紧凑型输电技术应用于交流半波长输电初探

通过分析半波长输电技术与紧凑型输电技术的研究现状及其优缺点，结合远距离传输、提升输送容量和电网稳定性与可靠性的需求，开展了紧凑型输电技术应用于半波长输电的探讨研究；并依据特定的边界条件，以及研究得到的满足电磁环境要求的相地距离、相间距离、绝缘配置、对地距离、自然功率等参数，设计了适用于交流半波长输电技术的紧凑型直线塔单线图，可为交流半波长输电技术的实现提供参考。引言随着全球能源需求的不断增加、传统能源的枯竭以及对于环境问题的持续关注，世界各国已针对具备泛在互联、低碳高效、供需互动等优点的能源互联网开展研究。基于此，建设以特高压电网为骨干网架、以输送清洁能源为主导，全球互联泛在的坚强智能电网迫在眉睫，全球能源互联网的概念也应运而生。为满足建设全球能源互联网的需求，发展大容量、远距离的输电技术势在必行。交流输电与直流输电相比，具有输送方式较灵活、经济性较高、技术较成熟、环境影响较小等优势；而直流输电在降低损耗、降低故障率以及提高系统稳定性等方面表现更优。目前，直流输电是远距离输电的主要方式，已经核准的准东-华东（皖南）±1 100kV特高压直流输电工程的输电距离达到3 000km以上。但是，直流输电的造价昂贵，且闭锁问题不能得到很好的解决。因此，有必要开展新型输电技术研究，实现更经济的远距离输电方式。交流半波长输电的概念由苏联专家于20世纪40

年代提出，相比传统的交流输电方式，其具有中途无需加设开关站、无需线路无功补偿装置、电压稳定性好、输电能力强、经济性好等优点，更适合进行同步联网；但其输送容量较直流输电略低，且电晕损耗较高。为解决此问题，可采用交流特高压紧凑型输电技术，通过增大导线分裂数与线路的波阻抗，减少线路的电晕损失，并可提高自然输送功率，压缩线路走廊。目前，国内外尚未开展将半波长输电与交流特高压紧凑型输电技术相结合的相关研究。本文首先介绍了半波长输电与紧凑型输电技术的研究现状及其优缺点；分析了两者之间的区别与联系；针对交流特高压紧凑型输电技术应用于半波长输电提出了应用设想，并展示了初步研究成果，为后续研究奠定了基础。半波长输电技术研究现状交流半波长输电技术是指输电的电气距离接近一个工频半波的超远距离（3 000km）的三相交流输电技术，最早由苏联专家于20世纪40年代提出，而后国内外学者对其进行了大量研究。指出在实际运行中，对于线路长度未达到半波长的，可通过串联电感或并联电容调节波阻抗，从而实现人工调谐；对半波长输电的系统运维控制技术进行了研究，认为可通过其与柔性交流输电技术（FACTS）结合，实现更优的控制；对半波长输电的潜供电流进行了实验模拟，指出潜供电弧畸变电流较大，且架空线风力对其影响也较大；对半波长输电的沿线供电进行了研究，提出可采用常规变供电技术、绝缘避雷线抽能供电、抽能电抗器、与输电线路平行架设的抽能导线、采用交流接口进行有源滤波等方式；分别指出半波长输电在足够长的输电距离和一定输电容量下，其经济性优于特高压直流输电技术，可靠性稍高于特高压直流输电技术。但目前半波长输电仍处于理论研究阶段，没有实际线路投运。半波长输电具有以下优势：（1）提升输送距离。由于半波长有效输电距离为3 000km左右，弥补了传统交流输电方式在输送距离上的缺陷，并且节约了两端换流站投资，使交流输电具备了与直流输电竞争的可能性，为全球能源互联网的发展提供了技术支撑。（2）提高电网的稳定性与可靠性。半波长输电采用点对点或点对网的输电方式，由于首末两端电压幅值相同，相位相差180°，大大缩短了电气距离，且无需无功补偿装置。通过半波长输电技术，可使得远距离的电网同步互联，大大提升电网的抗干扰能力，提高电网的稳定性与可靠性。同时，半波长输电技术也具有常规交流输电的缺点，例如：相同的边界条件下，输送容量逊于直流输电；走廊需求较大；沿线潜供电流与过电压的抑制尚缺乏深入研究等。因此，若将半波长输电应用于工程中，一方面须继续深入研究其特性，另一方面可考虑与其他手段相结合，以发挥其优势，规避劣势。 紧凑型输电技术研究现状紧凑型输电是指将三相导线进行优化排列，使其置于同一塔窗，且导线间无接地构建，从而可节约线路走廊并提高走廊的单位输电容量。世界各国对于紧凑型输电展开了大量研究并已投入实际运用，美国、巴西等国家在20世纪80年代即建成了500kV紧凑型线路，我国于20世纪90年代开始建设，1994年、1999

年分别建成了国内首条220、500kV紧凑型输电线路，目前有220、330、500kV单双回的紧凑型工程正在运行。750kV和1 000kV单、双回紧凑型输电技术尚处于理论研究阶段，我国第一条500kV同塔双回紧凑型输电线路直线塔见图1。图1我国第一条500kV同塔双回紧凑型输电线路直线塔紧凑型输电具有以下优势：（1）提高输送功率。同一杆塔布置的多回线路使得线路之间距离更小，线路的感抗降低，容抗升高，可增加线路的自然功率，可提升线路的输送能力。（2）节约线路走廊。通过适当的导线选型，实现线路的紧凑型布置，可节约线路走廊，减少土地占用面积，使土地使用成本下降，降低工程造价，可克服交流输电相对于直流输电线路走廊占地大的缺点。目前，针对紧凑型输电存在的主要问题包括输电线路舞动、绝缘、电磁环境（无线电干扰和噪声）、带电作业等。随着电压等级升高，尤其是750、1 000kV电压等级下线路的电磁环境更为复杂，且由于其导线分裂数增加，导线舞动可能性更大，需通过选址改善线路的气象环境减少舞动发生频率，或通过安装相间间隔棒等方式减少舞动引起的相间距离改变及对输电带来的不利影响。紧凑型输电技术应用于半波长输电的可行性分析3.1 两者的区别与联系由前文分析可知，半波长输电技术与紧凑型输电技术之间存在互相结合、优势互补之处，如图2所示。图2

可见，紧凑型输电技术存在与半波长输电技术结合运用的可能性，将两者有效结合，有望实现远距离、大容量的交流输电方式。3.2 应用设想由于紧凑型输电的防舞性能有待提高，因此今后的半波长输电应灵活使用紧凑型输电技术。例如，在低风速、轻冰区等工况下，运用紧凑型输电方式，可以节约走廊，在一定程度上减小投资。根据前期调研与论证，应用设想如图3所示。

图3

应用设想拟分为5个步骤进行研究：（1）确定系统的边界条件。1）输送功率范围暂定：6 600–7 200MW，不超过自然功率的1.2倍。2）工作电压范围暂定：1 100–

1 260kV。3）操作过电压暂按不超过1 527kV考虑（考虑线路安装避雷器）。4）相间过电压：2.8p.u、3.0p.u.。5）选取不同分裂数及截面的导线进行比选研究：10×630mm2，10×720mm2，10×800mm2；12×500mm2，12×630mm2，12×720mm2，12×800mm2。（2）电磁环境与外绝缘研究。依据系统边界条件，进行不同输入条件下的绝缘配置、空气间隙、对地距离、电磁环境控制的相间距离及自然功率等参数研究（导线采用等边倒三角布置），得到不同输入条件下的参数特性曲线。（3）塔头布置方案研究。依据参数特性曲线，研究不同输入条件下的单、双回路紧凑型线路导线在同一塔窗、不同塔窗、垂直布置、水平布置等的可能方式，从工程技术角度分析紧凑型塔头的合理型式。（4）铁塔设计研究。研究紧凑型铁塔塔头几何尺寸、瓶口隔面、塔身坡度以及节间布置等，同时分析角钢、钢管、复合材料、高强钢等不同材料应用于铁塔结构的可行性，提出合适的结构布置型式和材料选择建议。（5）经济性评价。对比分析相同边界条件下，交流半波长输电线路与特高压交流常规型输电线路、±1 100kV直流输电线路的本体造价与走廊拆迁等工程量，评估半波长输电技术工程应用的经济性。为实现交流半波长输电技术提供建议。3.3 初步研究结论以单回交流特高压紧凑型塔头布置为例，采用前文所述的边界条件（导线采用等边倒三角布置，风速为30m/s），经计算，可得到如下结论：（1）电压1 100kV下，在下相导线最低高度20m（即平均高度27m）以上电场可以控制在10kV/m以下，满足电磁环境控制指标要求的导线结构和最小相间距离如表1所示。（2）单回交流特高压紧凑型等边倒三角布置，电压1260kV时，在下相导线最低高度23m以上电场可以控制在10kV/m以下，10×500mm2、10×630mm2、10×720mm2

在相间距离小于或等于18m时电磁环境无法满足控制值要求。剩下的几种导线结构满足电磁环境控制指标要求的最小相间距离和自然功率如表2所示。（3）相地放电电压要求值及间隙配置结果如表3所示。（4）根据特高压10分裂导线1000us相间试验，相间放电电压要求值及间隙配置结果如表4所示（以海拔1000m为例）。（5）复合绝缘子串长配置结果如表5所示。（6）根据上述结论，可设计得到不同工况下的单回交流特高压紧凑型铁塔单线图。以风速为

30m/s、呼高为54m的直线塔为例，其单线图如图4所示（工作电压1 260kV，导线选择12

×630mm2，分裂间距400mm，复合串长9m，小弧垂0.6m，双联双挂点550kN）。图4单回紧凑型铁塔单线图可见，设计的杆塔结构美观，受力合理，具备应用的可行性。但是，杆塔仅通过了理论计算，后期尚需在明确适合工程实际应用的边界条件基础上进行试验验证。结论与展望4.1 结论（1）本文介绍了半波长输电与紧凑型输电技术的研究现状，论证了其优缺点，提出交流特高压紧凑型输电技术应用于半波长输电的设想。（2）论证了交流特高压紧凑型输电技术应用于半波长输电的可行性，并提出研究工作的技术路线。（3）以特定的边界条件为例，根据研究得到的满足电磁环境要求的相地距离、相间距离、绝缘配