王 荀,淡淑恒
(上海電力學院 電氣工程學院,上海200090)
近年來,隨著我國國民經濟的快速發展,社會用電需求不斷增長。在一些經濟發達的長三角、珠三角地區,電力短缺已經成為經濟進一步發展的限制因素。華東地區500 kV電網的許多輸電線路均大負荷運行,輸電能力瓶頸問題非常突出[1]。建設新的輸電線路投資巨大,建設耗時長,且受輸電走廊征用困難以及環境保護等因素制約,困難較大。而在電力市場環境下,各個電力運營商又總是希望能夠在現有設備的基礎上獲得盡可能多的輸送容量。因此,提高輸電線路的傳輸容量已日益迫切且意義重大。
本文首先分析了影響輸電線路輸電能力的因素以及我國電網輸電能力受限的原因,接著對提高輸電線路輸送容量的主要技術和方法進行了總結,并分析了各技術方法的優缺點。
一般來說,影響輸電線路輸電能力的因素主要有以下幾點:
(1)線路傳輸的自然功率。線路的輸送能力是與其自然功率成正比的。
(2)線路的傳輸功率極限。短距離輸電線路受制于熱穩定極限,隨著輸電距離的增加,線路的傳輸功率極限將受制于電壓降極限和靜態穩定極限。圖1為無補償的架空輸電線通用負荷能力曲線。

圖1 無補償的架空輸電線通用負荷能力曲線
(3)功角穩定問題。超、特高壓交流輸電系統正常運行的一個基本條件為輸電子系統中的主要同步發電機穩定地保持同步。從輸電線路輸送能力的角度說,該條件實際為功角穩定問題,通常用靜態穩定裕度來表示。
(4)無功控制和電壓穩定問題。超、特高壓交流輸電系統正常運行的另一個基本條件為輸電線路上各點的電壓必須保持在額定電壓附近。從線路輸送能力的角度說,該條件實際為無功控制和電壓穩定問題,即各種無功補償裝置的合理配置[2]。
(5)線路的熱穩定問題。在很多實際運行環境中,線路熱穩定已成為輸電能力的瓶頸,并有擴大的趨勢。
目前,我國現有電網主網架以500 kV為主。輸電距離長、供電范圍大是我國500 kV電網發展過程中的主要特點[3]。在500 kV電網建設發展初期,由于還未形成較為堅強的網狀結構,長距離鏈形結構使得我國500 kV長距離輸電線的輸送能力主要取決于線路的穩定極限,20世紀80年代每回500 kV交流線路的輸送能力為600~800 MW。近年來隨著電網建設的發展,區域電網結構的加強,使500 kV交流線路的平均輸送能力提高到目前的800~1 000 MW左右,但與國外發達國家輸送能力水平相比仍有較大的差距。據研究,國家電網系統500 kV線路中,有約1/4線路輸電能力受到限制[4],主要原因分三類:(1)受限于線路熱穩定水平,主要是短距離和省內輸電線路;(2)受限于暫態穩定水平,主要集中在遠距離送出線路及跨省聯絡線;(3)受限于動態穩定水平,主要是跨區交流聯網線及區域電網內部重載斷面。
值得注意的是,限制線路輸電能力的主要因素并不是一成不變的。例如,隨著華東主網架的加強,制約輸電能力的主要因素已不再是暫態穩定水平,而往往是線路的熱穩定極限。
目前常用的提高輸電線路輸送容量的技術方法總體上可分為兩類:一是提高自然功率或各類穩定極限,稱為提高靜態輸送容量;二是通過監測線路狀態以充分挖掘線路潛在的輸送能力,即動態提高線路輸送容量。
(1)提高電壓等級,采用特高壓輸電
在一定范圍內提高電壓等級,可以增大線路傳輸的自然功率,增加輸電距離,降低電能損耗,還可有效節省輸電走廊面積[5,6]。輸電距離一定時,1 000 kV特高壓交流線路的自然功率是500 kV線路的4~5倍;輸送相同功率時,1 000 kV最遠送電距離是500 kV線路的3倍,而損耗卻降低65%左右[7]。我國特高壓電網建設正在積極推進,目前國家電網已建成2條1 000 kV交流和2條±800 kV直流工程。
特高壓輸電也存在一些缺點和問題,比如特高壓交流輸電的穩定性和可靠性問題不易解決,對環境影響較大;特高壓直流雖不存在穩定性問題,但存在換流裝置昂貴、消耗無功功率多、產生諧波造成通信干擾、缺乏直流開關、線路污閃率高等問題。
(2)柔性交流輸電(FACTS)技術
FACTS技術是基于電力電子技術改造交流輸電的系列技術,對交流電的無功(電壓)、電抗和相角進行控制,從而有效提高交流系統的安全穩定性,使交流輸電系統具有更高的柔性和靈活性,可以有效增加輸電線路的容量,提高線路利用率[8,9]。目前常用的FACTS裝置主要有并聯型的靜止補償器(SVC)和靜止同步補償器(STATCOM),串聯型的可控串聯補償器(TCSC),以及可同時實現串并聯補償的統一潮流控制器(UPFC)等。
FACTS技術也存在一些局限性:用于控制FACTS裝置的電力電子設備尚不能很好滿足其性能要求,FACTS裝置造價較高,普及應用難度較大等。
(3)采用同塔多回輸電技術
同塔多回輸電是指在一個桿塔上架設二回及多回線路,同塔多回線路可以是同一電壓等級,也可以是不同電壓等級。應用同塔多回輸電技術,可使線路的走廊占用和綜合造價明顯減少,單位面積的輸送容量顯著增加,具有明顯的經濟效益和社會效益,是電網建設中解決輸電走廊緊張、節省土地資源、提高輸送容量的有效手段。我國采用同塔多回輸電始于1980年,目前國內220 kV輸電線路中已較多采用雙回或四回輸電,部分500 kV輸電線路中采用同塔雙回路輸電,500 kV同塔四回技術也已首次應用在華東地區利港電廠至梅里變輸電線路。廣東電網也正在建設多條500 kV同塔四回線路[10,11]。
采用同塔多回技術比單回技術復雜,需要進行科學的研究,選擇合適的桿塔以及導線相序排列方式,電磁場強度、無線電干擾、噪音等都能減小到相關規定的要求。
(4)采用緊湊型輸電技術
緊湊型輸電技術是通過縮小相間距離、優化導線排列、增加相分裂子導線根數等改變線路幾何結構的方法,來減少線路電抗、增加容抗,提高線路的自然功率,從而提高線路輸電能力的新型輸電技術。緊湊型輸電線路在提高輸電能力的同時,還可減小架空線路走廊占地寬度和降低工程造價,并且有利于改善電磁環境[12,13]。如果與同塔雙回或多回技術相結合,除保留緊湊型線路在電氣上的優點以外,節省線路走廊的效果也將更為明顯,符合今后我國電網建設的發展方向[14,15]。
采用緊湊型線路需考慮無功補償、潛供電弧的熄滅和帶電作業等問題。
(5)采用大截面導線
大截面導線輸電技術是指超過經濟電流密度所控制的常規最小截面導線,而采用較大截面的導線,以成倍提高線路輸送能力的新型輸電技術。與常規導線相比,大截面導線可節省線路走廊資源、提高輸電容量、降低線路損耗、改善線路周圍的電磁環境,具有較好的社會效益和經濟效益。國內已先后在華東、華中、南方等地區建成和投運采用500~720 mm2大截面導線的500 kV輸電線路,華北地區的500 kV大截面導線輸電線路也在建設中[16,17]。
但應用大截面導線使桿塔承受荷載增加,架線施工難度加大,線路、桿塔、絕緣子及金具的成本增加。因此,大截面導線技術的應用應充分考慮線路建設和運行中所遇到的技術經濟問題,結合具體工程實際進行經濟技術比較,選擇合適截面的導線。
(6)采用耐熱導線
耐熱導線在高溫狀態下也能保持良好的機械強度和使用性能,因此,采用耐熱導線可提高導線允許溫度,增加導線載流量,從而提高線路輸送容量。隨著耐熱導線性能的不斷提高和品種的不斷增多,數十年來它的應用得到了很大發展。目前除了普通的耐熱鋁合金導線外,還有超耐熱鋁合金導線和特耐熱鋁合金導線等。日本從1960年開始在輸電線路中使用耐熱鋁合金導線,現在日本耐熱導線的使用量已經超過全國輸電線路總長的70%[18,19]。我國在應用耐熱鋁合金導線的方面與發達工業國家相比尚有不少差距,相信隨著電力工業的不斷發展,以及在導線材料、結構方面的研究與創新步伐加快,耐熱導線會有更大的應用和發展。
(7)提高線路允許溫度
對于同一種規格導線,其載流量直接取決于其發熱允許溫度,允許溫度越高,載流量越大。各國對導線發熱允許溫度有各自的規定,日本、美國取導線發熱允許溫度為90℃,德國、荷蘭、瑞士為80℃。我國現行設計規程是參照前蘇聯的標準,為70℃(大跨越為90℃)。如果將導線允許溫度由現行規范規定的70℃提高到80℃,則可提高原有線路輸送容量20%,降低新建線路投資10%,具有顯著的經濟意義[20,21]。這也是最簡單、最直接提高線路輸送容量的措施。國內華東電網較早應用提高導線允許溫度技術。為了緩解蘇南地區迎峰度夏用電緊張形勢,2003年華東電網公司成功地在武南至斗山5265、5266線,斗山至石牌5267、5268線這4條線路采用靜態提溫增容技術,進行了提高線路輸送容量試點工作,邁出了可喜的第一步,取得了寶貴經驗[22]。
提高線路允許溫度雖然簡單直接,但采用這一技術應當極為謹慎,需要足夠的論證和其他相關技術的支持。目前這一技術尚不符合現行設計標準,若采用則必須解決以下幾個問題:對線路及金具機械強度和壽命的影響程度;導線弧垂增加,對線路對地及交叉跨越的安全裕度的影響;經濟效益如何。另外,對于引渡載流的接續金具和耐張線夾,還存在一個接觸傳導表面日久老化的過熱問題。這些都需要經過充分的論證、實驗或相關技術支持。
在設計架空輸電線路時,為防止負荷過大使線路輸送容量超過極限值而發生事故,設計部門依據最為惡劣的氣象條件確定了極限容量,該極限容量是一種保守的靜態值。但事實上,這樣惡劣的氣象條件很少發生,這就造成了在絕大多數情況下,無法真正高效地利用輸電線路的傳輸潛力,見圖2[23]。如果可以在保證安全的前提下充分利用線路的傳輸潛力,則可以在不改變線路結構的情況下提高線路輸送容量,這就是動態增容技術的想法由來。

圖2 線路負荷與熱容量限制的概率分布
動態增容技術的實質是在輸電線路上安裝在線監測裝置對導線狀態(導線溫度、張力、弧垂等)和氣象條件(環境溫度、日照、風速風向等)進行監測,在不突破現行技術規程規定(導線溫度限額70℃)的前提下,基于相關的數學模型計算導線最大的允許載流量。結合運行經驗和計算結果,在目前技術規程的限定條件下,導線載流量可以提高10%~20%。應用輸電線路動態增容技術并不突破現行規程,因此也無需對運行規范進行額外的修改,更不需要對現有線路進行昂貴的技術改造,僅僅在線路上安裝監測系統就能最大限度地提高線路輸送容量,起到少建或緩建輸電線路的目的,具有重要理論和現實意義。這一技術非常適合于已投運線路的增容[24,25]。
3.2.1 國外動態增容技術的研究現狀
導線動態增容技術首先是由國外的一些研究機構提出的[26-30]。美國電力研究協會(EPRI)提出了輸電線動態熱容等級(DTCR)技術,即利用實時(或接近實時)采集的信息,建立輸電設備的動態的、精確熱容等級。圖2顯示了一條真實線路的負荷概率分布及熱容等級概率分布情況。美國SRP公司曾在兩條重要輸電線路上使用DTCR技術,使得該公司修建新線路的工程推遲了5年,最少節省了約900萬美元的費用,后來該公司在一條230 kV新線路上安裝使用了該技術,一直在較高的負荷下運行且沒有發生任何故障[31]。美國Nexans公司開發出了CAT-I型實時輸電線路限額系統(Realtime Transmission Line Rating System),該系統通過測量線路的應力和環境溫度等參數對線路的可用容量做出實時估計,已達到指導調度部門提升導線輸送容量的目的[32,33]。另外,美國Promethean Devices公司開發了RT-TLMS型非接觸式導線電流和溫度實時監測系統,解決了停電安裝溫度或張力傳感器的問題,為線路動態增容系統提供了新的思路。
由于測量、通訊、電源技術和計算數學模型的限制,以及電力系統安全穩定運行的要求,早期的技術不太成熟,并沒有取得較多的推廣。同時,除了技術上的原因外,發達國家電力增長相對緩慢,目前的電力供應基本能夠滿足電力需求,對增加輸電線路容量技術的需求不是那么迫切,使此項技術的發展不是特別迅速。
3.2.2 國內動態增容技術研究現狀
由于輸電線路動態增容技術可以產生較大的經濟效益,在國內市場前景非常廣闊,近幾年國內一些電力企業、高校和研究院所等單位也對該項技術展開了較廣泛的研究。
華東電力試驗研究院在文獻[22]中提到提高現有輸電線路的輸送容量有兩種方法,即靜態提溫增容技術和動態監測增容技術,主要論述現有輸電線路動態監測增容技術,指出建立準確的數學模型是建立輸電線路輸送容量在線監測系統的技術關鍵。
上海交通大學對線路動態增容技術開展了研究工作[34-37]。文獻[34]和[35]介紹了動態熱容等級(DTCR)的模型,并研究了DTCR系統實施的幾種形式,最后給出了一種新的DTCR系統構架方案。文獻[36]研究了基于導線張力的動態提高輸電線路輸送容量的技術,建立了包括導線張力、負荷、風速等多因子的導線溫度模型和導線日照輻射吸熱模型,研制出了一套基于張力的動態提高輸電線路輸送容量及實時監測線路參數的動態增容系統,并采用基于徑向基函數神經網絡的混沌時間序列方法預測輸送容量及線路可能發生的故障,給出了風險估計。
華北電力大學也對動態增容監測技術展開了相關研究[38-40]。文獻[38]考慮根據線路弧垂的大小研究提高現行導線的允許溫度,從而可以提高導線的運行載流量。根據已有的弧垂測量方法,提出比較新穎的兩種弧垂測量方法:拍攝數碼照片和全站儀測弧垂。文獻[40]研究了監測系統導線測溫裝置的取能電源。提出了利用電流互感器(CT)直接從母線取能為主,蓄電池供電為輔的電源設計方案。
華東電網有限公司對輸電線路實時動態增容的可行性進行了研究[41,42],并對其研制的輸電線路實時輸送限額管理系統的安全性、增容性和適用性進行了檢驗,并在華東電網500 kV、220 kV線路上試運行[43,44],證明該系統滿足線路的運行條件,達到了線路增容的目的。該系統的監測系統主要監測線路的溫度和環境條件。
國內也有一些私營公司進入這個研究領域,如杭州海康雷鳥信息技術有限公司研制出了輸電線路溫度在線監測裝置,并對線路的弧垂監測方面進行了研究[45-47]。另外,西安金源公司開發了基于氣候和導線溫度監測的線路動態增容系統,該系統的硬件系統包括氣象監測和導線溫度監測兩大部分,軟件系統實現了導線潛在容量的計算功能。該系統在山西、湖北等電力公司的500 kV輸電線路上已有應用,取得了較好的效果[48]。
3.2.3 動態提高輸電線路輸送容量的監測方法
(1)基于氣候監測的動態增容技術
基于氣候監測的動態增容技術是通過實時的導線電流值和氣象站實時監測的氣候參數計算導線的輸送容量。這種方法很經濟,并容易擴展。然而,一整條線路中,由于地域的變化,天氣也會發生變化,而微氣候信息無法從氣象站獲取。因此,這種方法不適于微氣候地區內線路的增容。
(2)基于直接溫度測量的動態增容技術
直接溫度測量方法提供了導線的實時數據,計算的結果比基于氣候監測的方法更準確。不足之處在于投資大,并且測量的僅僅是導線某一點的溫度,并不是導線的平均溫度。如果要測量準確,需要沿線裝設較多采集裝置,然后取其平均值,這樣就大大增加了成本,不符合經濟性的要求。
(3)基于直接弧垂測量的動態增容技術
ESCI公司開發的基于卡車的脈沖激光法是用于動態增容技術的一個比較精確有效的測量方法[49]。但該方法不是自動監測線路弧垂,需要人為調整和測量,而且成本很高。
(4)基于張力測量的動態增容技術
美國Nexans公司開發的CAT-I產品,其核心技術是通過直接測量導線張力確定輸送容量的[32]。張力監測裝置可測量整個耐張段的導線張力,最后能給出耐張段內各個檔距內的弧垂和平均溫度,使導線在更長的范圍內結果更準確,并節省了開支。但為了得到較準確的導線溫度,此系統在安裝初期線路必須長期或經常停電(至少幾個月),以獲取較大范圍的凈輻射溫度來擬合出導線溫度曲線。同時,這種方法也無法避免高溫時導線溫度估計不準的問題。
通過對上面四種主要方法的比較并結合現有的研究成果,在實現動態提高輸電線路輸送容量的監測方法中,直接溫度和張力測量是比較可行的方法。
3.2.4 動態監測增容系統的局限性
動態增容技術雖然已取得了很多研究成果,但在技術方面和管理方面都還存在諸多有待解決的問題:
(1)技術方面。主要是監測技術和數學模型有待改進和創新。比如基于導線弧垂的測量沒有考慮到風對導線弧垂的影響,基于導線張力的測量存在導線須停電及高溫時溫度估計不準問題,另外還有熱模型中導線日照輻射吸熱的求解問題。
(2)管理方面。現有動態增容技術未提出如何幫助和指導增容條件下的輸電線路運行,以及線路增容運行帶來的風險和如何規避風險[48]。
本文對提高輸電線路輸送容量的技術方法進行了總結與分析。對于新規劃建設的線路,可采用提高電壓等級、使用大截面導線或耐熱導線、緊湊型線路、同塔雙回或同塔多回線路、應用FACTS裝置等方案,從而在其適用范圍內有效提高線路輸送容量,但它們也分別存在著造價、損耗、可靠性等問題。此外,新線路的建設還面臨著走廊緊張和環境保護的巨大壓力,尤其是在東部經濟發達地區。如果將這些方案用于既有線路的增容改造,同樣面臨一系列的問題:更換導線的方法會加大導線投資,還可能增加桿塔機載負載;拆除既有線路、建設緊湊型或同塔多回線路更是耗資巨大;而建設串補站除造價高外,對于火電廠送出線路還增加了次同步諧振的風險。對于提高線路允許溫度來提高輸送容量,雖然簡單直接,但因其突破了現行技術規程的規定,實施前需要足夠的論證和其他相關技術的支持,因此采用這一技術應極為謹慎。
應用輸電線路動態增容技術并不突破現行規程,因此也不需對運行規范進行額外的修改,更不需要對現有線路進行昂貴的技術改造,僅僅在線路上安裝監測系統就能最大程度地提高線路輸送容量,起到少建或緩建輸電線路的目的,具有重要的理論和現實意義。目前這一技術還存在一定的局限性,還需進行更加深入的研究。
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