半波長交流輸電真型線路初步試驗方案

梁旭明，薛更新，郄鑫，李連海，項力恒，韓彬

(1.國家電網(wǎng)公司，北京市 100031；2. 西北電力設(shè)計院，西安市 710075；3. 中國電力科學研究院，北京市100192)

半波長交流輸電真型線路初步試驗方案

梁旭明1，薛更新2，郄鑫1，李連海1，項力恒2，韓彬3

(1.國家電網(wǎng)公司，北京市 100031；2. 西北電力設(shè)計院，西安市 710075；3. 中國電力科學研究院，北京市100192)

為了解決半波長交流輸電技術(shù)應(yīng)用于實際中存在的問題，開展了半波長交流輸電試驗研究。選擇了1 000 kV特高壓交流輸電線路和750 kV交流輸電線路作為真型線路進行試驗研究，采用技術(shù)經(jīng)濟分析的方法，提出了2個1 000 kV半波長交流試驗線路方案和4個750 kV半波長交流試驗線路方案。基于試驗方案的可行性分析，提出了推薦的半波長交流輸電線路真型試驗方案。針對推薦的試驗方案進行仿真分析，得出了針對半波長交流輸電線路的過電壓和潛供電流抑制措施。

半波長交流輸電；真型線路試驗；空載試驗；特高壓

0 引 言

交流半波長輸電技術(shù)(簡稱半波長輸電)是輸電距離接近工頻半波，即3 000 km(50 Hz)或2 500 km(60 Hz)的遠距離三相交流輸電技術(shù)[1-3]，全線無功自平衡，無須安裝無功補償設(shè)備，輸電能力更強[4-5]。根據(jù)現(xiàn)有的研究，3 000 km左右半波長輸電的輸送功率宜控制在1.2～1.3倍自然功率以下，此時線路中間點最高電壓接近1.3 pu[4-7]。1 000 kV特高壓交流半波長線路通常可輸送功率為5 600～5 700 MW。如采用緊湊型輸電線路，自然功率可提高到6 150 MW，對應(yīng)半波長線路可輸送功率為7 680 MW[8]，全線無須設(shè)置中間開關(guān)站[9]，由于節(jié)省了直流輸電所需要的換流設(shè)備，因此在經(jīng)濟上更有競爭性。

半波長輸電技術(shù)是特高壓直流輸電之外的另一種遠距離輸電技術(shù)，不但可以用于點對網(wǎng)輸電，還具有同步聯(lián)網(wǎng)功能。我國西部清潔能源基地的電力可以采用3 000 km特高壓交流半波長輸電線路直接送到“三華”特高壓同步電網(wǎng)，同時將西部和中東部聯(lián)接成更大規(guī)模的同步電網(wǎng)。此外，此種線路還有從中國西安至哈薩克斯坦的賽梅伊約2 900 km，賽梅伊至莫斯科約 2 900 km，莫斯科至巴塞羅那約2 900 km?？紤]路徑曲折系數(shù)和實際走向，亞洲與歐洲的互聯(lián)電網(wǎng)可以采用3段3 000 km左右的特高壓交流半波長輸電線路，構(gòu)建成亞歐特高壓交流同步電網(wǎng)[10-12]。

20世紀國外的研究主要是借助軟件進行數(shù)字仿真。2013年，俄羅斯托木斯克理工大學的學者，在實驗室利用各種電器元件模擬半波長輸電線路的運行情況，通過試驗，證實了半波長的輸電技術(shù)特征[13-14]。巴西學者為了驗證該項技術(shù)，提出將巴西現(xiàn)有500 kV線路串聯(lián)起來進行真型線路試驗的建議。還對半波長線路合閘操作過電壓進行了仿真研究，計算表明合空線的最大操作過電壓1.95 pu，合閘后穩(wěn)態(tài)工頻過電壓1.084 pu[15]。

到目前為止，還沒有半波長輸電技術(shù)的工程實例，其控制保護裝置、抑制過電壓和潛供電流的措施都需要通過實際線路進行驗證。為了開展1 000 kV半波長交流試驗示范工程建設(shè)，需在真型線路上開展相關(guān)試驗研究。驗證半波長暫態(tài)特性和故障特征，檢驗保護樣機和過電壓潛供電流抑制設(shè)備。而將電網(wǎng)短接成3 000 km長的試驗線路，對于電網(wǎng)安全穩(wěn)定來說影響巨大，因此需要進行認真的研究和遴選。

1 試驗研究計劃

近年來，國內(nèi)采用機電暫態(tài)、電磁暫態(tài)仿真軟件，對半波長輸電穩(wěn)態(tài)特性、過電壓及電磁暫態(tài)、系統(tǒng)安全穩(wěn)定影響等進行了研究。根據(jù)特高壓交流半波長輸電工程技術(shù)應(yīng)用的需要將在研發(fā)繼電保護裝置及其他安全控制保護設(shè)備的基礎(chǔ)上，進一步開展動模和真型線路試驗。

1.1 半波長線路特性動模試驗驗證

對半波長輸電系統(tǒng)進行整體建模研究。采用動模仿真，對前期研究中相關(guān)半波長輸電穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性進行驗證。

1.2 半波長輸電繼電保護裝置、安控裝置試驗驗證

半波長輸電線路內(nèi)部故障時線路兩側(cè)電流、電壓相量規(guī)律完全不同于短線路，現(xiàn)有特高壓線路配置的縱聯(lián)差動保護、距離保護和零序電流保護都不適用于半波長線路，需要加以改進或研究新的保護原理。新開發(fā)的適用于半波輸電的繼電保護裝置需要通過動?；驍?shù)字實時仿真試驗進行驗證。同時相關(guān)安控裝置也需要進一步研究[16]。

1.3 相關(guān)設(shè)備的控制保護裝置試驗驗證

為了抑制半波長輸電的過電壓、潛供電流，需要采取相應(yīng)的限制措施，例如使用快速接地開關(guān)(high speed grounding switch， HSGS)限制潛供電流，而HSGS需要復(fù)雜的控制保護裝置，需要采用動?；驍?shù)字實時仿真進行驗證。

1.4 進一步開展過電壓控制措施研究

研究采用可控高抗或其他電力電子裝置控制過電壓，交流系統(tǒng)中不可避免地存在無功電壓波動。交流系統(tǒng)中的無功電壓波動可能造成半波長輸電線路電壓分布的大幅變化，其過電壓情況需要進行分析。交流半波長輸電系統(tǒng)帶電操作意味著異步電網(wǎng)并列或機組并網(wǎng)，而并列過程存在頻率和電壓偏差(通常同期操作的電壓偏差為5%，頻率偏差為0.1 Hz)，可能造成半波長輸電線路電壓分布的大幅變化，其過電壓情況需要進行分析?，F(xiàn)有研究表明，不采用調(diào)諧手段，線路暫態(tài)穩(wěn)定極限對應(yīng)的最大輸送容量約為5 700 MW。如欲進一步提高輸送功率，則需解決容量提升后的電壓升高和過電壓問題。

1.5 進一步研究半波長輸電可能涉及的相關(guān)技術(shù)問題

運行中一旦線路中間發(fā)生短路、斷路，則半波長線路轉(zhuǎn)為常規(guī)長線路，波過程、電磁效應(yīng)、電壓分布和功角特性變化顯著。下一步需繼續(xù)加強線路中間短路、斷路等情況的研究，研究線路相間故障、雷電過電壓等情況。對于部分新能源集中并網(wǎng)地區(qū)，諧波問題較為突出，研究次同步諧波在半波長線路上的傳播情況和影響。

2 真型試驗線路試驗方案

將已建或在建的線路短接為3 000 km，通過已建或在建的變電站匯集電源，開展試驗，可能涉及在運線路的短時停電，但不會讓全站停電，試驗采用降壓的方式(1 000 kV降為500 kV，750 kV降為220 kV)。

2.1 試驗需改造和加裝的設(shè)備

加裝避雷器和HSGS等設(shè)備，抑制過電壓及限制潛供電流。增加繼電保護裝置需要對線路首末端及沿線各變電站的繼電保護裝置進行相應(yīng)改造，加裝新研發(fā)的繼電保護裝置?？紤]到試驗對近區(qū)電網(wǎng)造成的影響，需要對電網(wǎng)安控措施進行加裝或改造。

2.2 試驗項目初步考慮和試驗準備

試驗項目包括：合空線操作及穩(wěn)態(tài)特性試驗，合解環(huán)及送功率試驗，人工短路試驗，其他可能的驗證性試驗。開展真型線路試驗前，還需進行專項動模試驗，對實際運行中可能出現(xiàn)的各種問題深入研究，包括繼電保護方案適應(yīng)性，不同故障情況對系統(tǒng)影響等。并進一步細化完善真型線路試驗方案，研究確定試驗方案沿線避雷器、潛供電流抑制裝置的安裝配置方案，明確試驗系統(tǒng)中繼電保護、安全自動裝置的原理與配置，完成發(fā)電機與輸變電設(shè)備的運行風險評估以及所有試驗項目可行性的動模校核。

3 真型試驗線路遴選要求

真型試驗線路最基本的要求是，線路長度按照3 000 km左右的半波長考慮，并綜合考慮電源、負荷及停電影響等因素，分析送端電源組織能力，校核受端消納能力，分析試驗對各變電站運行的影響，了解試驗路徑中同塔雙回情況。試驗電壓可以選擇低于輸電線路的額定電壓，使線路保有較大的安全裕度。但也不應(yīng)過低，以不低于220 kV為宜。

通過對全國各電壓等級電網(wǎng)進行遴選，共提出了2項1 000 kV試驗線路方案和4項750 kV試驗線路方案。

4 在特高壓1 000 kV線路上的試驗方案

1 000 kV交流半波長輸電試驗路徑方案選擇按照點對點3 000 km電氣距離，試驗電壓按500 kV，輸送功率為500 kV交流輸電自然功率的1.3倍左右，在建設(shè)中的1 000 kV系統(tǒng)遴選出實驗路徑方案。

4.1 1 000 kV試驗線路方案一

方案接線示意圖見圖1。該方案線路路徑的起點和落點均為天津南1 000 kV變電站，涉及在建的8座1 000 kV變電站，線路總長度共計約3 201.6 km。

圖1 1 000 kV試驗線路方案一接線示意Fig.1 Schematic diagram of 1 000 kV test line scheme I

4.2 1 000 kV試驗線路方案二

方案接線示意圖見圖2。該方案線路路徑的起點為淮南1 000 kV變電站，落點為浙北1 000 kV變電站，涉及已建成的、在建的9座1 000 kV變電站，線路總長度共計約2 966.3 km。

4.3 方案特點

(1)電源組織和負荷消納理論上都具備條件。

(2)1 000 kV同塔雙回路徑所占比例，方案一為61%，方案二為89.1%。

圖2 1 000 kV試驗線路方案二接線示意Fig.2 Schematic diagram of 1 000 kV test line scheme II

總體而言2個方案具有可行性，但方案一需要協(xié)調(diào)3個1 000 kV工程建設(shè)工期，實施難度大；方案二涉及多條1 000 kV在運線路，影響范圍較大。

5 在西北750 kV主網(wǎng)架線路上的試驗方案

750 kV交流半波長輸電試驗路徑方案選擇按照點對點3 000 km電氣距離，試驗電壓選擇220 kV或330 kV，輸送功率為220 kV或330 kV交流輸電自然功率的1.3倍左右，以2015年底具備實驗條件為前提，在西北750 kV系統(tǒng)遴選了2個實驗路徑方案。

5.1 西北750 kV主網(wǎng)架試驗線路方案一

方案接線示意圖見圖3，可考慮按220 kV進行試驗。該方案線路路徑的起點為新疆鳳凰750 kV變電站，落點為寧夏賀蘭山750 kV變電站，線路總長度共計約3 018 km，涉及的750 kV站點18個。

圖3 西北750 kV主網(wǎng)架試驗線路方案一接線示意Fig.3 Schematic diagram of Northwest 750 kV main grid line scheme I

5.2 西北750 kV主網(wǎng)架試驗線路方案二

方案接線示意圖見圖4，可考慮按330 kV進行試驗，該方案線路路徑的起點為青海官亭750 kV變電站，落點為青海日月山750 kV變電站，形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，線路總長度共計約3 140 km，涉及的750 kV站點14個。

圖4 西北750 kV主網(wǎng)架試驗線路方案二接線示意Fig.4 Schematic diagram of Northwest 750 kV main grid test line scheme II

5.3 方案特點

(1)2個方案的電源組織和負荷消納都具備條件，其中方案二電源組織更加便利。

(2)同塔雙回架設(shè)的路徑長度所占比例，方案一不到全長的3%，方案二則占25%。

(3)2個方案所涉及的各變電站在試驗時大部分都需要改成單母線運行，但不需要全站停電。

總體來看，西北750 kV主網(wǎng)架方案電源組合和負荷消納都具備條件，但是涉及新疆、甘肅、青海、寧夏等省份，在已建成的線路上開展試驗，對西北 750 kV主網(wǎng)運行影響較大。

6 在新疆750 kV線路上的試驗方案

6.1 新疆750 kV試驗線路方案一

在2015年新疆電網(wǎng)接線的基礎(chǔ)上，提出以下交流半波長輸電新疆750 kV試驗接線方案一，可考慮按220 kV進行試驗，該方案示意圖見圖5。

該方案線路路徑的起點為喀什750 kV變電站，落點為哈密750 kV變電站，線路總長度共計約 3 010.6 km，涉及的750 kV站點11個。其中三塘湖至哈密線路尚未建設(shè)，喀什、巴楚、五彩灣等多條 750 kV正在建設(shè)中，試驗需協(xié)調(diào)停電工程較多。

圖5 新疆750 kV試驗線路方案一接線示意Fig.5 Schematic diagram of Xinjiang 750 kV test line scheme I

6.2 新疆750 kV試驗線路方案二

設(shè)想未來新疆區(qū)域750 kV電網(wǎng)進一步發(fā)展，在環(huán)塔克拉瑪干沙漠區(qū)域，建成更為完善的750 kV網(wǎng)絡(luò)，提出以下交流半波長輸電新疆750 kV試驗接線方案二，可考慮按220 kV進行試驗，該方案示意圖見圖6。以庫車750 kV變電站為起點和終點，經(jīng)過且末、若羌等地區(qū)，可以實現(xiàn)試驗線路達到3 000 km，該方案的主要線路還未開展工作，如果統(tǒng)籌協(xié)調(diào)建設(shè)進度，可在投運前進行有關(guān)試驗，根據(jù)現(xiàn)有的條件看，該方案影響最小，可操作性最高。

圖6 新疆750 kV試驗線路方案二接線示意Fig.6 Schematic diagram of Xinjiang 750 kV test line scheme II

7 初步仿真研究

根據(jù)現(xiàn)有的以及規(guī)劃的新疆750 kV線路參數(shù)，結(jié)合前期理論分析成果，對新疆750 kV真型線路試驗方案一進行了初步仿真，結(jié)果如圖7、8所示。從仿真結(jié)果來看，每300 km需要裝設(shè)1組避雷器(三相為一組)，按3 000 km計算，沿線共需要約10組避雷器。為抑制潛供電流，需要每300 km左右裝設(shè)1組HSGS，可考慮在實際首末端及沿線變電站裝設(shè)，共需要約10組左右。如采用降壓試驗，相應(yīng)的設(shè)備還可以進一步減少。

圖7 空載情況下線路沿線電壓分布Fig.7 Line voltage distribution along with line under no-load condition

圖8 合閘操作過電壓沿線分布Fig.8 Closing operation over voltage distribution along line

8 結(jié) 論

(1)通過在1 000 kV和750 kV的電網(wǎng)進行遴選，共提出了6個具有可操作性的試驗線路方案。根據(jù)建設(shè)時序估算，新疆750 kV方案二涉及在建變電站4個和在建線路2 000 km左右，影響在運變電站4個和在運線路1 000 km，與其他方案相比，影響最小，推薦新疆750 kV方案二作為未來真型線路方案。

(2)通過初步仿真研究得出，在試驗線路上加裝HSGS和避雷器可以抑制過電壓及限制潛供電流，不會對現(xiàn)有設(shè)備產(chǎn)生影響。

[1]王日文.新型半波長輸電技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].中國電力，2012，45(6)：30-34. WANG Riwen.The research summary of new half-wave length transmission technology[J].Electric Power，2012，45(6)：30-34.

[2]張志強，秦曉輝，徐征雄，等.特高壓半波長交流輸電技術(shù)在我國新疆地區(qū)電源送出規(guī)劃中的暫態(tài)穩(wěn)定性研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(9)：42-45. ZHANG Zhiqiang，QIN Xiaohui，XU Zhengxiong，et al.Research on transient stability of UHV half-wavelength AC transmission in the plan of sending out electric power from Xinjiang region [J].Power System Technology，2011，35(9)：42-45.

[3]秦曉輝，張志強，徐征雄，等.基于準穩(wěn)態(tài)模型的特高壓半波長交流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性與暫態(tài)穩(wěn)定研究[J].中國電機工程學報，2011，31(31)：66-76. QIN Xiaohui，ZHANG Zhiqiang，XU Zhengxiong， et al. Study on the steady state characteristic and transient stability of UHV AC half-wave-length transmission system based on quasi-steady model[J]. Proceedings of the CSEE，2011，31(31)：66-76.

[4]韓彬，林集明，班連庚，等.特高壓半波長交流輸電系統(tǒng)電磁暫態(tài)特性分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(9)：22-27. HAN Bin，LIN Jiming，BAN Liangeng，et al. Analysis on electromagnetic transient characteristics of UHV half-wavelength AC transmission system[J].Power System Technology，2011， 35(9)：22-27.

[5]張志強，秦曉輝，王皓懷，等.特高壓半波長交流輸電線路穩(wěn)態(tài)電壓特性[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(9)：33-36. ZHANG Zhiqiang， QIN Xiaohui， WANG Haohuai，et al.Steady state voltage characteristic of UHV half-wavelength AC transmission line[J].Power System Technology，2011，35(9)：33-36.

[6]王玲桃，崔翔.特高壓半波長交流輸電線路穩(wěn)態(tài)特性研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(9)：7-12. WANG Lingtao，CUI Xiang.Research on steady-state operation characteristics of UHV half-wavelength AC power transmission line[J].Power System Technology，2011，35(9)：7-12.

[7]周靜姝，馬進，徐昊，等.特高壓半波長交流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)運行特性[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(9)：28-32. ZHOU Jingshu， MA Jin， XU Hao， et al. Steady state and transient operational characteristic of UHV half-wavelength AC transmission system[J].Power System Technology，2011，35(9)：28-32.

[8]胡毅,萬保權(quán),何慧雯. 1 000 kV交流緊湊型輸電關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 高電壓技術(shù),2011,37(8):1825-1831. HU Yi，WAN Baoquan，HE Huiwen, et al.Key technology of 1 000 kV AC compat transmisson[J]，High Voltage Engineering，2011, 37(8):1825-1831.

[9]宋云亭，周霄，李碧輝，等.特高壓半波長交流輸電系統(tǒng)經(jīng)濟性與可靠性評估[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(9)：1-6.2011,08:1825-1831. SONG Yunting，ZHOU Xiao，LI Bihui，et al.Economic analysis and reliability assessment of UHV half-wavelength AC transmission [J].Power System Technology，2011，35(9)： 1-6.

[10]劉振亞. 中國特高壓交流輸電技術(shù)創(chuàng)新[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2013,37(3):567-574. LIU zhenya. Innovation of UHV AC transmission technology in China[J]. Power System Technology，2013, 37(3):567-574.

[11]白建華,閆曉卿,程路. “十三五”電力流及電源規(guī)劃方案研究[J]. 中國電力,2015,48(1):15-20. BAI Jianhua, YAN Xiaoqing ,CHENG Lu. Research on power flow and power source installation planning scheme during the 13th Five-Year Period[J]. Electric Power,2015,48(1) :15-20.

[12]張彥濤,張志強,張玉紅,等. 應(yīng)用特高壓直流輸電技術(shù)實現(xiàn)亞歐洲際輸電方案的設(shè)想[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2015,39(8):2069-2075. ZHANG Yantao, ZHANG Zhiqiang, ZHANG Yuhong, et al.Application research on UHVDC technology in Asia-Europe power transmission planning[J].Power System Technology，2015, 39(8):2069-2075.

[14]巴采瓦Н.Л.，博羅維克К.О.，斯捷潘諾維奇А.Е.，等.真實模擬與帶負荷電力系統(tǒng)聯(lián)接的半波長輸電線路相位穩(wěn)態(tài)運行工作方式(俄文)[R].托木斯克市:托木斯克理工大學,2013. http://www.studfiles.ru/preview/4242148/

[15]TAVARES M C，PORTELA C M.Half-wave length line energization case test-proposition of a real test [C]// 2008 International Conference on High Voltage Engineering and Application. Chongqing，China：IEEE. 2008:261-267.

[16]肖仕武,程艷杰,王亞. 基于貝瑞隆模型的半波長交流輸電線路電流差動保護原理[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2011,35(9):46-50. XIAO Shiwu, CHENG Yanjie, WANG Ya. Bergeron model based current differential protection principle for UHV half-wavelength AC transmission line[J]. Power System Technology，2011, 35(9):46-50.

(編輯 蔣毅恒)

Preliminary Experimental Scheme of Half Wavelength AC Power Transmission in Real Line

LIANG Xuming1, XUE Gengxin2，QIE Xin1，LI Lianhai1, XIANG Liheng2，HAN Bin3

(1. State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China;2. Northwest Electric Power Design Institute,Xi’an 710075, China; 3. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

To solve the problems existing in the practical application of half wavelength AC power transmission (HWACT) technology, this paper carries out the experimental research on HWACT. We choose 1 000 kV UHVAC transmission line and 750 kV transmission line as real lines for the experimental research, and adopt technology economic analysis method to propose two 1 000 kV HWACT test schemes and four 750 kV HWACT test schemes. Based on the feasibility analysis of the test schemes, we present the recommended field test scheme of HWACT. Finally, according to the simulation analysis on the recommended test scheme, we obtain the suppression measures for the over voltage and secondary arc current of HWACT.

half wavelength AC power transmission; field test; no-load test; UHV

國家電網(wǎng)公司科技項目(北極風電開發(fā)與全球互聯(lián)電網(wǎng)展望)

TM 72

A

1000-7229(2016)02-0085-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.02.012

2015-10-30

梁旭明(1963)，男，高級工程師，主要研究方向為智能電網(wǎng)、特高壓交直流輸電工程的設(shè)計、運行及管理；

薛更新(1959)，男，教授級高級工程師，主要研究方向為電網(wǎng)線路設(shè)計、管理；

郄鑫(1983)，男，工程師，主要研究方向為變電站、換流站設(shè)計，設(shè)計技術(shù)手段與方法；

李連海(1975)，男，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)；

項力恒(1970)，男，教授級高級工程師，主要研究方向為變電站設(shè)計;

韓彬(1983)，男，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析與仿真。