半波长交流输电真型线路初步试验方案

梁旭明，薛更新，郄鑫，李连海，项力恒，韩彬

(1.国家电网公司，北京市 100031；2. 西北电力设计院，西安市 710075；3. 中国电力科学研究院，北京市100192)

半波长交流输电真型线路初步试验方案

梁旭明1，薛更新2，郄鑫1，李连海1，项力恒2，韩彬3

(1.国家电网公司，北京市 100031；2. 西北电力设计院，西安市 710075；3. 中国电力科学研究院，北京市100192)

为了解决半波长交流输电技术应用于实际中存在的问题，开展了半波长交流输电试验研究。选择了1 000 kV特高压交流输电线路和750 kV交流输电线路作为真型线路进行试验研究，采用技术经济分析的方法，提出了2个1 000 kV半波长交流试验线路方案和4个750 kV半波长交流试验线路方案。基于试验方案的可行性分析，提出了推荐的半波长交流输电线路真型试验方案。针对推荐的试验方案进行仿真分析，得出了针对半波长交流输电线路的过电压和潜供电流抑制措施。

半波长交流输电；真型线路试验；空载试验；特高压

0 引 言

交流半波长输电技术(简称半波长输电)是输电距离接近工频半波，即3 000 km(50 Hz)或2 500 km(60 Hz)的远距离三相交流输电技术[1-3]，全线无功自平衡，无须安装无功补偿设备，输电能力更强[4-5]。根据现有的研究，3 000 km左右半波长输电的输送功率宜控制在1.2～1.3倍自然功率以下，此时线路中间点最高电压接近1.3 pu[4-7]。1 000 kV特高压交流半波长线路通常可输送功率为5 600～5 700 MW。如采用紧凑型输电线路，自然功率可提高到6 150 MW，对应半波长线路可输送功率为7 680 MW[8]，全线无须设置中间开关站[9]，由于节省了直流输电所需要的换流设备，因此在经济上更有竞争性。

半波长输电技术是特高压直流输电之外的另一种远距离输电技术，不但可以用于点对网输电，还具有同步联网功能。我国西部清洁能源基地的电力可以采用3 000 km特高压交流半波长输电线路直接送到“三华”特高压同步电网，同时将西部和中东部联接成更大规模的同步电网。此外，此种线路还有从中国西安至哈萨克斯坦的赛梅伊约2 900 km，赛梅伊至莫斯科约 2 900 km，莫斯科至巴塞罗那约2 900 km。考虑路径曲折系数和实际走向，亚洲与欧洲的互联电网可以采用3段3 000 km左右的特高压交流半波长输电线路，构建成亚欧特高压交流同步电网[10-12]。

20世纪国外的研究主要是借助软件进行数字仿真。2013年，俄罗斯托木斯克理工大学的学者，在实验室利用各种电器元件模拟半波长输电线路的运行情况，通过试验，证实了半波长的输电技术特征[13-14]。巴西学者为了验证该项技术，提出将巴西现有500 kV线路串联起来进行真型线路试验的建议。还对半波长线路合闸操作过电压进行了仿真研究，计算表明合空线的最大操作过电压1.95 pu，合闸后稳态工频过电压1.084 pu[15]。

到目前为止，还没有半波长输电技术的工程实例，其控制保护装置、抑制过电压和潜供电流的措施都需要通过实际线路进行验证。为了开展1 000 kV半波长交流试验示范工程建设，需在真型线路上开展相关试验研究。验证半波长暂态特性和故障特征，检验保护样机和过电压潜供电流抑制设备。而将电网短接成3 000 km长的试验线路，对于电网安全稳定来说影响巨大，因此需要进行认真的研究和遴选。

1 试验研究计划

近年来，国内采用机电暂态、电磁暂态仿真软件，对半波长输电稳态特性、过电压及电磁暂态、系统安全稳定影响等进行了研究。根据特高压交流半波长输电工程技术应用的需要将在研发继电保护装置及其他安全控制保护设备的基础上，进一步开展动模和真型线路试验。

1.1 半波长线路特性动模试验验证

对半波长输电系统进行整体建模研究。采用动模仿真，对前期研究中相关半波长输电稳态及暂态特性进行验证。

1.2 半波长输电继电保护装置、安控装置试验验证

半波长输电线路内部故障时线路两侧电流、电压相量规律完全不同于短线路，现有特高压线路配置的纵联差动保护、距离保护和零序电流保护都不适用于半波长线路，需要加以改进或研究新的保护原理。新开发的适用于半波输电的继电保护装置需要通过动模或数字实时仿真试验进行验证。同时相关安控装置也需要进一步研究[16]。

1.3 相关设备的控制保护装置试验验证

为了抑制半波长输电的过电压、潜供电流，需要采取相应的限制措施，例如使用快速接地开关(high speed grounding switch， HSGS)限制潜供电流，而HSGS需要复杂的控制保护装置，需要采用动模或数字实时仿真进行验证。

1.4 进一步开展过电压控制措施研究

研究采用可控高抗或其他电力电子装置控制过电压，交流系统中不可避免地存在无功电压波动。交流系统中的无功电压波动可能造成半波长输电线路电压分布的大幅变化，其过电压情况需要进行分析。交流半波长输电系统带电操作意味着异步电网并列或机组并网，而并列过程存在频率和电压偏差(通常同期操作的电压偏差为5%，频率偏差为0.1 Hz)，可能造成半波长输电线路电压分布的大幅变化，其过电压情况需要进行分析。现有研究表明，不采用调谐手段，线路暂态稳定极限对应的最大输送容量约为5 700 MW。如欲进一步提高输送功率，则需解决容量提升后的电压升高和过电压问题。

1.5 进一步研究半波长输电可能涉及的相关技术问题

运行中一旦线路中间发生短路、断路，则半波长线路转为常规长线路，波过程、电磁效应、电压分布和功角特性变化显著。下一步需继续加强线路中间短路、断路等情况的研究，研究线路相间故障、雷电过电压等情况。对于部分新能源集中并网地区，谐波问题较为突出，研究次同步谐波在半波长线路上的传播情况和影响。

2 真型试验线路试验方案

将已建或在建的线路短接为3 000 km，通过已建或在建的变电站汇集电源，开展试验，可能涉及在运线路的短时停电，但不会让全站停电，试验采用降压的方式(1 000 kV降为500 kV，750 kV降为220 kV)。

2.1 试验需改造和加装的设备

加装避雷器和HSGS等设备，抑制过电压及限制潜供电流。增加继电保护装置需要对线路首末端及沿线各变电站的继电保护装置进行相应改造，加装新研发的继电保护装置。考虑到试验对近区电网造成的影响，需要对电网安控措施进行加装或改造。

2.2 试验项目初步考虑和试验准备

试验项目包括：合空线操作及稳态特性试验，合解环及送功率试验，人工短路试验，其他可能的验证性试验。开展真型线路试验前，还需进行专项动模试验，对实际运行中可能出现的各种问题深入研究，包括继电保护方案适应性，不同故障情况对系统影响等。并进一步细化完善真型线路试验方案，研究确定试验方案沿线避雷器、潜供电流抑制装置的安装配置方案，明确试验系统中继电保护、安全自动装置的原理与配置，完成发电机与输变电设备的运行风险评估以及所有试验项目可行性的动模校核。

3 真型试验线路遴选要求

真型试验线路最基本的要求是，线路长度按照3 000 km左右的半波长考虑，并综合考虑电源、负荷及停电影响等因素，分析送端电源组织能力，校核受端消纳能力，分析试验对各变电站运行的影响，了解试验路径中同塔双回情况。试验电压可以选择低于输电线路的额定电压，使线路保有较大的安全裕度。但也不应过低，以不低于220 kV为宜。

通过对全国各电压等级电网进行遴选，共提出了2项1 000 kV试验线路方案和4项750 kV试验线路方案。

4 在特高压1 000 kV线路上的试验方案

1 000 kV交流半波长输电试验路径方案选择按照点对点3 000 km电气距离，试验电压按500 kV，输送功率为500 kV交流输电自然功率的1.3倍左右，在建设中的1 000 kV系统遴选出实验路径方案。

4.1 1 000 kV试验线路方案一

方案接线示意图见图1。该方案线路路径的起点和落点均为天津南1 000 kV变电站，涉及在建的8座1 000 kV变电站，线路总长度共计约3 201.6 km。

图1 1 000 kV试验线路方案一接线示意Fig.1 Schematic diagram of 1 000 kV test line scheme I

4.2 1 000 kV试验线路方案二

方案接线示意图见图2。该方案线路路径的起点为淮南1 000 kV变电站，落点为浙北1 000 kV变电站，涉及已建成的、在建的9座1 000 kV变电站，线路总长度共计约2 966.3 km。

4.3 方案特点

(1)电源组织和负荷消纳理论上都具备条件。

(2)1 000 kV同塔双回路径所占比例，方案一为61%，方案二为89.1%。

图2 1 000 kV试验线路方案二接线示意Fig.2 Schematic diagram of 1 000 kV test line scheme II

总体而言2个方案具有可行性，但方案一需要协调3个1 000 kV工程建设工期，实施难度大；方案二涉及多条1 000 kV在运线路，影响范围较大。

5 在西北750 kV主网架线路上的试验方案

750 kV交流半波长输电试验路径方案选择按照点对点3 000 km电气距离，试验电压选择220 kV或330 kV，输送功率为220 kV或330 kV交流输电自然功率的1.3倍左右，以2015年底具备实验条件为前提，在西北750 kV系统遴选了2个实验路径方案。

5.1 西北750 kV主网架试验线路方案一

方案接线示意图见图3，可考虑按220 kV进行试验。该方案线路路径的起点为新疆凤凰750 kV变电站，落点为宁夏贺兰山750 kV变电站，线路总长度共计约3 018 km，涉及的750 kV站点18个。

图3 西北750 kV主网架试验线路方案一接线示意Fig.3 Schematic diagram of Northwest 750 kV main grid line scheme I

5.2 西北750 kV主网架试验线路方案二

方案接线示意图见图4，可考虑按330 kV进行试验，该方案线路路径的起点为青海官亭750 kV变电站，落点为青海日月山750 kV变电站，形成环状结构，线路总长度共计约3 140 km，涉及的750 kV站点14个。

图4 西北750 kV主网架试验线路方案二接线示意Fig.4 Schematic diagram of Northwest 750 kV main grid test line scheme II

5.3 方案特点

(1)2个方案的电源组织和负荷消纳都具备条件，其中方案二电源组织更加便利。

(2)同塔双回架设的路径长度所占比例，方案一不到全长的3%，方案二则占25%。

(3)2个方案所涉及的各变电站在试验时大部分都需要改成单母线运行，但不需要全站停电。

总体来看，西北750 kV主网架方案电源组合和负荷消纳都具备条件，但是涉及新疆、甘肃、青海、宁夏等省份，在已建成的线路上开展试验，对西北 750 kV主网运行影响较大。

6 在新疆750 kV线路上的试验方案

6.1 新疆750 kV试验线路方案一

在2015年新疆电网接线的基础上，提出以下交流半波长输电新疆750 kV试验接线方案一，可考虑按220 kV进行试验，该方案示意图见图5。

该方案线路路径的起点为喀什750 kV变电站，落点为哈密750 kV变电站，线路总长度共计约 3 010.6 km，涉及的750 kV站点11个。其中三塘湖至哈密线路尚未建设，喀什、巴楚、五彩湾等多条 750 kV正在建设中，试验需协调停电工程较多。

图5 新疆750 kV试验线路方案一接线示意Fig.5 Schematic diagram of Xinjiang 750 kV test line scheme I

6.2 新疆750 kV试验线路方案二

设想未来新疆区域750 kV电网进一步发展，在环塔克拉玛干沙漠区域，建成更为完善的750 kV网络，提出以下交流半波长输电新疆750 kV试验接线方案二，可考虑按220 kV进行试验，该方案示意图见图6。以库车750 kV变电站为起点和终点，经过且末、若羌等地区，可以实现试验线路达到3 000 km，该方案的主要线路还未开展工作，如果统筹协调建设进度，可在投运前进行有关试验，根据现有的条件看，该方案影响最小，可操作性最高。

图6 新疆750 kV试验线路方案二接线示意Fig.6 Schematic diagram of Xinjiang 750 kV test line scheme II

7 初步仿真研究

根据现有的以及规划的新疆750 kV线路参数，结合前期理论分析成果，对新疆750 kV真型线路试验方案一进行了初步仿真，结果如图7、8所示。从仿真结果来看，每300 km需要装设1组避雷器(三相为一组)，按3 000 km计算，沿线共需要约10组避雷器。为抑制潜供电流，需要每300 km左右装设1组HSGS，可考虑在实际首末端及沿线变电站装设，共需要约10组左右。如采用降压试验，相应的设备还可以进一步减少。

图7 空载情况下线路沿线电压分布Fig.7 Line voltage distribution along with line under no-load condition

图8 合闸操作过电压沿线分布Fig.8 Closing operation over voltage distribution along line

8 结 论

(1)通过在1 000 kV和750 kV的电网进行遴选，共提出了6个具有可操作性的试验线路方案。根据建设时序估算，新疆750 kV方案二涉及在建变电站4个和在建线路2 000 km左右，影响在运变电站4个和在运线路1 000 km，与其他方案相比，影响最小，推荐新疆750 kV方案二作为未来真型线路方案。

(2)通过初步仿真研究得出，在试验线路上加装HSGS和避雷器可以抑制过电压及限制潜供电流，不会对现有设备产生影响。

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(编辑 蒋毅恒)

Preliminary Experimental Scheme of Half Wavelength AC Power Transmission in Real Line

LIANG Xuming1, XUE Gengxin2，QIE Xin1，LI Lianhai1, XIANG Liheng2，HAN Bin3

(1. State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China;2. Northwest Electric Power Design Institute,Xi’an 710075, China; 3. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

To solve the problems existing in the practical application of half wavelength AC power transmission (HWACT) technology, this paper carries out the experimental research on HWACT. We choose 1 000 kV UHVAC transmission line and 750 kV transmission line as real lines for the experimental research, and adopt technology economic analysis method to propose two 1 000 kV HWACT test schemes and four 750 kV HWACT test schemes. Based on the feasibility analysis of the test schemes, we present the recommended field test scheme of HWACT. Finally, according to the simulation analysis on the recommended test scheme, we obtain the suppression measures for the over voltage and secondary arc current of HWACT.

half wavelength AC power transmission; field test; no-load test; UHV

国家电网公司科技项目(北极风电开发与全球互联电网展望)

TM 72

A

1000-7229(2016)02-0085-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.02.012

2015-10-30

梁旭明(1963)，男，高级工程师，主要研究方向为智能电网、特高压交直流输电工程的设计、运行及管理；

薛更新(1959)，男，教授级高级工程师，主要研究方向为电网线路设计、管理；

郄鑫(1983)，男，工程师，主要研究方向为变电站、换流站设计，设计技术手段与方法；

李连海(1975)，男，高级工程师，主要研究方向为电力系统；

项力恒(1970)，男，教授级高级工程师，主要研究方向为变电站设计;

韩彬(1983)，男，工程师，主要研究方向为电力系统电磁暂态分析与仿真。