提高输电线路输送容量技术综述

2015-02-18淡淑恒

电线电缆 2015年4期

王荀，淡淑恒

(上海电力学院电气工程学院，上海200090)

0 引言

近年来，随着我国国民经济的快速发展，社会用电需求不断增长。在一些经济发达的长三角、珠三角地区，电力短缺已经成为经济进一步发展的限制因素。华东地区500 kV电网的许多输电线路均大负荷运行，输电能力瓶颈问题非常突出［1］。建设新的输电线路投资巨大，建设耗时长，且受输电走廊征用困难以及环境保护等因素制约，困难较大。而在电力市场环境下，各个电力运营商又总是希望能够在现有设备的基础上获得尽可能多的输送容量。因此，提高输电线路的传输容量已日益迫切且意义重大。

本文首先分析了影响输电线路输电能力的因素以及我国电网输电能力受限的原因，接着对提高输电线路输送容量的主要技术和方法进行了总结，并分析了各技术方法的优缺点。

1 影响输电线路输电能力的因素分析

一般来说，影响输电线路输电能力的因素主要有以下几点:

(1)线路传输的自然功率。线路的输送能力是与其自然功率成正比的。

(2)线路的传输功率极限。短距离输电线路受制于热稳定极限，随着输电距离的增加，线路的传输功率极限将受制于电压降极限和静态稳定极限。图1为无补偿的架空输电线通用负荷能力曲线。

图1 无补偿的架空输电线通用负荷能力曲线

(3)功角稳定问题。超、特高压交流输电系统正常运行的一个基本条件为输电子系统中的主要同步发电机稳定地保持同步。从输电线路输送能力的角度说，该条件实际为功角稳定问题，通常用静态稳定裕度来表示。

(4)无功控制和电压稳定问题。超、特高压交流输电系统正常运行的另一个基本条件为输电线路上各点的电压必须保持在额定电压附近。从线路输送能力的角度说，该条件实际为无功控制和电压稳定问题，即各种无功补偿装置的合理配置［2］。

(5)线路的热稳定问题。在很多实际运行环境中，线路热稳定已成为输电能力的瓶颈，并有扩大的趋势。

2 我国电网输电能力现状及受限原因

目前，我国现有电网主网架以500 kV为主。输电距离长、供电范围大是我国500 kV电网发展过程中的主要特点［3］。在500 kV电网建设发展初期，由于还未形成较为坚强的网状结构，长距离链形结构使得我国500 kV长距离输电线的输送能力主要取决于线路的稳定极限，20世纪80年代每回500 kV交流线路的输送能力为600～800 MW。近年来随着电网建设的发展，区域电网结构的加强，使500 kV交流线路的平均输送能力提高到目前的800～1 000 MW左右，但与国外发达国家输送能力水平相比仍有较大的差距。据研究，国家电网系统500 kV线路中，有约1/4线路输电能力受到限制［4］，主要原因分三类:(1)受限于线路热稳定水平，主要是短距离和省内输电线路;(2)受限于暂态稳定水平，主要集中在远距离送出线路及跨省联络线;(3)受限于动态稳定水平，主要是跨区交流联网线及区域电网内部重载断面。

值得注意的是，限制线路输电能力的主要因素并不是一成不变的。例如，随着华东主网架的加强，制约输电能力的主要因素已不再是暂态稳定水平，而往往是线路的热稳定极限。

3 提高输电线路输送能力的技术方法

目前常用的提高输电线路输送容量的技术方法总体上可分为两类:一是提高自然功率或各类稳定极限，称为提高静态输送容量;二是通过监测线路状态以充分挖掘线路潜在的输送能力，即动态提高线路输送容量。

3.1 提高输电线路静态输送容量

(1)提高电压等级，采用特高压输电

在一定范围内提高电压等级，可以增大线路传输的自然功率，增加输电距离，降低电能损耗，还可有效节省输电走廊面积［5，6］。输电距离一定时，1 000 kV特高压交流线路的自然功率是500 kV线路的4～5倍;输送相同功率时，1 000 kV最远送电距离是500 kV线路的3倍，而损耗却降低65%左右［7］。我国特高压电网建设正在积极推进，目前国家电网已建成2条1 000 kV交流和2条±800 kV直流工程。

特高压输电也存在一些缺点和问题，比如特高压交流输电的稳定性和可靠性问题不易解决，对环境影响较大;特高压直流虽不存在稳定性问题，但存在换流装置昂贵、消耗无功功率多、产生谐波造成通信干扰、缺乏直流开关、线路污闪率高等问题。

(2)柔性交流输电(FACTS)技术

FACTS技术是基于电力电子技术改造交流输电的系列技术，对交流电的无功(电压)、电抗和相角进行控制，从而有效提高交流系统的安全稳定性，使交流输电系统具有更高的柔性和灵活性，可以有效增加输电线路的容量，提高线路利用率［8，9］。目前常用的FACTS装置主要有并联型的静止补偿器(SVC)和静止同步补偿器(STATCOM)，串联型的可控串联补偿器(TCSC)，以及可同时实现串并联补偿的统一潮流控制器(UPFC)等。

FACTS技术也存在一些局限性:用于控制FACTS装置的电力电子设备尚不能很好满足其性能要求，FACTS装置造价较高，普及应用难度较大等。

(3)采用同塔多回输电技术

同塔多回输电是指在一个杆塔上架设二回及多回线路，同塔多回线路可以是同一电压等级，也可以是不同电压等级。应用同塔多回输电技术，可使线路的走廊占用和综合造价明显减少，单位面积的输送容量显著增加，具有明显的经济效益和社会效益，是电网建设中解决输电走廊紧张、节省土地资源、提高输送容量的有效手段。我国采用同塔多回输电始于1980年，目前国内220 kV输电线路中已较多采用双回或四回输电，部分500 kV输电线路中采用同塔双回路输电，500 kV同塔四回技术也已首次应用在华东地区利港电厂至梅里变输电线路。广东电网也正在建设多条500 kV同塔四回线路［10，11］。

采用同塔多回技术比单回技术复杂，需要进行科学的研究，选择合适的杆塔以及导线相序排列方式，电磁场强度、无线电干扰、噪音等都能减小到相关规定的要求。

(4)采用紧凑型输电技术

紧凑型输电技术是通过缩小相间距离、优化导线排列、增加相分裂子导线根数等改变线路几何结构的方法，来减少线路电抗、增加容抗，提高线路的自然功率，从而提高线路输电能力的新型输电技术。紧凑型输电线路在提高输电能力的同时，还可减小架空线路走廊占地宽度和降低工程造价，并且有利于改善电磁环境［12，13］。如果与同塔双回或多回技术相结合，除保留紧凑型线路在电气上的优点以外，节省线路走廊的效果也将更为明显，符合今后我国电网建设的发展方向［14，15］。

采用紧凑型线路需考虑无功补偿、潜供电弧的熄灭和带电作业等问题。

(5)采用大截面导线

大截面导线输电技术是指超过经济电流密度所控制的常规最小截面导线，而采用较大截面的导线，以成倍提高线路输送能力的新型输电技术。与常规导线相比，大截面导线可节省线路走廊资源、提高输电容量、降低线路损耗、改善线路周围的电磁环境，具有较好的社会效益和经济效益。国内已先后在华东、华中、南方等地区建成和投运采用500～720 mm2大截面导线的500 kV输电线路，华北地区的500 kV大截面导线输电线路也在建设中［16，17］。

但应用大截面导线使杆塔承受荷载增加，架线施工难度加大，线路、杆塔、绝缘子及金具的成本增加。因此，大截面导线技术的应用应充分考虑线路建设和运行中所遇到的技术经济问题，结合具体工程实际进行经济技术比较，选择合适截面的导线。

(6)采用耐热导线

耐热导线在高温状态下也能保持良好的机械强度和使用性能，因此，采用耐热导线可提高导线允许温度，增加导线载流量，从而提高线路输送容量。随着耐热导线性能的不断提高和品种的不断增多，数十年来它的应用得到了很大发展。目前除了普通的耐热铝合金导线外，还有超耐热铝合金导线和特耐热铝合金导线等。日本从1960年开始在输电线路中使用耐热铝合金导线，现在日本耐热导线的使用量已经超过全国输电线路总长的70%［18，19］。我国在应用耐热铝合金导线的方面与发达工业国家相比尚有不少差距，相信随着电力工业的不断发展，以及在导线材料、结构方面的研究与创新步伐加快，耐热导线会有更大的应用和发展。

(7)提高线路允许温度

对于同一种规格导线，其载流量直接取决于其发热允许温度，允许温度越高，载流量越大。各国对导线发热允许温度有各自的规定，日本、美国取导线发热允许温度为90℃，德国、荷兰、瑞士为80℃。我国现行设计规程是参照前苏联的标准，为70℃(大跨越为90℃)。如果将导线允许温度由现行规范规定的70℃提高到80℃，则可提高原有线路输送容量20%，降低新建线路投资10%，具有显著的经济意义［20，21］。这也是最简单、最直接提高线路输送容量的措施。国内华东电网较早应用提高导线允许温度技术。为了缓解苏南地区迎峰度夏用电紧张形势，2003年华东电网公司成功地在武南至斗山5265、5266线，斗山至石牌5267、5268线这4条线路采用静态提温增容技术，进行了提高线路输送容量试点工作，迈出了可喜的第一步，取得了宝贵经验［22］。

提高线路允许温度虽然简单直接，但采用这一技术应当极为谨慎，需要足够的论证和其他相关技术的支持。目前这一技术尚不符合现行设计标准，若采用则必须解决以下几个问题:对线路及金具机械强度和寿命的影响程度;导线弧垂增加，对线路对地及交叉跨越的安全裕度的影响;经济效益如何。另外，对于引渡载流的接续金具和耐张线夹，还存在一个接触传导表面日久老化的过热问题。这些都需要经过充分的论证、实验或相关技术支持。

3.2 动态提高输送容量

在设计架空输电线路时，为防止负荷过大使线路输送容量超过极限值而发生事故，设计部门依据最为恶劣的气象条件确定了极限容量，该极限容量是一种保守的静态值。但事实上，这样恶劣的气象条件很少发生，这就造成了在绝大多数情况下，无法真正高效地利用输电线路的传输潜力，见图2［23］。如果可以在保证安全的前提下充分利用线路的传输潜力，则可以在不改变线路结构的情况下提高线路输送容量，这就是动态增容技术的想法由来。

图2 线路负荷与热容量限制的概率分布

动态增容技术的实质是在输电线路上安装在线监测装置对导线状态(导线温度、张力、弧垂等)和气象条件(环境温度、日照、风速风向等)进行监测，在不突破现行技术规程规定(导线温度限额70℃)的前提下，基于相关的数学模型计算导线最大的允许载流量。结合运行经验和计算结果，在目前技术规程的限定条件下，导线载流量可以提高10%～20%。应用输电线路动态增容技术并不突破现行规程，因此也无需对运行规范进行额外的修改，更不需要对现有线路进行昂贵的技术改造，仅仅在线路上安装监测系统就能最大限度地提高线路输送容量，起到少建或缓建输电线路的目的，具有重要理论和现实意义。这一技术非常适合于已投运线路的增容［24，25］。

3.2.1 国外动态增容技术的研究现状

导线动态增容技术首先是由国外的一些研究机构提出的［26-30］。美国电力研究协会(EPRI)提出了输电线动态热容等级(DTCR)技术，即利用实时(或接近实时)采集的信息，建立输电设备的动态的、精确热容等级。图2显示了一条真实线路的负荷概率分布及热容等级概率分布情况。美国SRP公司曾在两条重要输电线路上使用DTCR技术，使得该公司修建新线路的工程推迟了5年，最少节省了约900万美元的费用，后来该公司在一条230 kV新线路上安装使用了该技术，一直在较高的负荷下运行且没有发生任何故障［31］。美国Nexans公司开发出了CAT-I型实时输电线路限额系统(Realtime Transmission Line Rating System)，该系统通过测量线路的应力和环境温度等参数对线路的可用容量做出实时估计，已达到指导调度部门提升导线输送容量的目的［32，33］。另外，美国Promethean Devices公司开发了RT-TLMS型非接触式导线电流和温度实时监测系统，解决了停电安装温度或张力传感器的问题，为线路动态增容系统提供了新的思路。

由于测量、通讯、电源技术和计算数学模型的限制，以及电力系统安全稳定运行的要求，早期的技术不太成熟，并没有取得较多的推广。同时，除了技术上的原因外，发达国家电力增长相对缓慢，目前的电力供应基本能够满足电力需求，对增加输电线路容量技术的需求不是那么迫切，使此项技术的发展不是特别迅速。

3.2.2 国内动态增容技术研究现状

由于输电线路动态增容技术可以产生较大的经济效益，在国内市场前景非常广阔，近几年国内一些电力企业、高校和研究院所等单位也对该项技术展开了较广泛的研究。

华东电力试验研究院在文献［22］中提到提高现有输电线路的输送容量有两种方法，即静态提温增容技术和动态监测增容技术，主要论述现有输电线路动态监测增容技术，指出建立准确的数学模型是建立输电线路输送容量在线监测系统的技术关键。

上海交通大学对线路动态增容技术开展了研究工作［34-37］。文献［34］和［35］介绍了动态热容等级(DTCR)的模型，并研究了DTCR系统实施的几种形式，最后给出了一种新的DTCR系统构架方案。文献［36］研究了基于导线张力的动态提高输电线路输送容量的技术，建立了包括导线张力、负荷、风速等多因子的导线温度模型和导线日照辐射吸热模型，研制出了一套基于张力的动态提高输电线路输送容量及实时监测线路参数的动态增容系统，并采用基于径向基函数神经网络的混沌时间序列方法预测输送容量及线路可能发生的故障，给出了风险估计。

华北电力大学也对动态增容监测技术展开了相关研究［38-40］。文献［38］考虑根据线路弧垂的大小研究提高现行导线的允许温度，从而可以提高导线的运行载流量。根据已有的弧垂测量方法，提出比较新颖的两种弧垂测量方法:拍摄数码照片和全站仪测弧垂。文献［40］研究了监测系统导线测温装置的取能电源。提出了利用电流互感器(CT)直接从母线取能为主，蓄电池供电为辅的电源设计方案。

华东电网有限公司对输电线路实时动态增容的可行性进行了研究［41，42］，并对其研制的输电线路实时输送限额管理系统的安全性、增容性和适用性进行了检验，并在华东电网500 kV、220 kV线路上试运行［43，44］，证明该系统满足线路的运行条件，达到了线路增容的目的。该系统的监测系统主要监测线路的温度和环境条件。

国内也有一些私营公司进入这个研究领域，如杭州海康雷鸟信息技术有限公司研制出了输电线路温度在线监测装置，并对线路的弧垂监测方面进行了研究［45-47］。另外，西安金源公司开发了基于气候和导线温度监测的线路动态增容系统，该系统的硬件系统包括气象监测和导线温度监测两大部分，软件系统实现了导线潜在容量的计算功能。该系统在山西、湖北等电力公司的500 kV输电线路上已有应用，取得了较好的效果［48］。

3.2.3 动态提高输电线路输送容量的监测方法

(1)基于气候监测的动态增容技术

基于气候监测的动态增容技术是通过实时的导线电流值和气象站实时监测的气候参数计算导线的输送容量。这种方法很经济，并容易扩展。然而，一整条线路中，由于地域的变化，天气也会发生变化，而微气候信息无法从气象站获取。因此，这种方法不适于微气候地区内线路的增容。

(2)基于直接温度测量的动态增容技术

直接温度测量方法提供了导线的实时数据，计算的结果比基于气候监测的方法更准确。不足之处在于投资大，并且测量的仅仅是导线某一点的温度，并不是导线的平均温度。如果要测量准确，需要沿线装设较多采集装置，然后取其平均值，这样就大大增加了成本，不符合经济性的要求。

(3)基于直接弧垂测量的动态增容技术

ESCI公司开发的基于卡车的脉冲激光法是用于动态增容技术的一个比较精确有效的测量方法［49］。但该方法不是自动监测线路弧垂，需要人为调整和测量，而且成本很高。

(4)基于张力测量的动态增容技术

美国Nexans公司开发的CAT-I产品，其核心技术是通过直接测量导线张力确定输送容量的［32］。张力监测装置可测量整个耐张段的导线张力，最后能给出耐张段内各个档距内的弧垂和平均温度，使导线在更长的范围内结果更准确，并节省了开支。但为了得到较准确的导线温度，此系统在安装初期线路必须长期或经常停电(至少几个月)，以获取较大范围的净辐射温度来拟合出导线温度曲线。同时，这种方法也无法避免高温时导线温度估计不准的问题。

通过对上面四种主要方法的比较并结合现有的研究成果，在实现动态提高输电线路输送容量的监测方法中，直接温度和张力测量是比较可行的方法。

3.2.4 动态监测增容系统的局限性

动态增容技术虽然已取得了很多研究成果，但在技术方面和管理方面都还存在诸多有待解决的问题:

(1)技术方面。主要是监测技术和数学模型有待改进和创新。比如基于导线弧垂的测量没有考虑到风对导线弧垂的影响，基于导线张力的测量存在导线须停电及高温时温度估计不准问题，另外还有热模型中导线日照辐射吸热的求解问题。

(2)管理方面。现有动态增容技术未提出如何帮助和指导增容条件下的输电线路运行，以及线路增容运行带来的风险和如何规避风险［48］。

4 结束语

本文对提高输电线路输送容量的技术方法进行了总结与分析。对于新规划建设的线路，可采用提高电压等级、使用大截面导线或耐热导线、紧凑型线路、同塔双回或同塔多回线路、应用FACTS装置等方案，从而在其适用范围内有效提高线路输送容量，但它们也分别存在着造价、损耗、可靠性等问题。此外，新线路的建设还面临着走廊紧张和环境保护的巨大压力，尤其是在东部经济发达地区。如果将这些方案用于既有线路的增容改造，同样面临一系列的问题:更换导线的方法会加大导线投资，还可能增加杆塔机载负载;拆除既有线路、建设紧凑型或同塔多回线路更是耗资巨大;而建设串补站除造价高外，对于火电厂送出线路还增加了次同步谐振的风险。对于提高线路允许温度来提高输送容量，虽然简单直接，但因其突破了现行技术规程的规定，实施前需要足够的论证和其他相关技术的支持，因此采用这一技术应极为谨慎。

应用输电线路动态增容技术并不突破现行规程，因此也不需对运行规范进行额外的修改，更不需要对现有线路进行昂贵的技术改造，仅仅在线路上安装监测系统就能最大程度地提高线路输送容量，起到少建或缓建输电线路的目的，具有重要的理论和现实意义。目前这一技术还存在一定的局限性，还需进行更加深入的研究。

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