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特高壓輸變電技術中若干基礎理論問題淺見內容提要引言特高壓輸電工程商業(yè)運行中可能出現(xiàn)的安全風險防御自然災害導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法防御輸變電設備自身故障導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法超特高壓交直流混聯(lián)電網的安全運行理論及控制方法降低環(huán)境影響風險一、引言特高壓輸變電技術是可行的,沒有不可逾越的困難。交流特高壓輸電技術1968年由前蘇聯(lián)開始研究,隨后美國、加拿大、瑞典、意大利、日本等國也從上世紀70年代初起相繼開展了系統(tǒng)特性、線路機械特性、線路和變電站的絕緣、變壓器和SF6開關等設備的相當系統(tǒng)研究。前蘇聯(lián)從1981年至1988年建成1150kV線路895km(含1個升壓站、2個降壓站),并在百萬伏級全電壓下投入運行,直到1991年初停運后又降壓至500kV運行。特高壓交流輸電在技術上是可行的,沒有不可克服的技術困難,并有一定的商業(yè)化運行經驗可借鑒。一、引言特高壓輸變電技術是可行的,沒有不可逾越的困難。直流特高壓輸電技術直流特高壓輸電技術專指±750kV或800kV直流輸電技術,目前國外只有巴西的伊泰普水站送出工程的最高運行電壓為±600kV。從上世紀70年代起,瑞典、美國、加拿大、前蘇聯(lián)、巴西等國曾對±600kV以上特高壓直流輸電的外絕緣環(huán)境影響和換流設備等進行過比較系統(tǒng)的研究,前蘇聯(lián)從1980年起開工建成了±750kV線路1090km,設備也通過了型式試驗,后因各種原因停建。

2005年2月在印度召開的“±800kV直流輸電國際研討會”反映的重要技術觀點為:±800kV特高壓直流輸電在技術上并無不可解決的難題,但無商業(yè)運行經驗可借鑒。一、引言特高壓輸變電應用基礎理論的研究滯后于應用技術的試驗研究。上世紀60年代以來的試驗研究重點特高壓輸電是否有不可克服的技術困難——空氣間隙和絕緣子放電特性,導線電暈特性等。特高壓輸電是否有不可逾越的障礙——操作電壓作用下空氣間隙放電特性及飽和現(xiàn)象等。一、引言特高壓輸變電應用基礎理論的研究滯后于應用技術的試驗研究。缺乏理論支持的試驗結果存在技術風險以試驗研究為基礎的一個新的電壓等級的輸電技術,從試驗研究到商業(yè)運行,一般需要20年左右,其間將會不斷發(fā)現(xiàn)并需要不斷完善設計和制造中的缺陷。以試驗研究為基礎的特高壓輸電工程可能遇到實際設備和線路的可靠性達不到預計的高可靠性,特別是變壓器、斷路器、架空線路等主要裝備的故障是輸電系統(tǒng)故障的重要起因。主要依靠試驗研究結果建設的特高壓工程,要降低商業(yè)運行中的技術風險,必須重視和提速在設計、制造、運行中的基礎理論研究。二、特高壓輸電工程商業(yè)運行中可能出現(xiàn)的安全風險從2001-2005年全國電網重大事故預測可能遇到的運行安全問題圖12001~2005年電網故障起因分類比較從2001-2005年全國電網重大事故預測可能遇到的運行安全問題全國電網總的重大事故分別為53、36、55、54、69起,呈居高不下的趨勢。自然災害和裝備故障兩者引起的重大事故占當年總的重大事故的百分數(shù)為68%、75%、67%、80%、70%。自然災害(大氣污染、覆冰、雷害等)造成的事故具有隨機性,很難自動恢復供電,停電時間長,常常難以人為預料。設備自身故障是涉及制造水平、狀態(tài)維修策略等的系統(tǒng)工程。二、特高壓輸電工程商業(yè)運行中可能出現(xiàn)的安全風險特高壓輸電系統(tǒng)給互聯(lián)電網運行安全可能帶來的問題特高壓線路輸送功率巨大(一回100萬伏級的輸送功率為500kV級的4-5倍),線路故障對系統(tǒng)沖擊大,面臨與超高壓系統(tǒng)的協(xié)調控制問題。特高壓輸電系統(tǒng)容量對受端電壓穩(wěn)定性的影響和可靠性評估等諸多運行理論及其事故的多重防御系統(tǒng)也至關重要。二、特高壓輸電工程商業(yè)運行中可能出現(xiàn)的安全風險空氣污染、酸雨、覆冰、雷電等自然災害仍將是導致特高壓輸電系統(tǒng)商業(yè)運行中重大事故的起因之一。SO2和煙排放量仍呈上身趨勢,城市空氣污染仍然嚴重,污閃事故仍是特高壓線路商業(yè)運行中要解決的問題之一。三、防御自然災害導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法圖2我國城市2005年空氣質量狀況

三、防御自然災害導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法空氣污染、酸雨、覆冰、雷電等自然災害仍將是導致特高壓輸電系統(tǒng)商業(yè)運行中重大事故的起因之一。SO2和煙排放量仍呈上身趨勢,城市空氣污染仍然嚴重,污閃事故仍是特高壓線路商業(yè)運行中要解決的問題之一。空氣污染、酸雨、覆冰、雷電等自然災害仍將是導致特高壓輸電系統(tǒng)商業(yè)運行中重大事故的起因之一。酸雨已覆蓋國土1/3,酸雨的PH值和頻率仍在增大,將加大特高壓輸電線路污閃和冰閃事故的頻率。圖3不同降水酸度城市比例三、防御自然災害導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法圖4不同酸雨頻率城市比例空氣污染、酸雨、覆冰、雷電等自然災害仍將是導致特高壓輸電系統(tǒng)商業(yè)運行中重大事故的起因之一。酸雨已覆蓋國土1/3,酸雨的PH值和頻率仍在增大,將加大特高壓輸電線路污閃和冰閃事故的頻率。三、防御自然災害導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法圖5酸雨的電導率及絕緣子濕閃電壓與酸雨PH值的關系

1——清潔絕緣子的閃絡電壓與硫酸雨PH值關系

2——清潔絕緣子的閃絡電壓與硝酸雨PH值關系

3——硫酸溶液電導率與其PH值的關系(其縱坐標為右邊的刻度)

三、防御自然災害導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法空氣污染、酸雨、覆冰、雷電等自然災害仍將是導致特高壓輸電系統(tǒng)商業(yè)運行中重大事故的起因之一。繼2005春節(jié)前后華中等全國多個電網發(fā)生大面積冰害事故后,今年3月東北地區(qū)出現(xiàn)的強降雪和大風天氣,致使4條500kV線路停電,使大連電網成為供島供電。近幾年來發(fā)現(xiàn)全國一些地區(qū)的雷電日比原來增多,2005年全國發(fā)生雷害1.1萬多起。據(jù)報道6月4日夜間至5日凌晨廣州4小時閃電達3874次。根據(jù)前蘇聯(lián)超特高壓和我國500kV輸電線路的運行統(tǒng)計,雷擊(特別是續(xù)擊)仍是我國特高壓輸電線路的主要事故之一。海拔1km以上的地區(qū)達國土的2/3,氣壓、污染、覆冰共存環(huán)境對特高壓輸電線路安全運行帶來的威脅還難以預計。三、防御自然災害導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法特高壓輸電外絕緣的設計需要放電理論支撐運行電壓疊加長波頭操作沖擊電壓下長空氣間隙放電物理過程和放電電壓預測的數(shù)學物理模型及方法。由于工程開工時間緊,設計依據(jù)主要是依靠模擬試驗結果加已有的運行經驗,各種復雜環(huán)境的模擬試驗也不充分,即使是幾個超高壓基地建成后,其作用也主要體現(xiàn)在放電電壓與絕緣子串長或空氣間隙距離是否線性的問題(人工氣候室越大,參數(shù)越難控制,得到普遍規(guī)律更為困難),根本的出路是理論與試驗研究結合,開拓數(shù)值仿真研究。理論研究的重點是:三、防御自然災害導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法特高壓輸電外絕緣的設計需要放電理論支撐圖6長空氣間隙放電過程三、防御自然災害導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法特高壓輸電外絕緣的設計需要放電理論支撐以長間隙放電理論為基礎的特高壓輸電線路雷電繞擊過程三維電場模型與路徑分形模型相結合的先導發(fā)展數(shù)學物理計算模型、數(shù)值仿真計算方法。圖7先導發(fā)展計算模型三、防御自然災害導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法特高壓輸電外絕緣的設計需要放電理論支撐深度限制過電壓的限制器(MOA等)與絕緣配合的新理論及方法。建立反映絕緣子表面積污規(guī)律、濕潤過程、局部放電發(fā)生發(fā)展過程中沿面電場分布與熱力學、電弧、泄漏電流等特性的全過程的數(shù)學物理模型及判據(jù),場路結合的閃絡電壓預測計算模型及方法。建立反映絕緣覆冰、融冰過程相關特征量與沿面電場分布、電弧特性等全過程的數(shù)學物理模型及判據(jù)、場路結合的冰閃電壓預測計算模型及方法。三、防御自然災害導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法圖8覆冰絕緣子串的閃絡過程三、防御自然災害導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法特高壓輸電外絕緣的設計需要放電理論支撐建立污穢、覆冰、酸性濕沉降、低氣壓不同組合的綜合環(huán)境下沿面放電過程的數(shù)學物理模型及判據(jù)、場路結合的閃絡電壓預測計算模型及方法。氣壓、覆冰等影響絕緣子串污閃電壓的特征指數(shù)、不同材質絕緣子的老化、造型、均壓、絕緣水平選擇等的理論及方法。三、防御自然災害導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法圖9

人工氣候室中覆冰絕緣子串放電三、防御自然災害導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法不能僅僅依靠試驗研究,只有從考慮多因素影響的放電理論上強化數(shù)學物理模型的研究,才能從純試驗研究跨入數(shù)值仿真的物理研究,理論與試驗研究結合,逐步過渡到以數(shù)值仿真研究為主、試驗研究為輔的研究方法才符合科學發(fā)展規(guī)律,才可能大幅降低特高壓商業(yè)運行中的技術風險。三、防御自然災害導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法四、防御輸變電設備自身故障導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法核心設備是影響特高壓輸電系統(tǒng)商業(yè)運行可靠性的關鍵不僅我國的超特高壓輸電關鍵設備的研發(fā)能力距跨國公司的水平還有較大的差距,而且美國765kV、前蘇聯(lián)1150kV和日本1000kV的主變等帶電運行期間都曾發(fā)生過故障。我國近幾年輸變電設備故障導致的重大電網事故占當年總事故的60%以上。美國電力科學院組織各方面專家在2006年12月完成的電力工業(yè)技術研發(fā)策略研究報告中,把“設備診斷、維護及延長使用壽命”列為重點研究。提高特高壓輸變電設備商業(yè)運行可靠性的相關理論及方法特高壓輸變電設備內絕緣早期和實發(fā)性故障機理與在線監(jiān)測原理及關鍵技術;特高壓輸變電設備內絕緣時效老化機理與剩余壽命預測理論及關鍵技術;特高壓輸變電設備運行安全狀態(tài)在線診斷與評估理論及關鍵技術;特高壓輸變電設備安全運行的狀態(tài)維修決策理論及關鍵技術;可快速安裝的備用變壓器和其他核心設備的原理及關鍵技術。四、防御輸變電設備自身故障導致特高壓輸電系統(tǒng)事故的理論及方法超特高壓交直流混聯(lián)運行尚無經驗借鑒特高壓與超高壓兩個電壓等級相聯(lián)的關聯(lián)影響無經驗;超特高壓系統(tǒng)混聯(lián)對運行安全的影響復雜。五、超特高壓交直流混聯(lián)電網的安全運行理論及控制方法特高壓輸電系統(tǒng)與超高壓系統(tǒng)聯(lián)網的安全科學理論及關鍵技術特高壓直流輸電系統(tǒng)對交流系統(tǒng)影響及防御的理論及措施;特高壓直流輸電系統(tǒng)與500kV交直流輸電系統(tǒng)的協(xié)調控制理論及方法;特高壓變電站可替換的控制系統(tǒng)及運行設備;特高壓電網設備網絡脆弱性評估與大范圍網絡威脅監(jiān)測及報警系統(tǒng)。五、超特高壓交直流混聯(lián)電網的安全運行理論及控制方法六、降低環(huán)境影響風險環(huán)境影響風險不可避免西方發(fā)達國家公眾對高壓線路可能產生的環(huán)境影響的疑慮制約特高壓輸電線路的建設;西歐、北美、日本等發(fā)達國家已把走廊邊沿的電場強度限至為1kV/m,而我國特高壓仍沿用4kV/m

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