特高壓和超高壓交流輸電系統(tǒng)運(yùn)行損耗比較分析

耿慶申，盧 玉，樊海榮，張 鵬

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特高壓和超高壓交流輸電系統(tǒng)運(yùn)行損耗比較分析

耿慶申1，盧 玉2，樊海榮3，張 鵬4

(1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰? 山東 濟(jì)南 250013；2.中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)，北京 100761；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司, 山東 濟(jì)南 250001；4.國(guó)家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司，北京 100052)

輸電系統(tǒng)運(yùn)行損耗是影響整個(gè)輸電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的重要因素。根據(jù)交流輸電系統(tǒng)等值數(shù)學(xué)模型構(gòu)建出滿足同等輸電能力的特高壓和超高壓交流輸電方案，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出不同情景下各輸電方案的損耗率大小，并分析了額定輸送容量、輸送距離和負(fù)載率變化對(duì)各輸電方案損耗的影響。結(jié)果表明，特高壓在各種情景下，均可以大幅降低運(yùn)行損耗，特別是遠(yuǎn)距離、高負(fù)載率條件下，具有顯著優(yōu)勢(shì)。相關(guān)結(jié)論可以為特高壓和超高壓交流輸電的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，特別是為合理確定各自適用的經(jīng)濟(jì)區(qū)間和具有優(yōu)勢(shì)的輸電范圍提供支持。

特高壓交流；超高壓交流；運(yùn)行損耗；輸電能力；比較分析

0 引言

我國(guó)幅員遼闊，能源資源蘊(yùn)藏與電力需求呈逆向分布，其中三分之二的水資源在西南，三分之二的煤炭資源在西北，風(fēng)電和太陽(yáng)能等可再生能源也主要分布在西部、北部，而三分之二以上的電力需求則來(lái)自資源相對(duì)匱乏的東中部地區(qū)。能源資源與電力需求分布的不平衡狀況，客觀上要求對(duì)能源進(jìn)行大范圍內(nèi)的優(yōu)化配置。特高壓交流輸電和超高壓交流輸電是對(duì)能源進(jìn)行優(yōu)化配置，滿足電力需求的兩種重要方式[1-4]。

輸電系統(tǒng)運(yùn)行損耗是影響整個(gè)輸電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的重要因素。特高壓和超高壓交流輸電系統(tǒng)運(yùn)行損耗主要包括變電站損耗和輸電線路損耗兩部分，其中，變電損耗包括變壓器、電抗器、電容器等設(shè)備損耗及站用電等，其損耗主要隨輸送容量成比例變化；輸電線路損耗主要包括電阻損耗、電暈損耗和泄漏損耗，其中電阻損耗主要隨輸送容量成比例變化，電暈損耗主要與電壓等級(jí)、導(dǎo)線結(jié)構(gòu)和天氣情況有關(guān)，泄漏損耗可忽略不計(jì)[5-8]。

理論上講，在輸送容量、輸送距離、導(dǎo)線總截面均相同的情況下，1 000 kV特高壓輸電系統(tǒng)的運(yùn)行損耗僅為500 kV超高壓輸電系統(tǒng)的四分之一。但實(shí)際可行的滿足一定輸送容量和輸送距離的特高壓、超高壓輸電方案，線路回路數(shù)和導(dǎo)線總截面存在較大差異，使得同等輸送能力下的特高壓和超高壓的損耗情況發(fā)生變化，需要針對(duì)具體方案進(jìn)行損耗分析和比較。另外，工程投運(yùn)后實(shí)際負(fù)載率的變化將對(duì)特高壓和超高壓損耗差異產(chǎn)生直接影響，因此，有必要分析負(fù)載率變化對(duì)特高壓和超高壓輸電系統(tǒng)損耗的影響。

1 同等輸電能力的特高壓和超高壓交流輸電方案

1.1 交流輸電系統(tǒng)等值數(shù)學(xué)模型

交流輸電系統(tǒng)輸電能力分析采用正序模型，送受端系統(tǒng)分別用相應(yīng)的正序網(wǎng)絡(luò)來(lái)等值[9-10]。在假設(shè)輸電線路無(wú)損耗的條件下，對(duì)描述輸電線路基本特性的著名長(zhǎng)線方程進(jìn)行推導(dǎo)可以得到輸送容量的關(guān)系式，分別取線路額定電壓和自然功率作為電壓基準(zhǔn)值和功率基準(zhǔn)值，并對(duì)線路均勻串聯(lián)補(bǔ)償，得到線路輸送容量的標(biāo)么值方程分別為

(2)

(3)

式中：s、r、s、r分別為送受端功率標(biāo)幺值；s、r分別為送受端電壓標(biāo)幺值；為與之間的相位角；=0.06 °/km為相位常數(shù)；為線路長(zhǎng)度；se為補(bǔ)償度。

一旦給定輸電系統(tǒng)的運(yùn)行性能指標(biāo)，根據(jù)式(1)~式(4)，容易求出輸送容量與輸送距離的關(guān)系曲線。典型的運(yùn)行性能指標(biāo)為：靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)備系數(shù)取30%，相當(dāng)于兩端系統(tǒng)等值電動(dòng)勢(shì)之間的額定相位角為50.30°；線路兩端電壓s和r取額定值，即取1；送受端系統(tǒng)短路比均取5。得出輸送容量與輸送距離的關(guān)系曲線如圖1所示。

1.2 輸電能力計(jì)算

1.2.1 自然功率

輸電線路自然功率計(jì)算公式如式(5)。

式中：0為輸電線路的自然功率；0為線路額定電壓；0為線路波阻抗；0為線路單位長(zhǎng)度電抗；0為線路單位長(zhǎng)度電容。

0、0與電壓等級(jí)、導(dǎo)線分裂數(shù)和導(dǎo)線截面有關(guān)系，參照當(dāng)前文獻(xiàn)的研究結(jié)果及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)值，特高壓交流一般為8分裂導(dǎo)線，超高壓交流常規(guī)型一般為4分裂導(dǎo)線，超高壓交流緊湊型一般為6分裂導(dǎo)線，特高壓交流自然功率是超高壓交流常規(guī)型的約5倍，超高壓交流緊湊型自然功率是常規(guī)型的約1.3倍[11-12]。因此，分1 000 kV、500 kV常規(guī)和500kV緊湊三種方案進(jìn)行交流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行損耗比較分析，相應(yīng)地自然功率按1 000 kV、 5 000 MW，500 kV常規(guī)型1 000 MW及500 kV緊湊型1 300 MW取值。

1.2.2 各輸電方案的輸電能力

輸電系統(tǒng)輸送容量與線路自然功率的比值并不隨電壓等級(jí)而變化，由上文得出的輸送容量的標(biāo)幺值與相應(yīng)輸電方案的自然功率，可以得到不同輸送距離下各輸電方案對(duì)應(yīng)的最大輸送容量，如表1所示。

表1 各輸電方案的輸電能力

1.3 不同情景下的特高壓和超高壓輸電方案

1.3.1 情景設(shè)置

1 000 kV采用8×630導(dǎo)線，500 kV常規(guī)型采用4×630導(dǎo)線，500 kV緊湊型采用6×300導(dǎo)線。1 000 kV按輸送容量的1.3倍配置變電容量，只考慮降壓容量，送端設(shè)開(kāi)關(guān)站，受端變電站容量隨輸送容量變化。500 kV不考慮變電投資，送、受端均設(shè)開(kāi)關(guān)站。

隨著輸送距離的增長(zhǎng)，考慮在線路中間建設(shè)開(kāi)關(guān)站，1 000 kV每300 km建設(shè)一個(gè)開(kāi)關(guān)站，開(kāi)關(guān)站出線規(guī)模匹配線路回路數(shù)；500 kV每250 km建設(shè)一個(gè)開(kāi)關(guān)站，開(kāi)關(guān)站出線規(guī)模匹配線路回路數(shù)；有需要時(shí)增加串補(bǔ)，補(bǔ)償度按0%、20%、30%、40%進(jìn)行選擇。當(dāng)單回路不能滿足輸送容量要求時(shí)，優(yōu)先考慮增加串補(bǔ)。

1.3.2 不同情景下的輸電方案

按照特高壓和超高壓交流可能的輸送距離范圍，輸送距離選取200 km、400 km、600 km、800 km、1 000 km 五種情景；按照特高壓和超高壓交流常用的主變?nèi)萘恳?guī)格及容量限制，額定輸送容量選取2 800 MW、4 000 MW、5 600 MW、8 000 MW、8 400 MW 五種情景。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)造出25種情景下采用1 000 kV、500 kV常規(guī)和500 kV緊湊的輸電方案，其中，額定輸送容量為8 000 MW時(shí)對(duì)應(yīng)的輸電方案如表2所示。

表2 額定輸送容量為8 000 MW的輸電方案

2 特高壓和超高壓交流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行損耗分析及比較

2.1 輸電系統(tǒng)運(yùn)行損耗分析

輸電系統(tǒng)運(yùn)行損耗可分解為變電站損耗、線路電阻損耗和線路電暈損耗[13-14]。

2.1.1 變電站損耗分析

變電站的運(yùn)行損耗主要包括變壓器、電抗器、電容器等設(shè)備損耗及站用電等，其中，主變壓器損耗占變電站總損耗的70%~85%，因此，變電站的運(yùn)行損耗以主變壓器為主[15]。特高壓和超高壓主變壓器損耗計(jì)算參照《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選取典型特高壓變電站和超高壓變電站，進(jìn)行不同情景下的主變壓器損耗分析，結(jié)果表明1 000 kV和500 kV典型變電站損耗率分別為0.06%~0.09%、0.09%~ 0.12%。綜合變壓器損耗在變電站總損耗中的占比情況，1 000 kV變電站、開(kāi)關(guān)站損耗率分別取0.10%、0.02%，500 kV開(kāi)關(guān)站損耗率取0.03%。

2.1.2 輸電線路損耗分析

(1) 線路電阻損耗計(jì)算

電阻損耗的計(jì)算公式為

式中：Δ為輸電線路功率總損耗；為回路數(shù)；為每相損耗；為相電流；為相電阻。

(7)

(9)

式中：為交直流電阻比(鋼芯鋁絞線為1.047 3)，R為直流電阻溫度調(diào)整系數(shù)，鋼芯鋁絞線為0.004 03(1/℃)，平均運(yùn)行溫度按40℃，則R= 1.080 6；d為子導(dǎo)線20℃直流電阻，不同截面導(dǎo)線可查閱《GB/T 1179-2008 圓線同心絞架空導(dǎo)線》。

由式(8)、式(9)可得出1 000 kV、500 kV常規(guī)和500 kV緊湊的分別為0.006 49 Ω/km、0.012 99 Ω/ km、0.017 30 Ω/km。

將各輸電方案的相應(yīng)參數(shù)代入式(6)~式(8)，可得出各輸電方案的線路電阻損耗。

(2) 線路電暈損耗取值

與電阻損耗不同，電暈損耗不隨輸送容量的變化而變化，其大小主要與電壓等級(jí)、導(dǎo)線結(jié)構(gòu)和天氣情況有關(guān)。對(duì)于500 kV超高壓輸電線路電暈損失一般不超過(guò)電阻損耗的20%，1 000 kV特高壓輸電線路的輸送容量較小時(shí)，電暈損耗可能會(huì)超過(guò)電阻損耗的20%。

目前，國(guó)內(nèi)超高壓輸電線路電暈估算大多采用擬合曲線法經(jīng)驗(yàn)取值，即根據(jù)已建線路在不同天氣條件下的電暈實(shí)測(cè)結(jié)果與導(dǎo)線表面最大平均場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系，擬合成不同天氣條件下的電暈損失曲線。在新建線路導(dǎo)線選型時(shí)，查閱電暈損失曲線，便可估算不同導(dǎo)線方案的電暈損失。文獻(xiàn)[16]對(duì)特高壓交流輸電線路電暈損耗進(jìn)行了專門研究，給出了錫盟一南京1 000 kV同塔雙回輸電線路山東段在不同天氣條件下的年平均電暈損耗值為46.6 kW/km。文獻(xiàn)[17]得出1 000 kV與500 kV在相同天氣下的電暈損耗近似呈一定比例關(guān)系，即1 000 kV近似為500 kV的3.72倍。

綜合以上文獻(xiàn)成果，輸電線路單回路年平均電暈損耗1 000 kV按23.3 kW/km，500 kV按6.3 kW/ km。

2.2 特高壓和超高壓輸電系統(tǒng)運(yùn)行損耗比較

根據(jù)前文設(shè)定的輸電方案，將電壓等級(jí)、額定輸送容量、輸送距離、負(fù)載率(基準(zhǔn)值60%)等參數(shù)代入輸電系統(tǒng)運(yùn)行損耗計(jì)算公式，得出各輸電方案的損耗情況如表3所示?？梢钥闯觯容旊娔芰ο?，1 000 kV損耗率最低，500 kV常規(guī)損耗率居中，500 kV緊湊損耗率最大，其中，500 kV常規(guī)損耗率是1 000 kV的1.25~1.79倍，500 kV緊湊損耗率是1 000 kV的1.77~2.92倍。

2.3 特高壓和超高壓輸電系統(tǒng)運(yùn)行損耗構(gòu)成情況

在變電站損耗、線路電阻損耗、線路電暈損耗中，線路電阻損耗占比最大，其中，1 000 kV占比35%~75%，500 kV常規(guī)占比57%~81%，500 kV緊湊占比69%~91%，輸送容量越大，線路電阻損耗占比越大；輸送距離越長(zhǎng)，變電站損耗占比越小。

1 000 kV線路電阻損耗明顯低于500 kV常規(guī)和500 kV緊湊，是造成1 000 kV損耗低的主要原因。在輸送容量相同的情況下，電壓越高，電流越小，從而損耗越小。圖2是額定輸送容量8 000 MW、輸送距離600 km、負(fù)載率60%時(shí)的輸電系統(tǒng)損耗構(gòu)成情況。

3 主要參數(shù)變化對(duì)特高壓和超高壓輸電系統(tǒng)運(yùn)行損耗的影響

3.1 額定輸送容量變化對(duì)特高壓和超高壓運(yùn)行損耗的影響(圖3)

以輸送距離600 km、負(fù)載率60%為基準(zhǔn)，分析了額定輸送容量變化對(duì)特高壓和超高壓運(yùn)行損耗的影響，如圖3所示?？梢钥闯觯馗邏汉统邏簱p耗率受額定輸送容量變化影響較弱。這主要是因?yàn)楫?dāng)額定輸送容量增大時(shí)，對(duì)應(yīng)的各輸電方案的線路回路數(shù)及導(dǎo)線總截面相應(yīng)增加，使得運(yùn)行損耗的增加幅度與額定輸送容量的增加幅度相當(dāng)，導(dǎo)致?lián)p耗率受額定輸送容量的影響不明顯。

表3 同等輸電能力下各輸電方案損耗率

圖2 各輸電方案損耗構(gòu)成情況

圖3 額定輸送容量變化對(duì)特高壓和超高壓運(yùn)行損耗的影響

3.2 輸送距離變化對(duì)特高壓和超高壓運(yùn)行損耗的影響

以額定輸送容量8 000 MW、負(fù)載率60%為基準(zhǔn)，分析了輸送距離變化對(duì)特高壓和超高壓運(yùn)行損耗的影響，如圖4所示?？梢钥闯?，特高壓和超高壓損耗率均隨輸送距離的增大而增大，但1 000 kV隨輸送距離的增長(zhǎng)幅度弱于500 kV常規(guī)，500 kV常規(guī)隨輸送距離的增長(zhǎng)幅度弱于500 kV緊湊。從降低電力損耗的角度，輸送距離的增加將使1 000 kV優(yōu)勢(shì)更顯著。

圖4 輸送距離變化對(duì)特高壓和超高壓運(yùn)行損耗的影響

3.3 負(fù)載率變化對(duì)特高壓和超高壓運(yùn)行損耗的影響

以額定輸送容量8 000 MW、輸送距離600 km為基準(zhǔn)，分析了負(fù)載率變化對(duì)特高壓和超高壓運(yùn)行損耗的影響，如圖5所示?？梢钥闯?，特高壓和超高壓損耗率均隨負(fù)載率的增大而增大，但1 000 kV隨負(fù)載率的增長(zhǎng)幅度明顯弱于500 kV常規(guī)，500 kV常規(guī)隨負(fù)載率的增長(zhǎng)幅度明顯弱于500 kV緊湊。從降低電力損耗的角度，負(fù)載率的增加將使1 000 kV優(yōu)勢(shì)更顯著。

圖5 負(fù)載率變化對(duì)特高壓和超高壓運(yùn)行損耗的影響

4 結(jié)論

(1) 在特高壓和超高壓交流對(duì)應(yīng)的同等輸電能力方案下，1 000 kV損耗率最低，500 kV常規(guī)損耗率居中，500 kV緊湊損耗率最大，其中，500 kV常規(guī)損耗率是1 000 kV的1.25~1.79倍，500 kV緊湊損耗率是1 000 kV的1.77~2.92倍，造成這種狀況的主要原因是500 kV常規(guī)和500 kV緊湊線路電阻損耗明顯高于1 000 kV。

(2) 特高壓和超高壓損耗率受負(fù)載率和輸送距離的影響較大，受額定輸送容量的影響較小。特高壓和超高壓損耗率均隨輸送距離、負(fù)載率的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，但1 000 kV的增長(zhǎng)幅度明顯弱于500 kV常規(guī)，500 kV常規(guī)的增長(zhǎng)幅度明顯弱于500 kV緊湊。

(3) 從降低電力損耗的角度，1 000 kV在各種情景下，均可以大幅降低輸電系統(tǒng)運(yùn)行損耗，特別是遠(yuǎn)距離、高負(fù)載率條件下，具有顯著優(yōu)勢(shì)。該結(jié)論可以為特高壓和超高壓交流輸電系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，特別是為確定各自適用的經(jīng)濟(jì)區(qū)間和具有優(yōu)勢(shì)的輸電范圍提供支持。

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(編輯 魏小麗)

Comparative analysis of operation losses of UHV AC and EHV AC transmission systems

GENG Qingshen1, LU Yu2, FAN Hairong3, ZHANG Peng4

(1. Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corporation, Ltd., Jinan 250013, China; 2. China Electricity Council, Beijing 100761, China; 3.State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan 250001, China; 4. State Grid AC Engineering Construction Company, Beijing 100052, China)

Transmission operating loss is an important factor affecting the economy of the whole transmission system. According to the equivalent mathematical model of AC transmission system, the UHV AC and EHV AC transmission schemes are constructed to meet the same transmission capacity, and the loss rate of each transmission scheme is calculated. It analyzes the influence of the change of the nominal transmission capacity, transmission distance and load rate on the loss rate of each transmission scheme. The results show that the characteristics of UHV in various situations can greatly reduce the operating loss, especially for long distance and high load rate. The conclusions can be used to the technical and economic comparison of UHV and EHV, especially for searching for the respective economic zone and the transmission range of advantages.

UHVAC; EHVAC; operating loss; line transmission capacity; comparative analysis

10.7667/PSPC151503

2015-08-24；

2015-09-01

耿慶申(1982-)，男，通信作者，碩士，工程師，研究方向?yàn)樘馗邏和顿Y估算及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)；E-mail: 542618178@ qq.com盧 玉(1974-)，女，碩士，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，研究方向?yàn)檩斪冸姽こ碳夹g(shù)經(jīng)濟(jì)研究；E-mail:1677548374@ qq.com 樊海榮(1971 -)，男，學(xué)士，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，研究方向?yàn)檩斪冸姽こ淘靸r(jià)管理。E-mail:1844810628 @ qq.com