增容技術(shù)在電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用及現(xiàn)狀簡析

韓曉燕

中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院 河南省鄭州市 451191

1 引言

電力是推動經(jīng)濟社會發(fā)展的根本動力之一，建設(shè)堅強智能電網(wǎng)是一個地區(qū)保持健康快速發(fā)展的關(guān)鍵所在。但隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，電力需求也越來越大，部分線路因受現(xiàn)有輸電線路技術(shù)規(guī)程的限制，制約了系統(tǒng)內(nèi)傳輸容量的增長，造成部分地區(qū)“拉閘限電”鬧“電荒”。

以河南為例，河南電網(wǎng)是“三華”特高壓同步電網(wǎng)的重要樞紐，但是目前部分220kV電網(wǎng)存在輸送斷面，三門峽、周口地區(qū)尤其突出。

三門峽電網(wǎng)主要擔(dān)負著轄區(qū)“一區(qū)兩市三縣”1萬余平方公里的供電任務(wù)，無論是夏季大負荷方式還是冬季大負荷方式，三門峽電網(wǎng)中 220kV三高線、李高線、ⅠⅡ陜李線等潮流都較重，送電壓力大，在系統(tǒng)“N-1”或“N-2”方式下存在重載、過載現(xiàn)象[1]。

同樣，周口電網(wǎng)受電斷面情況也不容樂觀，供電形勢嚴峻。隨著“外電入豫”，局部地區(qū)220kV電網(wǎng)的輸送斷面問題將更加突出。

因此，針對目前電力供應(yīng)短缺問題，研究如何增加高壓輸電線路的輸送能力，在解決用電高峰及部分線路故障等情況下電力供應(yīng)不足的同時，還能帶來極大的經(jīng)濟效益。

2 增容技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 提高輸電線路容量的電網(wǎng)技術(shù)

該方法主要是研究無損傳輸，確定線路的自然傳輸功率，其對輸送能力的增加提供基本的信息[2]。設(shè)線路兩端電源保持各端口的電壓不變，則當(dāng)輸送容量大于自然功率時，線路中間的電壓值將會降低，線路兩端都將注入無功功率；若輸電功率小于自然功率，線路中間的電壓將升高，兩端都要從線路吸收無功功率。這兩種現(xiàn)象都會隨著輸電距離的增大而愈加嚴重。因此自然功率常用來衡量長距離輸電線路的輸送容量[3]。

2.2 提高輸電線路輸送能力的補償措施

輸電線路的自然功率與其阻抗Z成反比，若減小阻抗Z，則可達到提高線路輸送容量的目的。

2.2.1 串補技術(shù)和可控串補技術(shù)

串補技術(shù)是一項十分成熟的技術(shù)，但傳統(tǒng)串補技術(shù)在帶來經(jīng)濟效益的同時，也帶來了很多的問題，最常見的就是同步諧振問題。

2.2.2 并聯(lián)補償和靈活交流輸電技術(shù)

并聯(lián)補償主要由并聯(lián)電抗器補償、并聯(lián)電容器補償。在增容技術(shù)方面，近年來發(fā)展較快的是動態(tài)無功補償技術(shù)，該技術(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)需要快速調(diào)節(jié)無功、維持母線電壓在額定值附近[3]。

2.3 提高現(xiàn)有輸電線路輸送能力的技術(shù)

目前，國內(nèi)外主要采用靜態(tài)提溫增容技術(shù)和動態(tài)監(jiān)測增容技術(shù)來提高輸電線路的輸送容量。

靜態(tài)提溫增容技術(shù)是指突破現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程的規(guī)定，環(huán)境溫度按40℃考慮，線路上的風(fēng)速和日照強度完全符合規(guī)程要求，將導(dǎo)線的允許溫度由現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定的70℃提高到80℃和90℃，從而提高導(dǎo)線輸送容量[4]。

我國規(guī)程規(guī)定，計算導(dǎo)體允許載流量時，對于導(dǎo)線允許溫度鋼芯鋁絞線、鋼芯鋁合金絞線可采用70℃（大跨越可采用90℃）；環(huán)境氣溫應(yīng)采用最高氣溫月的最高平均氣溫（40℃）；風(fēng)速應(yīng)采用0.5m/s（大跨越可采用0.6m/s）；日照強度應(yīng)采用1000W/m2。但運行經(jīng)驗表明，這種極限值是保守地基于最惡劣的氣象條件下為維持線路對地的安全距離而得出的。實際上，絕大多數(shù)情況下允許輸送容量超出一些并不會造成設(shè)備故障和系統(tǒng)損壞。因此在現(xiàn)有線路設(shè)計的技術(shù)要求下，在不影響線路運行安全和線路使用壽命的情況下，輸電線路有很大的增容空間，但要保障線路在增容的情況下安全運行，就必須實時掌握線路狀態(tài)運行的相關(guān)參數(shù)（導(dǎo)線溫度、環(huán)境溫度、風(fēng)速以及日照強度等），根據(jù)線路運行情況進行及時調(diào)控，確保線路運行安全。

動態(tài)監(jiān)測增容技術(shù)就是在輸電線路上安裝在線監(jiān)測裝置，對導(dǎo)線狀態(tài)（導(dǎo)線溫度、張力、弧垂等）和氣象條件（環(huán)境溫度、日照、風(fēng)速等）進行監(jiān)測，在不突破現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程規(guī)定的前提下，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算出導(dǎo)線的最大允許載流量，充分利用線路客觀存在的隱性容量，提高輸電線路的輸送容量。

動態(tài)增容技術(shù)首先是由國外的一些研究機構(gòu)提出的。美國電科院（EPRI）開發(fā)的線路動態(tài)熱容量監(jiān)測系統(tǒng)（DTCR）是將實時負荷數(shù)據(jù)與氣象資料結(jié)合起來，計算線路動態(tài)負荷，此系統(tǒng)可允許設(shè)備負荷短時超出額定負荷而不會帶來危險[5]。

美國SRP（Salt River Project）公司目前在2條重要輸電線路上使用動態(tài)增容技術(shù)，使線路負荷短時超出它們的固定容量。

加拿大BC水電公司在靠近Vancuover的2條地下電纜上使用了動態(tài)增容技術(shù)，并使其更換電纜的計劃推遲了1年，一次性節(jié)約費用約100萬美元。

近年來，國內(nèi)對輸電線路動態(tài)增容技術(shù)的研究也越來越多，例如上海交通大學(xué)、西安工程大學(xué)、華東電力試驗研究院等高校及科研院所對動態(tài)增容應(yīng)用技術(shù)進行了深入的研究，并在華東電網(wǎng)、浙江等電力公司開展了應(yīng)用。

華東電網(wǎng)公司是早期開展動態(tài)增容實施工作的單位，并于2003年成功地對斗南、斗牌雙線進行了增容，2004年對瓶武、王南雙線進行了增容，2005年對渡牌雙線、瓶風(fēng)、瓶儀、喬涌、喬潮、鳳雙雙線共8線進行增容。線路輸送電流由2.4kA增大至2.8kA，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

在線監(jiān)測裝置研發(fā)應(yīng)用方面，目前應(yīng)用于動態(tài)增容監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測裝置主要有微氣象監(jiān)測、導(dǎo)線溫度監(jiān)測、弧垂監(jiān)測，這三類監(jiān)測裝置近年來在各網(wǎng)省公司輸電線路上都有安裝部署。

2.4 提高輸電線路輸送能力的線路建設(shè)技術(shù)

2.4.1 同塔多回路技術(shù)

采用此種架設(shè)方式不僅可以節(jié)約土地，而且通過對多回路高壓線的組合排列，還可以部分抵消高壓輸電線產(chǎn)生的電場、磁場，減少對環(huán)境的影響。

2.4.2 大截面容量技術(shù)

大截面導(dǎo)線輸電技術(shù)是指超過經(jīng)濟電流密度控制的常規(guī)的最小截面導(dǎo)線，而采用較大截面的導(dǎo)線（如500kv，4*500mm2、4*630mm2、4*800mm2），以成倍提高輸電線路輸送能力的新型輸電技術(shù)。

2.4.3 采用新型導(dǎo)線進行線路增容

目前新型導(dǎo)線主要采用耐熱導(dǎo)線技術(shù)和復(fù)合芯導(dǎo)線技術(shù)，連續(xù)容許載流量為同規(guī)格普通導(dǎo)線的1.5~1.6倍，大大提高了導(dǎo)線的輸送容量。

3 現(xiàn)有技術(shù)存在的問題

靜態(tài)提溫增容技術(shù)：突破了現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程的規(guī)定，我們還須研究提高導(dǎo)線允許溫度對導(dǎo)線、配套金具的機械強度和壽命的影響程度，以及導(dǎo)線溫升引起弧垂增加，對地及交叉跨越空氣間隙距離減小，線路對地及交跨安全裕度的影響程度。

動態(tài)監(jiān)測增容技術(shù)：在不突破現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程規(guī)定的條件下，可保證系統(tǒng)穩(wěn)定和設(shè)備安全運行，因此有很強的實用性。但動態(tài)增容技術(shù)作為新技術(shù)，理論相對缺乏，關(guān)于載流量計算、隱性容量計算、線路躍遷時的暫態(tài)分析、溫度與弧垂之間的關(guān)系等數(shù)學(xué)模型的詳細算法少有論述。

新型增容導(dǎo)線：新型增容導(dǎo)線的材料和結(jié)構(gòu)與ACSR導(dǎo)線存在較大差異，目前缺乏新型增容導(dǎo)線溫升模型參數(shù)的有效計算方法，且缺乏實際運行經(jīng)驗、成本高。

4 動態(tài)增容技術(shù)要解決的關(guān)鍵技術(shù)

動態(tài)監(jiān)測增容技術(shù)無需改變原有線路的結(jié)構(gòu)，不影響電網(wǎng)的安全運行，但需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）針對目前摩爾根載流量計算公式復(fù)雜的問題，建立載流量修正模型，通過理論驗證和現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)驗證，對處于熱平衡條件下的輸電線路數(shù)學(xué)模型可行有效性進行驗證；

（2）線路的躍遷（暫態(tài)運行）問題的研究：在短時負荷場合下考慮線路的躍遷（暫態(tài)運行）問題，根據(jù)熱平衡原理，建立線路躍遷時溫度變化方程式；根據(jù)實際線路的力學(xué)示意圖，計算懸點不等高導(dǎo)線任意點弧垂，建立線路躍遷時弧垂變化方程式；

（3）動態(tài)增容系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計。硬件包括線路監(jiān)測主分機、線路監(jiān)測副分機設(shè)計；軟件包括相關(guān)程序的編寫及現(xiàn)場監(jiān)測信息、線路運行信息的計算、分析、統(tǒng)計等。

5 結(jié)語

動態(tài)監(jiān)測增容技術(shù)可在確保系統(tǒng)穩(wěn)定、設(shè)備安全、不改變線路現(xiàn)行規(guī)程的前提下，通過對線路運行環(huán)境進行實時監(jiān)測和分析，及時對輸電線路的熱穩(wěn)定限額進行調(diào)整，可最大限度地發(fā)揮輸電線路的負載能力，減少輸電設(shè)備的投資，對滿足社會經(jīng)濟快速增長有著積極的作用。

針對目前動態(tài)增容技術(shù)理論不完善的缺點，一方面可從理論仿真與計算方面進一步詳細研究動態(tài)增容系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；另一方面從整個系統(tǒng)設(shè)計方面入手，設(shè)計可行、合理的控制系統(tǒng)，將實測氣象信息帶入數(shù)學(xué)模型，計算實時載流量及最大安全載流量，為實時動態(tài)增容提供指導(dǎo)，對解決電網(wǎng)電力緊缺問題及綠色環(huán)保智能電網(wǎng)建設(shè)有重要意義。