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安徽高压设计：特高压直流输电线路工程的设计特点
发布时间：2023年04月17日 来源：天科电力 浏览次数：1、什么是特高压
更大输送容量和更长输电距离的需求，促进了输电技术的不断进步，使得更高电压等级的电网不断得到发展。通常我们把10kV至220kV电压等级的线路叫高压线路，把330ｋV至750kV的输电线路叫超高压（包括±500kV直流输电工程），国际上习惯把交流1000kV及以上和直流±800kV（±750ｋV）及以上叫做特高压输电技术。
电网电压等级越高，技术要求越高。因此输电网电压的高低，标志着电网的容量规模、覆盖供电区域和输电平均距离的大小和输电技术水平的高低。
2、直流输电工程特点
2.1 直流输电优点
（1）线路走廊小，杆塔结构简单，线路造价低，损耗小。与交流相比，输送同样的功率，直流架空线路可节省1/3的导线，1/3~1/2的钢材，损耗为交流的2/3，线路走廊较窄。直流不存在电容电流，沿线电压分布均匀，不需装设并联电抗器。
（2）直流电缆线路输送容量大、造价低、损耗小，不易老化、寿命长，输送距离不受限制。电缆耐受直流电压的能力比耐受交流电压高3倍以上，因此同样绝缘厚度和芯线截面的电缆，用于直流输电比交流输送容量大许多。直流电缆只需一根（单级）或两根（双级），而交流则需三根，因而造价低。直流电缆不像交流电缆存在交流电容，因而输送距离不受限制，有利于远距离送电。
（3）直流输电不存在交流输电的稳定问题，有利于远距离大容量送电。交流线路存在静态稳定输送极限。随着距离的增加，交流允许的输送功率将减小。为增加输送功率必须采取提高稳定的措施，如增设串联电容补偿，增加输电线路回路数，送端系统快速切机、强行励磁等。这将使投资增加。而直流输电无须两端系统同步运行，不存在同步运行的稳定问题，输送容量和距离不受限制。
（4）采用直流输电可实现非同步电力系统间的联网。被连接的电网可以是不同额定频率的电网，也可以是频率相同但不同相位运行的电网。被联电网可保持自己的电能质量（如频率、电压）而独立运行，被联电网之间交换的功率可快速方便的进行控制，有利于运行和管理。
（5）在双级直流输电系统中，通常大地回路作为备用导线，使双级系统相当于两个可独立运行的单级系统运行。当一级故障时可自动转为单级系统运行，提高了系统的运行可靠性。
（6）直流输电可方便地进行分期建设和增容扩建，有利于发挥投资效益。双级直流工程可按极分期建设，先建一极单极运行，后再建另一极。
（7）直流输电输送的有功功率和换流器消耗的无功功率均可由控制系统进行控制，可利用这种快速可控性来改善交流系统的运行特性。有利于电网的经济运行和现代化管理。
2.2 直流输电缺点
（1）直流换流站比交流变电所的造价要高许多。换流站设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运行费用高。通常交流变电所的主要设备是变压器和断路器，而换流站还有换流器、平波电抗器、交流滤波器、直流滤波器、无功补偿设备以及各种类型的交流和直流避雷器。由于设备多，损耗和运行费用相应增加，运行和维护也较复杂。
（2）占地面积大，可靠性相对较差。由于换流站设备多，因而占地面积大，同时可靠性因设备多而降低了。
（3）晶闸管换流器进行换流时消耗大量的无功功率，每个换流站均需装无功补偿设备。当换流站接于弱交流系统时，为提高系统动态电压的稳定性和改善换相条件，有时还需装设同步调相机或静止无功补偿装置。
（4）直流利用大地（或海水）为回路会带来一些技术问题。如接地极附近入地直流电流对金属构件、地下管道、电缆的埋设物的电腐蚀问题；地中直流电流流过中性点接地变压器使变压器饱和引起的问题；对通信系统干扰问题。
（5）直流断路器由于没有电流过零点可以利用，灭弧问题难以解决，给制造带来困难，使多端直流输电工程发展缓慢。
3、国内外直流输电工程概况
3.1 我国直流输电工程
我国从20世纪80年代开始建设直流输电工程，到现在共有8项直流工程投入运行，一项正在施工，多项正在设计。到目前为止，我国已投入运行的±500kV直流线路总长约4705km，输送容量达12000MW。
（以上资料较老，具小编不完全统计至2018年我国已投入运行的±500kV直流线路总长约15123km；±660kV直流线路总长约1334km，±800kV直流线路总长约22785km；今年投运的±800kV直流线路总长约3304.7km。）
3.1 我国直流输电工程
我国从20世纪80年代开始建设直流输电工程，到现在共有8项直流工程投入运行，一项正在施工，多项正在设计。到目前为止，我国已投入运行的±500kV直流线路总长约4705km，输送容量达12000MW。
（以上资料较老，具小编不完全统计至2018年我国已投入运行的±500kV直流线路总长约15123km；±660kV直流线路总长约1334km，±800kV直流线路总长约22785km；今年投运的±800kV直流线路总长约3304.7km。）
(1) 舟山直流输电工程
我国依靠自己力量建设的中国第一项直流工程，联接浙江宁波和舟山，线路全长54km（12km海缆，42km架空线），单极100kV，50MW。87年试运行，89年正式商业运行。
（2）葛洲坝-上海直流工程
华中华东第一回直流联网工程，西起葛洲坝换流站，东至上海南桥换流站，线路全长1045km，±500kV，1200MW。85年开工建设，89年单极投运，90年双极商业运行。
（3）天生桥-广州直流输电工程
该工程是西电东送的一部分，和天广交流工程形成交直流并联的的输电系统，西起天生桥水电站附近的马窝换流站，东至广州的北郊换流站，全长960km，±500kV，1800MW。2000年12月单极投运，2001年6月双极商业运行。
（4）三峡-常州直流输电工程
三常直流是三峡电力送华东、华中与华东联网的第二条直流线路，西起宜昌龙泉换流站，东至常州政平换流站，线路全长860km，±500kV，3000MW。2002年12月单极投运，2003年6月双极投产。
（5）三峡-广东直流输电工程
本工程是三峡电力送广东、华中与华南联网的第一回直流工程，北起湖北荆州换流站，南至广东惠州换流站，线路全长960km，±500kV，3000MW。2004年2月单极投运，2004年6月双极投产。
（6）贵州-广东直流输电工程
西电东送重点工程，西起贵州安顺换流站，东至广东肇庆换流站，线路全长880km，±500kV，3000MW。2004年7月单极投运，2004年9月双极投产。
（7）灵宝背靠背直流工程
华中与西北电网非同步联网的第一步，120kV，3000A，360MW。2005年3月投产，全部采用国产设备。
（8）三峡-上海直流工程
三峡送电华东、华中与华东联网的第三回直流工程，西起宜都蔡家冲换流站，东至上海白鹤换流站，线路全长约1075km，±500kV，3000MW。2004年12月开工建设，计划2006年底建成。
具小编不完全统计，国家电网±800kV及以上直流线路已投运线路约10条，小编找时间根据公开资料整理分享各特高压概况。
3.2 世界各国直流输电工程
4、为什么要发展特高压输变电工程
4.1 用电负荷增长的需要
2004年全国用电量是1981年的7倍，年平均增长8.9倍。根据预测，2005～2020年中国用电需求仍将保持较高的增长率。按照新的更高输电电压等级引入的一般规律，当电网内用电增长达到现有输电网电压等级引入时的4倍以上时，开始建设更高电压等级的输电工程是经济合理的。
4.2 现有电网不能满足持续发展的电力输送、效率和安全的要求
目前我国同等电压输电线路输电能力与国外相比是较低的。随着地区负荷密度的增加，输电容量的要求越来越大，若继续采用500kV交流和直流输电为主的点对点进行大容量输电，不但电网线损率增加，而且输电线路密度将增加，有些地区将很难选择合适的线路走廊和变电站站址。同时500kV的短路电流水平将进一步增加。
4.3 超大容量、超远距离输电、全国联网以及输电走廊、环保的需要
根据预测，西电东送、南北互供的输电容量在未来的15年将超过200GW，平均大容量输电距离将超过500km，西南水电送华东的距离甚至超过2000km。
现有电压等级电网输送能力不能满足大范围电力资源优化配置和电力市场的要求，很多地方输电走廊限制了输电线路的建设。以金沙江梯级水电站送出工程为例，采用±800kV直流与采用±600kV直流相比，输电线路可以从10回减少到6回，节省输电走廊占地约300km2。
5、国外特高压直流线路研究和建设情况
从20世纪70年代初期开始，美国、前苏联、巴西、加拿大、南非等国考虑到特大容量、超远距离输电的潜在需求，在进行特高压交流输电研究的同时，也启动了特高压直流输电的研究工作。CIGRE、IEEE、美国EPRI、巴西CEPEL、加拿大IREQ、瑞典ABB等科研机构和制造厂商，在特高压直流输电关键技术研究、系统分析、环境影响研究、绝缘特性研究和工程可行性研究等方面，开展了大量卓有成效的工作。结果表明：
（1）当输电距离为1000～3000km、输送容量较大时，的距离输送大量的电力，从经济和环境等角度考虑，高于±600kV的特高压直流是优选的输电方式。
（2）±800kV直流输电系统的设计、建设和运行在技术上是完成可行的，但应开展一些工程研究以进一步优化系统的性能和经济指标。
（3）目前看来，发展±1200kV直流输电系统是不切实际的，即便将来通过大量深入细致的研究工作会有更好的设计，但仍然需要有重大突破，才可能进行较为经济的设计，前景难以预测。
多年来，国际工业界和学术界对特高压直流输电技术的研究一直没有中断，主要工作集中在±800kV电压等级。超高压直流输电技术的成熟与完善为±800kV特高压直流的发展奠定了坚实的理论和实践基础。交流输电技术的快速发展也大大促进了特高压直流的研究进展。交流特高压的知识和经验尽管不能直接照搬，但可在特高压直流研发过程中充分借鉴。在电晕、无线电干扰和可听噪声等方面也不存在难以克服的技术障碍。总体上看，±800kV特高压直流输电技术已经具备工程应用的基本条件，目前已经可以制造出±800kV直流所需的所有设备，±800kV直流输电技术用于实际工程是完全可行的。
前苏联于1978年确定建设埃基巴斯图兹－唐波夫±750kV、6000MW、2414km直流输电工程，围绕该工程的建设，进行了大量的试验研究和设备研制工作。该工程1980年开始建设，后因政治、经济等方面原因停建。停建时两端换流站完成了大部分土建及设备安装工作，直流线路建成了1090km（全线的45％）。该工程的实施有力地支撑了±800kV级特高压直流输电技术可行、实施可行的判据。
6、输电线路设计的基本思路以及我国特高压输电设计研究方式
首先是要选择一条可行的、经济的、合理的路径；第二是要确定适当的设计风速和设计冰厚，设计风速和设计冰厚与输电线路的可靠性与经济性密切相关，设计风速越大、设计冰厚越厚，线路的安全可靠性越高，但是投资也会相应增加；第三是根据输送容量、环境要求、海拔高度等确定导线截面和导线结构形式；第四是根据沿线的污秽情况确定合理的绝缘配合原则；第五是沿线地形、地貌进行杆塔规划和杆塔选型；第六是根据沿线地形、地貌选择合理的基础形式，最后确定输电线路的工程量和造价水平。这个设计程序对常规工程是合适的，但是对于特高压输电线路工程，这几个步骤实际上是同时在进行，互相补充，互相完善。比如，我们事先不知道走廊宽度就不可能正确的选择路径，而要知道特高压输电线路的走廊宽度，就要事先对特高压输电线路的电场、磁场、无线电干扰、可听噪声等进行研究。国外在进行特高压输电线路研究时，往往是先架设一条试验线段，通过试验线段获得各种实测数据，在经过大量的分析研究的基础上提出主要技术原则用于指导工程设计。我们这次采用的方法是借鉴国外的研究成果，针对我国的实际情况，在设计初步研究的基础上先假设一些技术条件，为室外工作创造条件，也就是室外选线、室内设计、设计研究和科研项目同时进行，科研项目和设计研究的成果随时调整和修正设计参数并及时反映到室外工作中去，这样就可以大大加快我们的特高压示范工程的设计进度。当然，为了更好的验证我们的设计成果，国家电网公司也正在加快特高压试验基地的建设。
7、特高压直流输电线路设计的重点和难点
和±500kV直流输电线路比较，我们开展特高压输电线路的设计和研究，要解决两个问题：一个是可行性问题，这个问题在国外长期、大量实验研究中已基本解决，我们这次研究的重点是借鉴国外的研究成果，结合我国的实际情况，对可行性进一步论证，提出符合我国国情的相应技术标准；第二个是经济性问题，也就是搞特高压工程要花多少钱的问题，我们刚才说过，特高压输电可以大大提高单位走廊的输送容量，有很好的经济性，但是，如果建设特高压工程要花很高的投资，这对特高压输电的经济性是有影响的，会影响到国家经济主管部门的决策，因此对特高压输变电工程的投资要有一个可行的、合理的估量。
要解决好可行性和经济性这两个问题，需要重点研究解决的课题有：特高压输电线路的绝缘配合研究；特高压输电线路的电磁环境研究；特高压输电线路的导线选型研究；特高压输电线路杆塔及荷载研究等。
8、特高压直流线路外绝缘水平
特高压直流线路外绝缘水平是直流线路设计的一个核心问题，采取什么样的外绝缘水平？采用多大的塔头尺寸？主要取决于直流线路的额定工作电压、操作过电压和雷电过电压，绝缘子串长的确定是塔头尺寸和塔头结构设计的基础，直接影响线路工程造价和运行可靠性。对于±800kV特高压直流线路，由于运行电压的提高，绝缘子片数的确定主要取决于正常工作电压，操作过电压、雷电过电压已不起控制作用。绝缘子的选型、绝缘强度设计以及各种空气间隙的确定是特高压直流线路研究的核心问题之一。
通过前一阶段对金沙江送电华中、华东直流工程的科研和设计研究，不同海拔地区及重冰区绝缘子片数和空气间隙的数值有了一个初步的结论。
不同污区绝缘子片数配置
（注：±500kV直流线路在轻、中、重污区绝缘子片数（210kN级）分别为40、47、54片）
空气间隙取值（m）
9、特高压直流线路的电磁环境研究
一般来说输电线路对走廊附近的电磁影响有以下几种：线路走廊下的电场强度、线路走廊下的磁场强度、线路的无线电干扰、线路走廊附近的可听噪声以及生态效应等，这个问题是一个比较敏感的问题，也是公众比较关心的问题，在某种程度上来说是关系到特高压工程可行还是不可行的问题，是我们搞特高压研究的重点工作之一。对于500kV交流和直流线路的电磁环境影响，经过大量研究和工程实践，超高压输电线路对周围环境的影响主要表现在电场强度上，电场强度对人体影响的最直接的表现方式就是静电感应，在特定的环境和天气条件下可能会出现暂态电击现象，其它技术指标不是控制条件，国内外通过大量的实测数据表明了超高压输电线路对人类的生态影响是可以控制在很小的范围以内，不会影响人类的正常生活和身体健康。
对于特高压输电线路工程，从一开始国外就开展了大量研究，大量的科学证据证明：特高压输电线路的电场对人类的健康不会造成明显的有害影响，对这一问题的研究和实验目前还在继续进行，我国也将对特高压输电线路对人类的健康影响进行深入的研究。实际上不仅仅是输电线路对人体有电磁场的影响，我们平时经常接触到的手机、家用电器等对人体也有电磁影响问题，只要我们将这种影响减少到安全范围以内，并不妨碍我们采用这些先进的科学技术。
对于特高压直流线路来说，除了电场强度（合成场强）这个控制指标以外，由于电压的升高，可听噪声明显增加，如何降低走廊附近的可听噪声成为特高压输电线路的重要课题。一般来说我们要减小走廊下的场强，可以提高导线的对地距离，要减少走廊附近的可听噪声，可以加大导线截面，这两项措施都会增大特高压线路的工程造价。因此，选择适当的地面场强限制和可听噪声标准非常重要，这可以使得特高压输电线路既满足环境保护的要求，同时又避免过大的建设投资。
通过大量的研究，并结合国外的经验，我们推荐了特高压直流线路电磁环境的综合指标：
地面合成场强限值：非居民区，30kV/m；居民区，25kV/m。
走廊房屋拆迁合成场强限值：15kV/m（50％测量值）。
直流磁场强度限值：ICNIRP（国际非电离辐射防护委员会）导则规定一般公众的磁场暴露参照水平为40mT，我国正在编制中的“高压直流输电工程电磁环境影响评价技术规范”，取ICNIRP的暴露参照水平1/4作为磁场评价标准为10mT。通过计算，特高压直流线下的磁场水平（不到50μT）远远低于ICNIRP和中国规范的磁场暴露参照水平，因此，直流线路可不考虑磁场影响问题。
可听噪声：我国±500kV直流线路的可听噪声在线路设计中不是控制因素，但随着电压水平的增加，可听噪声水平有所增加。直流输电线路的可听噪声在下雨时较晴天反而有所减小，下雪天的噪声与晴天差别不大。在一年内，晴天数目比雨天多，而且晴天的背景噪声比雨天小，电晕噪声的影响显著，因此晴天的可听噪声是设计直流线路时首先要考虑的条件。现有研究建议特高压直流线路一般地区的可听噪声限值为边导线外投影20m处夏季好天气50％值不超过45dBA，换算到年出现概率值为5％的可听噪声值为51dB(A)(L5=L50+6)，低于现行交流线路限值（55dB（A））。高海拔、人烟稀少地区高压直流线路可听噪声限值可适当放宽为边导线投影外20m处夏季好天气50％值不超过50dBA。
无线电干扰值：特高压交流无线电干扰限值不超过55-58db，与我国第一条750kV线路相当。直流电晕与交流电晕产生的无线电干扰具有相似的特性，过去我国±500kV直流线路的无线电干扰允许值一直参照500kV交流线路的标准执行。事实上直流线路的RI（无线电干扰）生理干扰要小于交流的，故国外的直流线路允许RI电平较交流高2~3dB。我国特高压直流线路0.5MHz、距边导线对地投影20m处的无线电干扰限值可推荐为在80%时间、具有80%的置信度为58～60dB。
根据特高压直流电磁环境限值指标的研究结果，直流导线最小对地距离为：
一般地区（非居民区）：18m（±500kV， 11.5m）
人口比较密集的地区（居民区）：22m（±500kV， 16m）
走廊宽度：V型串，约80m；I型串，约90m
（±500kV分别为51m和54m）
10、导线选型及分裂型式研究
一般情况下，在导线选型时，应按允许载流量选择，与本线路允许的最大输送容量相配合，然后还应进行线路电晕特性参数的校核。电晕特性参数包括电晕损失、无线电干扰、电视干扰、电场效应和可听噪声等环境影响参数，最后还要通过综合技术经济比较确定。
导线分裂结构主要由导线的电晕特性和其对导线本身机械特性（包括振动、舞动、覆冰）、金具及杆塔的影响来确定。
对于金沙江、锦屏水电站送电华中华东工程来讲，由于局部地段海拔较高（最高达3200m）），导线选型时还应考虑高海拔的影响。
在特高压直流工程导线比选时（输送容量按6400MW），共考虑了16种导线结构型式，分裂根数从4分裂到8分裂，计算了输送容量、导线表面电场强度、地面合成场强、无线电干扰、可听噪声、机械特性、经济比较、海拔修正等多个方面，经过充分的技术经济分析比较，6×ACSR-720为最优导线结构型式，经过高海拔校验，这种导线能满足2500m海拔的要求。
11、特高压直流线路杆塔荷载和杆塔选型研究
对杆塔荷载的研究是一个比较复杂的问题，杆塔荷载分为永久荷载和可变荷载。
永久荷载：导线及地线、绝缘子及其附件和结构构件及杆塔上各种固定设备等的自重荷载。
可变荷载：风荷载、冰荷载，导线、地线及拉线的张力；安装检修的各种附加荷载；结构变形引起的次生荷载以及各种振动荷载。
一般来说特高压输电线路的安全可靠性应高于超高压输电线路，要提高安全可靠性就要考虑如何提高可变荷载，如何合理的提高这些可变荷载，一方面使得我们的特高压输电线路的安全可靠性得到保障，另一方面又不至于过大的增加特高压输电线路工程的投资，这是一个复杂的问题，目前已经有了一些初步的研究成果，有些问题在初步设计中还要进一步研究。比如我们初步认为特高压输电线路工程的风荷载和冰荷载的重现期应适当提高，重要性系数要适当提高等等。
铁塔选型是特高压输电线路设计的一个重要课题，输电线路杆塔型式一般分为两大类：直线塔和耐张转角塔，直线塔塔型又分为拉线塔和自立塔。
前苏联的±750kV直流线路大量采用了拉线塔，拉线塔的特点是重量轻，但占地面积大，拉线塔在地形上有一些要求，要求地势比较平坦。从我国目前的实际国情来看，不宜大量使用拉线塔，应使用自立塔为主。
