路。哈薩克、西伯利亞區(qū)域聯(lián)合電力系統(tǒng)先后并入蘇聯(lián)歐洲統(tǒng)一電力系統(tǒng)，1979年蘇聯(lián)統(tǒng)一電力系統(tǒng)與經(jīng)互會(huì)各國聯(lián)合電力系統(tǒng)以750千伏線路并聯(lián)運(yùn)行，使蘇聯(lián)電網(wǎng)與東歐各國形成原東歐同步電網(wǎng)，最大裝機(jī)容量曾達(dá)到4.6億千瓦。
從上世紀(jì)80年代開始，隨著大型能源基地的建設(shè)，蘇聯(lián)著手建設(shè)聯(lián)接西伯利亞、哈薩克斯坦和烏拉爾聯(lián)合電網(wǎng)的 1150千伏輸電工程，計(jì)劃將東部地區(qū)的廉價(jià)電能送往烏拉爾和歐洲部分負(fù)荷中心。已經(jīng)建成的線路長度有2344千米，包括庫斯坦奈、科克契塔夫、埃基巴斯圖茲、巴爾瑙爾等特高壓變電站。從1985年起，哈薩克斯坦境內(nèi)的埃基巴斯圖茲—科克契塔夫—庫斯坦奈段900千米線路，按1150千伏設(shè)計(jì)電壓運(yùn)行。
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(fù)荷運(yùn)行。1992年1月1日，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(yùn)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(shè)備在額定工作電壓下運(yùn)行時(shí)間達(dá)到23787小時(shí)，科克契塔夫—庫斯坦奈線路段及庫斯坦奈變電站設(shè)備在額定工作電壓下運(yùn)行時(shí)間達(dá)到11379小時(shí)。
總體上說，蘇聯(lián)特高壓交流輸電線路整體運(yùn)行情況良好，運(yùn)行期間主設(shè)備沒有發(fā)生大的事故，線路也沒有發(fā)生污閃。特高壓輸電線路后來降壓運(yùn)行的主要原因是蘇聯(lián)于1991年解體后，由于國民經(jīng)濟(jì)條件的惡化，用電及發(fā)電量長期停滯不前，送端電源無法按預(yù)計(jì)目標(biāo)建設(shè)，導(dǎo)致特高壓線路負(fù)載過輕，輸送容量僅為額定容量的20%～30%，因此逐漸降壓運(yùn)行，原計(jì)劃擴(kuò)建的特高壓線段也未能按計(jì)劃建設(shè)。二、電磁環(huán)境
由于俄羅斯是一個(gè)地廣人稀的國家，因此就電磁環(huán)境來說，具有其特殊性。
交流輸電工程的環(huán)境問題主要分為電暈損耗、無線電干擾、可聽噪聲、工頻電場及靜電感應(yīng)、工頻磁場及電磁感應(yīng)等幾方面。它們可能對(duì)人們的生活環(huán)境和生活質(zhì)量，甚至安全與健康產(chǎn)生一定的影響，但是只要采取一定的技術(shù)措施，是可以將影響降低到可以接受的程度的。
1. 電暈損耗和導(dǎo)線選擇
蘇聯(lián)對(duì)1150千伏電壓等級(jí)采用小截面導(dǎo)線作為分裂導(dǎo)線的素導(dǎo)線。為此，利用小截面導(dǎo)線架設(shè)了試驗(yàn)線段進(jìn)行電暈損耗、可聽噪聲和無線電干擾特性的研究。子導(dǎo)線直徑為23.5毫米的8分裂1150千伏試驗(yàn)線段的測(cè)試表明，好天氣時(shí)電暈損失小，惡劣天氣如霧淞天氣電暈損失急劇增加，可達(dá)300～500千瓦/ 千米，但是考慮到蘇聯(lián)中亞、烏拉爾、西伯利亞地區(qū)的氣候條件，對(duì)1150千伏線路通過的地區(qū)，導(dǎo)線表面的電位梯度為28～30千伏/厘米，年平均電暈損失按每小時(shí)20～30千瓦/千米考慮是可行的。
導(dǎo)線的選擇和分裂方式是特高壓輸電線路設(shè)計(jì)中參數(shù)選擇的重要環(huán)節(jié)之一。關(guān)于導(dǎo)線的電流密度，不少國家取得比較低，只有0.5安/平方毫米，按照蘇聯(lián)的考慮，1150千伏輸電線路，年最大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間在5000～7000小時(shí)之間時(shí)，經(jīng)濟(jì)電流密度可取1.1~1.5安/平方毫米。埃基巴斯圖茲—車?yán)镅刨e斯克線路輸送容量570萬千瓦，采用8×AC300/45平方毫米導(dǎo)線，電流密度1安/平方毫米。
2. 無線電干擾
輸電線路電暈和某些部位放電時(shí)，會(huì)輻射電磁波，可能對(duì)無線電和電視信號(hào)產(chǎn)生干擾;輸電線路的無線電干擾與導(dǎo)線參數(shù)有關(guān)，例如導(dǎo)線高度、相間距離、導(dǎo)線截面和子導(dǎo)線分裂數(shù)等。
按照蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)(GOST 22012-82)，距架空輸電線路邊相導(dǎo)線對(duì)地投影外100米的地方，頻率0.5赫茲，一年中80%的時(shí)間無線電干擾場強(qiáng)不超過43分貝(微伏/米)。
3. 可聽噪聲
輸電線路的可聽噪聲是指導(dǎo)線周圍的電暈和火花放電所產(chǎn)生的一種能直接聽到的噪聲。
蘇聯(lián)規(guī)定,距邊相導(dǎo)線對(duì)地投影外100米處可聽噪聲的年當(dāng)量水平小于53分貝。試驗(yàn)測(cè)得雨天的噪聲水平為54分貝，雪天和霧天分別為51.3分貝和52 分貝。按照一年四季不同氣象條件所有天數(shù)的比例，采用統(tǒng)計(jì)公式求得可聽噪聲的年當(dāng)量水平可以達(dá)到所規(guī)定的指標(biāo)。蘇聯(lián)架設(shè)的750千伏、1150千伏線路，運(yùn)行初期往往可聽噪聲指標(biāo)稍高于規(guī)定值，運(yùn)行一段時(shí)間后，由于導(dǎo)線表面“老化”，可聽噪聲水平很快降低到允許的指標(biāo)以內(nèi)。應(yīng)當(dāng)指出，蘇聯(lián)一般多采用小斷面導(dǎo)線，而且導(dǎo)線表面的電位梯度取得較高，尚且可以滿足對(duì)可聽噪聲所規(guī)定的限制，由此可知，特高壓輸電線路引起的可聽噪聲是可以被接受的。
4. 工頻電場和磁場
蘇聯(lián)土地多，人口少，每條線路距離均很長，在330千伏以上電壓等級(jí)線路下設(shè)置防護(hù)區(qū)。防護(hù)區(qū)的寬度按邊緣場強(qiáng)為1千伏/米為界，在保護(hù)區(qū)內(nèi)不允許設(shè)置永久的和臨時(shí)性的可住人的生產(chǎn)性建筑。
蘇聯(lián)在建設(shè)特高壓輸電線路時(shí)，對(duì)線下地面最大電場強(qiáng)度規(guī)定為：跨越公路等地方，取10千伏/米;無人居住，但人類活動(dòng)可以到達(dá)的地區(qū)，取15千伏/米;人員難以到達(dá)的地方，取20千伏/米。蘇聯(lián)是目前世界上少數(shù)幾個(gè)規(guī)定變電所電場限值的國家之一，規(guī)定1200千伏變電所的絕對(duì)安全電場限值為5千伏/米。
目前大多數(shù)國家尚未提出工頻磁場標(biāo)準(zhǔn)要求，只有少數(shù)幾個(gè)國家制定了磁場照射的限值。蘇聯(lián)基于暫態(tài)電擊造成的刺痛感和電磁場對(duì)人體健康可能的效應(yīng)考慮，規(guī)定50赫茲工頻磁場暴露限值為1.8～7.5毫特斯拉，這取決于每個(gè)工作日暴露的持續(xù)時(shí)間(8～1小時(shí))。
工頻電場和磁場對(duì)人體的影響程度取決于電場和磁場強(qiáng)度的大小。包括蘇聯(lián)在內(nèi)的一些國家在研究交流特高壓輸電時(shí)，就工頻電場和磁場對(duì)人和動(dòng)物的影響進(jìn)行了大量研究，世界衛(wèi)生組織也就極低頻電場和磁場(包括工頻場)對(duì)健康的影響進(jìn)行過評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：工頻電場和磁場對(duì)人和動(dòng)物有確定的有害影響的閾值，遠(yuǎn)高于輸電線路下的工頻電場和磁場的限值;特高壓輸電線路工頻電場和磁場取上面提到的限值不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不利影響。
三、過電壓與絕緣配合
蘇聯(lián)特高壓、超高壓送電線路和設(shè)備的絕緣，不是像以前低壓送電線路那樣按內(nèi)過電壓可能值選取，而是變?yōu)閺?qiáng)行限制過電壓到技術(shù)經(jīng)濟(jì)情況最適宜的水平。研究表明，降低允許內(nèi)過電壓10%，則每千米線路的造價(jià)降低3%，變電站造價(jià)降低4%。
在世界上，這個(gè)原則首先是蘇聯(lián)在設(shè)計(jì)和建設(shè)500千伏輸電線路時(shí)采用的，然后推廣到330千伏、750千伏和1150千伏。當(dāng)時(shí)認(rèn)為將內(nèi)過電壓限制到最大工作相電壓的下述倍數(shù)是合理的：330千伏線路為2.7，500千伏線路為2.5，750千伏線路為2.1，1150千伏線路為1.8。
在操作過電壓的限制措施方面，蘇聯(lián)采取了并聯(lián)電抗器、斷路器帶合閘電阻和避雷器幾種措施。
蘇聯(lián)特高壓工頻間隙距離明顯低于日本，主要原因是：蘇聯(lián)只考慮最高運(yùn)行電壓，不考慮單相接地系數(shù)。蘇聯(lián)考慮特高壓線路經(jīng)過地區(qū)的海拔高度為500米以下，日本考慮的為1800米，兩者氣象修正系數(shù)相差較大。
蘇聯(lián)特高壓前期的操作波間隙距離較大。因?yàn)樗倪^電壓倍數(shù)和運(yùn)行電壓均較高。后期采用MOA(開放式結(jié)構(gòu))，過電壓倍數(shù)下降，間隙距離減小，與日本特高壓數(shù)值比較接近。
通過對(duì)系統(tǒng)可能發(fā)生的過電壓進(jìn)行分析，蘇聯(lián)1150千伏輸電線路的基本絕緣水平，按照操作過電壓取最高運(yùn)行相電壓的1.8倍進(jìn)行選擇。從埃基巴斯圖茲— 科克契塔夫長約500千米的一段線路實(shí)際調(diào)試測(cè)得，變電站設(shè)備上的最大過電壓只有1.4～1.5倍，預(yù)計(jì)線路中部產(chǎn)生的過電壓約1.65～1.7倍。通過實(shí)際運(yùn)行，進(jìn)一步改善避雷器和斷路器的性能。
四、線路防雷
蘇聯(lián)1150千伏輸電線路的防雷設(shè)計(jì)從超高壓輸電線路的雷電特性中吸取了許多有益的經(jīng)驗(yàn)。一方面1150千伏線路的反擊耐雷水平很高，可以承受高達(dá)250千安的沖擊電流，所以，當(dāng)雷擊桿塔或避雷線時(shí)，不會(huì)對(duì)線路造成威脅。另一方面，由于特高壓輸電線路桿塔高度很高，導(dǎo)線上的工作電壓幅值大，比較容易由導(dǎo)線上產(chǎn)生向上先導(dǎo)，使得架空地線的屏蔽性能變差。當(dāng)雷繞擊導(dǎo)線時(shí)，20～30千安的雷電沖擊電流就可能造成威脅。
為了研究1150千伏線路的雷電特性以及雷擊跳閘的概率，蘇聯(lián)對(duì)于雷電日、桿塔上雷電流的測(cè)量、雷擊線路的位置等的綜合性研究從1985年就已經(jīng)開始了。研究確定出特高壓線路運(yùn)行期間的雷擊跳閘率平均為0.5/100(千米? 年)，在1989年和1990年，實(shí)測(cè)雷擊跳閘率為0.3/100(千米?年)和0.4/100(千米?年)，主要是發(fā)生在耐張轉(zhuǎn)角塔上的繞擊。
五、線路外絕緣
蘇聯(lián)在哈薩克斯坦—烏拉爾1150千伏架空線路計(jì)劃建設(shè)的第一階段(20世紀(jì)70年代)時(shí)，考慮了線路不同塔型，相間配置，絕緣子串形選擇。考慮到減少工時(shí)和節(jié)省材料，最初建設(shè)的兩段線路(埃基巴斯圖茲—科克契塔夫—庫斯坦奈)采用了邊相懸垂I串中相V串的拉V塔M型布置方式。
1150千伏線路外絕緣配置選擇考慮了以下方面：
(1)外絕緣的選擇以1150千伏線路經(jīng)過地區(qū)的污區(qū)分布圖為依據(jù)，這些污區(qū)圖是以當(dāng)?shù)?10～750千伏架空線路的自然積污狀況和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)制訂的。
(2)一般設(shè)計(jì)參數(shù)爬電比距l(xiāng)p采用了一些修正系數(shù)，設(shè)計(jì)用的修正系數(shù)考慮了絕緣子形狀影響和不同串型的影響。
(3)在確定線路污穢等級(jí)方面開展了大量工作，為確定污穢等級(jí)，采用了污穢源特征參數(shù)，作為電氣設(shè)計(jì)初級(jí)階段的參考信息。
(4)在1150千伏架空線路的絕緣水平時(shí)，引入了統(tǒng)計(jì)方法，可靠性要求為每100千米線路的年污閃次數(shù)不應(yīng)超過0.1。
1150千伏輸電線路大量采用玻璃絕緣子，按線路通過地區(qū)的氣象和污穢條件，選用兩種型號(hào)的玻璃絕緣子。V串采用單聯(lián)40噸絕緣子，I串采用單聯(lián)30噸絕緣子。
蘇聯(lián)按不同污穢分區(qū)規(guī)定的泄漏爬距要求：對(duì)于部分接近咸水湖和工業(yè)污穢地區(qū)的線路，取1.8厘米/千伏;大多數(shù)通過普通塵埃地區(qū)，按一般污穢地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，取1.5厘米/千伏。按最高運(yùn)行線電壓求出絕緣子片數(shù)后，增加2～3片作為安全裕度，串長的加長，不影響大風(fēng)時(shí)導(dǎo)線帶電部分離塔體的最小距離。
為了確保線路運(yùn)行的可靠性，在早期設(shè)計(jì)階段沿規(guī)劃的1150千伏線路建立了試驗(yàn)站，專門研究了該線路絕緣子的污穢狀況、土壤狀況及該區(qū)域35～500千伏線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。
六、無功補(bǔ)償和電壓控制
特高壓電網(wǎng)重要任務(wù)之一是承擔(dān)大區(qū)域電網(wǎng)的功率交換，潮流變化大而頻繁，對(duì)系統(tǒng)無功及電壓控制壓力較大。特高壓輸電線路充電容量大，對(duì)于100千米的特高壓線路而言，在額定電壓為1000千伏及最高電壓為1100千伏的條件下，線路充電功率可達(dá)到400～500兆乏。
從無功平衡和限制過電壓的角度出發(fā)，特高壓線路需要采用高壓電抗器進(jìn)行補(bǔ)償。就補(bǔ)償線路電容效應(yīng)引起的工頻過電壓而言，線路上高抗補(bǔ)償度越大，線路一端斷路器三相跳閘后工頻過電壓也越低。但線路正常輸送重負(fù)荷時(shí)，高抗補(bǔ)償度越大，需系統(tǒng)向線路提供的無功功率也越大，送端系統(tǒng)的暫態(tài)等值電勢(shì)和受端系統(tǒng)等值電壓也越大，斷路器三相跳閘后，工頻過電壓也相對(duì)較大。
在埃基巴斯圖茲—科克契塔夫—庫斯坦奈線路上，每段線路都配置了3組高抗，每組高抗容量為3×300兆乏。
蘇聯(lián)特高壓線路試運(yùn)行期間，線路潮流輕，因此雖然高抗補(bǔ)償度很高，無功補(bǔ)償和電壓控制問題并不突出。但計(jì)算分析工作表明，采用固定電抗器作為無功并聯(lián)補(bǔ)償手段，一方面雖然能夠限制過電壓水平，但在重負(fù)荷方式下會(huì)降低特高壓線路輸送能力;另一方面，重負(fù)荷方式下，為保證正常功率輸送，通道及受端電網(wǎng)需要補(bǔ)償大量低壓電容。
為維持系統(tǒng)電壓合理水平，限制系統(tǒng)過電壓，滿足系統(tǒng)無功分層平衡要求，特高壓電網(wǎng)的無功電壓控制僅依靠固定高抗加低壓電容、電抗的模式不夠靈活方便。由于以上原因，需要研究特高壓電網(wǎng)采用可控高抗或快速分組投切高抗的可行性。
可控高抗作為一種動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，其無功輸出可以在動(dòng)態(tài)過程中快速調(diào)節(jié)，有效抑制電壓波動(dòng)，提高供電質(zhì)量。一方面提高了系統(tǒng)的電壓水平，降低了系統(tǒng)的網(wǎng)損，另一方面也無須為可控高抗配備相應(yīng)的無功補(bǔ)償設(shè)備，可控高抗的調(diào)壓功能還能減少諸如低壓電容器和高抗等設(shè)備的操作，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了電網(wǎng)的安全性及可靠性。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，可控高抗可作出快速響應(yīng)，根據(jù)其母線電壓或線路功率調(diào)節(jié)其無功容量，抑制電壓和功率振蕩。
蘇聯(lián)在建特高壓輸電線路時(shí)，曾研制過單相容量330兆乏可控電抗器，每相容量調(diào)節(jié)范圍90～330兆乏，計(jì)劃替代采用火花間隙投入技術(shù)的固定高抗，但未投入實(shí)際運(yùn)行。
七、結(jié)論
總起來說，蘇聯(lián)在特高壓工程的電磁環(huán)境、過電壓與絕緣配合、空氣間隙、線路防雷、外絕緣等方面開展了大量卓有成效的工作，這些科研成果都可以作為我國特高壓工程建設(shè)參考資料。同時(shí)，蘇聯(lián)特高壓交流工程整體運(yùn)行情況良好，積累了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。
(作者 李啟盛 系 中國電力科學(xué)研究院退休干部，教授級(jí)高工，曾任院副總工程師，1988年度被評(píng)為有突出貢獻(xiàn)的中青年專家，長期從事高電壓技術(shù)研究。本文章發(fā)表于2006年11月。)
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