1.特高壓直流輸電線路基本情況介紹

問：直流輸電線路有哪些基本類型?

答：就其基本結(jié)構(gòu)而言，直流輸電線路可分為架空線路、電纜線路以及架空——電纜混合線路三種類型。直流架空線路因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線路造價(jià)低、走廊利用率高、運(yùn)行損耗小、維護(hù)便利以及滿足大容量、長距離輸電要求的特點(diǎn)，在電網(wǎng)建設(shè)中得到越來越多運(yùn)用。因此直流輸電線路通常采用直流架空線路，只有在架空線線路受到限制的場(chǎng)合才考慮采用電纜線路。

問：建設(shè)特高壓直流輸電線路需要研究哪些關(guān)鍵技術(shù)問題?

答：直流架空線路與交流架空線路相比，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算方面，并沒有顯著差別。但在電氣方面，則具有許多不同的特點(diǎn)，需要進(jìn)行專門研究。對(duì)于特高壓直流輸電線路的建設(shè)，尤其需要重視以下三個(gè)方面的研究：

1. 電暈效應(yīng)。直流輸電線路在正常運(yùn)行情況下允許導(dǎo)線發(fā)生一定程度的電暈放電，由此將會(huì)產(chǎn)生電暈損失、電場(chǎng)效應(yīng)、無線電干擾和可聽噪聲等，導(dǎo)致直流輸電的運(yùn)行損耗和環(huán)境影響。特高壓工程由于電壓高，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，其電暈效應(yīng)可能會(huì)比超高壓工程的更大。通過對(duì)特高壓直流電暈特性的研究，合理選擇導(dǎo)線型式和絕緣子串、金具組裝型式，降低電暈效應(yīng)，減少運(yùn)行損耗和對(duì)環(huán)境的影響。

2. 絕緣配合。直流輸電工程的絕緣配合對(duì)工程的投資和運(yùn)行水平有極大影響。由于直流輸電的“靜電吸塵效應(yīng)”，絕緣子的積污和污閃特性與交流的有很大不同，由此引起的污穢放電比交流的更為嚴(yán)重，合理選擇直流線路的絕緣配合對(duì)于提高運(yùn)行水平非常重要。由于特高壓直流輸電在世界上尚屬首例，國內(nèi)外現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究成果十分有限，因此有必要對(duì)特高壓直流輸電的絕緣配合問題進(jìn)行深入的研究。

3. 電磁環(huán)境影響。采用特高壓直流輸電，對(duì)于實(shí)現(xiàn)更大范圍的資源優(yōu)化配置，提高輸電走廊的利用率和保護(hù)環(huán)境，無疑具有十分重要的意義。但與超高壓工程相比，特高壓直流輸電工程具有電壓高、導(dǎo)線大、鐵塔高、單回線路走廊寬等特點(diǎn)，其電磁環(huán)境與±500千伏直流線路的有一定差別，由此帶來的環(huán)境影響必然受到社會(huì)各界的關(guān)注。同時(shí)，特高壓直流工程的電磁環(huán)境與導(dǎo)線型式、架線高度等密切相關(guān)。因此，認(rèn)真研究特高壓直流輸電的電磁環(huán)境影響，對(duì)于工程建設(shè)滿足環(huán)境保護(hù)要求和降低造價(jià)至關(guān)重要。

問：什么是直流的“靜電吸塵效應(yīng)”?

答：在直流電壓下，空氣中的帶電微粒會(huì)受到恒定方向電場(chǎng)力的作用被吸附到絕緣子表面，這就是直流的“靜電吸塵效應(yīng)”。由于它的作用，在相同環(huán)境條件下，直流絕緣子表面積污量可比交流電壓下的大一倍以上。隨著污穢量的不斷增加，絕緣水平隨之下降，在一定天氣條件下就容易發(fā)生絕緣子的污穢閃絡(luò)。因此，由于直流輸電線路的這種技術(shù)特性，與交流輸電線路相比，其外絕緣特性更趨復(fù)雜。

問：直流輸電線路的絕緣配合設(shè)計(jì)要解決哪些問題?

答：直流輸電線路的絕緣配合設(shè)計(jì)就是要解決線路桿塔和檔距中央各種可能的間隙放電，包括導(dǎo)線對(duì)桿塔、導(dǎo)線對(duì)避雷線、導(dǎo)線對(duì)地、以及不同極導(dǎo)線之間的絕緣選擇和相互配合，其具體內(nèi)容是：針對(duì)不同工程和大氣條件等選擇絕緣子型式和確定絕緣子串片數(shù)、確定塔頭空氣間隙、極導(dǎo)線間距等，以滿足直流輸電線路合理的絕緣水平。

問：直流輸電線路的絕緣子片數(shù)是如何確定的?

答：由于直流線路的靜電吸附作用，直流線路的污穢水平要比同樣條件下的交流線路的高，所需的絕緣子片數(shù)也比交流的多，其絕緣水平主要決定于絕緣子串的污穢放電特性。因此，目前在選擇絕緣子片數(shù)時(shí)主要有兩種方法：1.按照絕緣子人工污穢試驗(yàn)采用絕緣子污耐受法，測(cè)量不同鹽密下絕緣子的污閃電壓，從而確定絕緣子的片數(shù)。2. 按照運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)采用爬電比距法，一般地區(qū)直流線路的爬電比距為交流線路的兩倍。兩種方法中，前者直觀，但需要大量的試驗(yàn)和檢測(cè)數(shù)據(jù)，且試驗(yàn)檢測(cè)的結(jié)果分散性大。后者簡(jiǎn)便易行，但性較差。實(shí)際運(yùn)用中，通常將兩者結(jié)合進(jìn)行。

問：如何進(jìn)行特高壓直流輸電線路導(dǎo)線型式的選擇?

答：在特高壓直流輸電工程中，線路導(dǎo)線型式的選擇除了要滿足遠(yuǎn)距離安全傳輸電能外，還必須滿足環(huán)境保護(hù)的要求。其中，線路電磁環(huán)境限值的要求成為導(dǎo)線選擇的最主要因素。同時(shí)，從經(jīng)濟(jì)上講，線路導(dǎo)線型式的選擇還直接關(guān)系到工程建設(shè)投資及運(yùn)行成本。因此特高壓直流導(dǎo)線截面和分裂型式的研究，除了要滿足經(jīng)濟(jì)電流密度和長期允許載流量的要求外，還要在綜合考慮電磁環(huán)境限值以及建設(shè)投資、運(yùn)行損耗的情況下，通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)方式、不同海拔高度下導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)和起暈電壓的計(jì)算研究，以及對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度、離子流密度、可聽噪聲和無線電干擾進(jìn)行分析，從而確定最終的導(dǎo)線分裂型式和子導(dǎo)線截面。對(duì)于±800千伏特高壓直流工程，為了滿足環(huán)境影響限值要求，尤其是可聽噪聲的要求，應(yīng)采用6×720平方毫米及以上的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。

問：如何確定特高壓直流輸電線路的走廊寬度和線路鄰近民房時(shí)的房屋拆遷范圍?

答：特高壓直流輸電線路的走廊寬度主要依據(jù)兩個(gè)因素確定：1. 導(dǎo)線更大風(fēng)偏時(shí)保證電氣間隙的要求;2.滿足電磁環(huán)境指標(biāo)(包括電場(chǎng)強(qiáng)度、離子流密度、無線電干擾和可聽噪聲)限值的要求。根據(jù)線路架設(shè)的特點(diǎn)，在檔距中央影響最為嚴(yán)重。研究表明，對(duì)于特高壓直流工程，線路鄰近民房時(shí)，通過采取拆遷措施，保證工程建成后的電氣間隙和環(huán)境影響滿足規(guī)定的要求。通常工程建設(shè)初期進(jìn)行可行性研究時(shí)就要計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度、離子流密度、無線電干擾和可聽噪聲的指標(biāo)，只有這些指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)定時(shí)，工程才具備核準(zhǔn)條件。

2.交流特高壓電網(wǎng)的過電壓保護(hù)和絕緣配合

問：交流特高壓電網(wǎng)電氣設(shè)備的絕緣有什么特點(diǎn)，其影響因素是什么?

答：現(xiàn)代電網(wǎng)應(yīng)具有安全不間斷的基本功能。實(shí)踐表明，在全部停電事故中，輸電線路和變電站電氣設(shè)備的絕緣閃絡(luò)或擊穿是最主要的原因。因此，為了保證電網(wǎng)具有一個(gè)可接受的可靠性指標(biāo)，科學(xué)合理地選擇電氣裝置的絕緣水平至關(guān)重要。

電氣設(shè)備的絕緣在運(yùn)行中會(huì)受到以下幾種電壓的作用：工作電壓、暫時(shí)過電壓、操作過電壓、雷電過電壓和陡波過電壓。電氣裝置的絕緣強(qiáng)度一般以在上述各種電壓的作用下的放電電壓來表征。

交流特高壓設(shè)備絕緣的主要特點(diǎn)：一是運(yùn)行電壓高。為了降低設(shè)備尺寸和造價(jià)，通過采用大容量高性能的避雷器等措施，降低過電壓水平和設(shè)備試驗(yàn)絕緣水平，運(yùn)行電壓與試驗(yàn)水平的比值同超高壓相比有顯著增加。二是設(shè)備的重要性提高。特高壓線路輸送容量可達(dá)500千瓦，單組變壓器容量為300千瓦，要求設(shè)備具有更高的可靠性。三是設(shè)備尺寸比較大。由于設(shè)備尺寸增大，雜散分布電容和局部發(fā)熱等因素對(duì)絕緣的長期穩(wěn)定運(yùn)行形成威脅。

特高壓輸電線路的絕緣可以分為兩類：一類是導(dǎo)線與桿塔或大地之間的空氣間隙，另一類則是絕緣子。由于電壓等級(jí)的提高，特高壓輸電工程對(duì)絕緣子提出了更高的要求，如高機(jī)械強(qiáng)度、防污閃、提高過電壓耐受能力和降低無線電干擾等。

問：什么是內(nèi)部過電壓?交流特高壓電網(wǎng)的內(nèi)部過電壓與超高壓電網(wǎng)相比，有哪些相同點(diǎn)和不同點(diǎn)?

答：內(nèi)部過電壓是由于電力系統(tǒng)故障，或開關(guān)操作而引起的電網(wǎng)中能量的轉(zhuǎn)化，從而造成瞬時(shí)或持續(xù)高于電網(wǎng)額定允許電壓，并對(duì)電氣裝置可能造成威脅的電壓升高。內(nèi)部過電壓分為操作過電壓和暫時(shí)過電壓兩大類，其中在故障或操作時(shí)瞬間發(fā)生的稱為操作過電壓，其持續(xù)時(shí)間一般在幾十毫秒之內(nèi);在暫態(tài)過渡過程結(jié)束以后出現(xiàn)的，持續(xù)時(shí)間大于0.1秒甚至數(shù)小時(shí)的持續(xù)性過電壓稱為暫時(shí)過電壓。暫時(shí)過電壓又可以分為工頻過電壓和諧振過電壓。

另外，在GIS變電站中，由于隔離刀閘操作，會(huì)產(chǎn)生波頭很陡、頻率很高的操作過電壓，其頻率達(dá)數(shù)百千周至幾十兆周，稱之為快速暫態(tài)過電壓(VFTO)。VFTO可能威脅到GIS及其相鄰設(shè)備的安全，特別是變壓器匝間絕緣的安全，也可能引發(fā)變壓器內(nèi)部的高頻振蕩。

特高壓電網(wǎng)的過電壓?jiǎn)栴}與超高壓電網(wǎng)相比有相似之處，但由于特高壓系統(tǒng)線路輸送容量大、距離可能更長，而自身的無功功率很大，每100公里的1000千伏線路無功功率可達(dá)530兆乏左右，使得在甩負(fù)荷時(shí)可能導(dǎo)致嚴(yán)重的暫時(shí)過電壓;在正常運(yùn)行負(fù)荷變化時(shí)將給無功調(diào)節(jié)、電壓控制以及故障時(shí)單相重合閘潛供電流熄滅等造成一系列困難。同時(shí)高電壓長空氣絕緣的飽和、高海拔和電氣設(shè)備制造等方面的因素，給過電壓限制提出更高的要求。

問：交流特高壓電網(wǎng)的雷電過電壓有什么特點(diǎn)?有什么保護(hù)措施?

答：交流特高壓電網(wǎng)的雷電過電壓及其防護(hù)可以分為線路和變電站兩個(gè)方面。線路的雷電過電壓防護(hù)包括繞擊和反擊防護(hù)，變電站的雷電過電壓防護(hù)包括直擊雷和侵入波的防護(hù)。

1. 特高壓線路的雷電過電壓防護(hù)

由于特高壓輸電線路桿塔高度高，導(dǎo)線上工作電壓幅值很大，比較容易從導(dǎo)線上產(chǎn)生向上先導(dǎo)，相當(dāng)于導(dǎo)線向上伸出的導(dǎo)電棒，從而引起避雷線屏蔽性能變差。這一點(diǎn)不但可從電氣幾何理論上得到解釋，運(yùn)行情況也提供了佐證。前蘇聯(lián)的特高壓架空輸電線路運(yùn)行期間內(nèi)曾多次發(fā)生雷擊跳閘，基本原因是在耐張轉(zhuǎn)角塔處雷電繞擊導(dǎo)線。日本特高壓架空輸電線路在降壓運(yùn)行期間雷擊跳閘率也很高，據(jù)分析是線路遭到側(cè)面雷擊引起了絕緣子閃絡(luò)。

理論分析和運(yùn)行情況均表明，特高壓輸電線路雷擊跳閘的主要原因是避雷線屏蔽失效，雷電繞擊導(dǎo)線造成的。因此采用良好的避雷線屏蔽設(shè)計(jì)，是提高特高壓輸電線路耐雷性能的主要措施。同時(shí)還應(yīng)該考慮到特高壓輸電線路導(dǎo)線上工作電壓對(duì)避雷線屏蔽的影響。對(duì)于山區(qū)，因地形影響(山坡、峽谷)，避雷線的保護(hù)可能需要取負(fù)保護(hù)角。

2. 特高壓變電站的雷電過電壓保護(hù)

根據(jù)我國110～500千伏變電站多年來的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，如果特高壓變電站采用敝開式高壓配電裝置，可直接在變電站構(gòu)架上安裝避雷針或避雷線作為直擊雷保護(hù)裝置;如果采用半封閉組合電器(HGIS)或全封閉組合電器(GIS)，進(jìn)出線套管需設(shè)直擊雷保護(hù)裝置，而GIS本身僅將其外殼接至變電站接地網(wǎng)即可。

與超高壓變電站一樣，特高壓變電站電氣設(shè)備也需考慮由架空輸電線路傳入的雷電侵入波過電壓的保護(hù)，其根本措施在于在變電站內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置避雷器。由于限制線路上操作過電壓的要求，在變電站出線斷路器的線路側(cè)和變壓器回路均需要安裝避雷器。至于變電站母線上是否要安裝避雷器，以及各避雷器距被保護(hù)設(shè)備的距離，則需通過數(shù)字仿真計(jì)算予以確定。

問：交流特高壓電網(wǎng)絕緣配合的特點(diǎn)是什么?與超高壓電網(wǎng)有什么區(qū)別?

答：絕緣配合技術(shù)是考慮運(yùn)行環(huán)境和過電壓保護(hù)裝置特性的基礎(chǔ)上，科學(xué)合理地選擇電網(wǎng)中電氣裝置的絕緣水平。在此過程中，權(quán)衡設(shè)備造價(jià)、維修費(fèi)用和故障損失，力求用合理的成本獲得較好的經(jīng)濟(jì)利益。

交流特高壓電網(wǎng)中，由于空氣間隙的放電電壓在操作過電壓下呈現(xiàn)飽和特性，從而使得電網(wǎng)中電氣設(shè)備的絕緣占據(jù)電網(wǎng)設(shè)備總投資的份額愈來愈大;同時(shí)由于特高壓電網(wǎng)輸送容量巨大，絕緣故障的后果將非常嚴(yán)重，因此在特高壓電網(wǎng)中絕緣配合問題更值得關(guān)注，在特高壓的絕緣配合研究中需采用更的方法。例如對(duì)于操作過電壓作用下空氣間隙的選擇，宜采用長操作波頭(1000微秒)的試驗(yàn)情況替代以往超高壓電網(wǎng)線路絕緣配合時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)操作波形(250微秒)。