俄羅斯特高壓交流輸電的啟示
隨著電力負荷的不斷快速增長，同時對大容量和遠距離輸電的需求，從上個世紀六七十年代開始，俄羅斯(蘇聯)、美國、日本、意大利等國開始了特高壓輸電技術的研究工作。其中，俄羅斯是國際上最早開展特高壓輸電技術研究的國家之一，也是世界上較早時期就有特高壓輸電工程運行經驗的國家。
一、俄羅斯特高壓輸電發展歷程
從上個世紀60年代開始，蘇聯為解決特高壓輸電的工程設計、設備制造問題，組織多個研究、設計和制造單位開展了特高壓輸電的基礎研究。
上世紀70年代是蘇聯統一電力系統蓬勃發展和形成的時期，電力技術不斷升級。為滿足西部核電外送需要，開始在西部地區建設750千伏輸電線路，同時也促進了國際聯網;為滿足東部大型水、火電源送出，開始建設1150千伏特高壓交流和±750千伏直流輸電線路。哈薩克、西伯利亞區域聯合電力系統先后并入蘇聯歐洲統一電力系統，1979年蘇聯統一電力系統與經互會各國聯合電力系統以750千伏線路并聯運行，使蘇聯電網與東歐各國形成原東歐同步電網，最大裝機容量曾達到4.6億千瓦。
從上世紀80年代開始，隨著大型能源基地的建設，蘇聯著手建設聯接西伯利亞、哈薩克斯坦和烏拉爾聯合電網的 1150千伏輸電工程，計劃將東部地區的廉價電能送往烏拉爾和歐洲部分負荷中心。已經建成的線路長度有2344千米，包括庫斯坦奈、科克契塔夫、埃基巴斯圖茲、巴爾瑙爾等特高壓變電站。從1985年起，哈薩克斯坦境內的埃基巴斯圖茲—科克契塔夫—庫斯坦奈段900千米線路，按1150千伏設計電壓運行。
1985年8月，世界上第一條1150千伏線路埃基巴斯圖茲—科克契塔夫在額定工作電壓下帶負荷運行。1992年1月1日，哈薩克斯坦中央調度部門把 1150千伏線路段電壓降至500千伏運行，在此期間，埃基巴斯圖茲—科克契塔夫線路段及兩端變電設備在額定工作電壓下運行時間達到23787小時，科克契塔夫—庫斯坦奈線路段及庫斯坦奈變電站設備在額定工作電壓下運行時間達到11379小時。
總體上說，蘇聯特高壓交流輸電線路整體運行情況良好，運行期間主設備沒有發生大的事故，線路也沒有發生污閃。特高壓輸電線路后來降壓運行的主要原因是蘇聯于1991年解體后，由于國民經濟條件的惡化，用電及發電量長期停滯不前，送端電源無法按預計目標建設，導致特高壓線路負載過輕，輸送容量僅為額定容量的20%～30%，因此逐漸降壓運行，原計劃擴建的特高壓線段也未能按計劃建設。二、電磁環境
由于俄羅斯是一個地廣人稀的國家，因此就電磁環境來說，具有其特殊性。
交流輸電工程的環境問題主要分為電暈損耗、無線電干擾、可聽噪聲、工頻電場及靜電感應、工頻磁場及電磁感應等幾方面。它們可能對人們的生活環境和生活質量，甚至安全與健康產生一定的影響，但是只要采取一定的技術措施，是可以將影響降低到可以接受的程度的。
1. 電暈損耗和導線選擇
蘇聯對1150千伏電壓等級采用小截面導線作為分裂導線的素導線。為此，利用小截面導線架設了試驗線段進行電暈損耗、可聽噪聲和無線電干擾特性的研究。子導線直徑為23.5毫米的8分裂1150千伏試驗線段的測試表明，好天氣時電暈損失小，惡劣天氣如霧淞天氣電暈損失急劇增加，可達300～500千瓦/ 千米，但是考慮到蘇聯中亞、烏拉爾、西伯利亞地區的氣候條件，對1150千伏線路通過的地區，導線表面的電位梯度為28～30千伏/厘米，年平均電暈損失按每小時20～30千瓦/千米考慮是可行的。
導線的選擇和分裂方式是特高壓輸電線路設計中參數選擇的重要環節之一。關于導線的電流密度，不少國家取得比較低，只有0.5安/平方毫米，按照蘇聯的考慮，1150千伏輸電線路，年最大負荷運行時間在5000～7000小時之間時，經濟電流密度可取1.1~1.5安/平方毫米。埃基巴斯圖茲—車里雅賓斯克線路輸送容量570萬千瓦，采用8×AC300/45平方毫米導線，電流密度1安/平方毫米。
2. 無線電干擾
輸電線路電暈和某些部位放電時，會輻射電磁波，可能對無線電和電視信號產生干擾;輸電線路的無線電干擾與導線參數有關，例如導線高度、相間距離、導線截面和子導線分裂數等。
按照蘇聯標準(GOST 22012-82)，距架空輸電線路邊相導線對地投影外100米的地方，頻率0.5赫茲，一年中80%的時間無線電干擾場強不超過43分貝(微伏/米)。
3. 可聽噪聲
輸電線路的可聽噪聲是指導線周圍的電暈和火花放電所產生的一種能直接聽到的噪聲。
蘇聯規定,距邊相導線對地投影外100米處可聽噪聲的年當量水平小于53分貝。試驗測得雨天的噪聲水平為54分貝，雪天和霧天分別為51.3分貝和52 分貝。按照一年四季不同氣象條件所有天數的比例，采用統計公式求得可聽噪聲的年當量水平可以達到所規定的指標。蘇聯架設的750千伏、1150千伏線路，運行初期往往可聽噪聲指標稍高于規定值，運行一段時間后，由于導線表面“老化”，可聽噪聲水平很快降低到允許的指標以內。應當指出，蘇聯一般多采用小斷面導線，而且導線表面的電位梯度取得較高，尚且可以滿足對可聽噪聲所規定的限制，由此可知，特高壓輸電線路引起的可聽噪聲是可以被接受的。
4. 工頻電場和磁場
蘇聯土地多，人口少，每條線路距離均很長，在330千伏以上電壓等級線路下設置防護區。防護區的寬度按邊緣場強為1千伏/米為界，在保護區內不允許設置永久的和臨時性的可住人的生產性建筑。
蘇聯在建設特高壓輸電線路時，對線下地面最大電場強度規定為：跨越公路等地方，取10千伏/米;無人居住，但人類活動可以到達的地區，取15千伏/米;人員難以到達的地方，取20千伏/米。蘇聯是目前世界上少數幾個規定變電所電場限值的國家之一，規定1200千伏變電所的絕對安全電場限值為5千伏/米。
目前大多數國家尚未提出工頻磁場標準要求，只有少數幾個國家制定了磁場照射的限值。蘇聯基于暫態電擊造成的刺痛感和電磁場對人體健康可能的效應考慮，規定50赫茲工頻磁場暴露限值為1.8～7.5毫特斯拉，這取決于每個工作日暴露的持續時間(8～1小時)。
工頻電場和磁場對人體的影響程度取決于電場和磁場強度的大小。包括蘇聯在內的一些國家在研究交流特高壓輸電時，就工頻電場和磁場對人和動物的影響進行了大量研究，世界衛生組織也就極低頻電場和磁場(包括工頻場)對健康的影響進行過評價，結果表明：工頻電場和磁場對人和動物有確定的有害影響的閾值，遠高于輸電線路下的工頻電場和磁場的限值;特高壓輸電線路工頻電場和磁場取上面提到的限值不會對生態環境造成不利影響。
三、過電壓與絕緣配合
蘇聯特高壓、超高壓送電線路和設備的絕緣，不是像以前低壓送電線路那樣按內過電壓可能值選取，而是變為強行限制過電壓到技術經濟情況最適宜的水平。研究表明，降低允許內過電壓10%，則每千米線路的造價降低3%，變電站造價降低4%。
在世界上，這個原則首先是蘇聯在設計和建設500千伏輸電線路時采用的，然后推廣到330千伏、750千伏和1150千伏。當時認為將內過電壓限制到最大工作相電壓的下述倍數是合理的：330千伏線路為2.7，500千伏線路為2.5，750千伏線路為2.1，1150千伏線路為1.8。
在操作過電壓的限制措施方面，蘇聯采取了并聯電抗器、斷路器帶合閘電阻和避雷器幾種措施。
蘇聯特高壓工頻間隙距離明顯低于日本，主要原因是：蘇聯只考慮最高運行電壓，不考慮單相接地系數。蘇聯考慮特高壓線路經過地區的海拔高度為500米以下，日本考慮的為1800米，兩者氣象修正系數相差較大。
蘇聯特高壓前期的操作波間隙距離較大。因為它的過電壓倍數和運行電壓均較高。后期采用MOA(開放式結構)，過電壓倍數下降，間隙距離減小，與日本特高壓數值比較接近。
通過對系統可能發生的過電壓進行分析，蘇聯1150千伏輸電線路的基本絕緣水平，按照操作過電壓取最高運行相電壓的1.8倍進行選擇。從埃基巴斯圖茲— 科克契塔夫長約500千米的一段線路實際調試測得，變電站設備上的最大過電壓只有1.4～1.5倍，預計線路中部產生的過電壓約1.65～1.7倍。通過實際運行，進一步改善避雷器和斷路器的性能。
四、線路防雷
蘇聯1150千伏輸電線路的防雷設計從超高壓輸電線路的雷電特性中吸取了許多有益的經驗。一方面1150千伏線路的反擊耐雷水平很高，可以承受高達250千安的沖擊電流，所以，當雷擊桿塔或避雷線時，不會對線路造成威脅。另一方面，由于特高壓輸電線路桿塔高度很高，導線上的工作電壓幅值大，比較容易由導線上產生向上先導，使得架空地線的屏蔽性能變差。當雷繞擊導線時，20～30千安的雷電沖擊電流就可能造成威脅。
為了研究1150千伏線路的雷電特性以及雷擊跳閘的概率，蘇聯對于雷電日、桿塔上雷電流的測量、雷擊線路的位置等的綜合性研究從1985年就已經開始了。研究確定出特高壓線路運行期間的雷擊跳閘率平均為0.5/100(千米? 年)，在1989年和1990年，實測雷擊跳閘率為0.3/100(千米?年)和0.4/100(千米?年)，主要是發生在耐張轉角塔上的繞擊。
五、線路外絕緣
蘇聯在哈薩克斯坦—烏拉爾1150千伏架空線路計劃建設的第一階段(20世紀70年代)時，考慮了線路不同塔型，相間配置，絕緣子串形選擇。考慮到減少工時和節省材料，最初建設的兩段線路(埃基巴斯圖茲—科克契塔夫—庫斯坦奈)采用了邊相懸垂I串中相V串的拉V塔M型布置方式。
1150千伏線路外絕緣配置選擇考慮了以下方面：
(1)外絕緣的選擇以1150千伏線路經過地區的污區分布圖為依據，這些污區圖是以當地110～750千伏架空線路的自然積污狀況和運行經驗為基礎制訂的。
(2)一般設計參數爬電比距lp采用了一些修正系數，設計用的修正系數考慮了絕緣子形狀影響和不同串型的影響。
(3)在確定線路污穢等級方面開展了大量工作，為確定污穢等級，采用了污穢源特征參數，作為電氣設計初級階段的參考信息。
(4)在1150千伏架空線路的絕緣水平時，引入了統計方法，可靠性要求為每100千米線路的年污閃次數不應超過0.1。
1150千伏輸電線路大量采用玻璃絕緣子，按線路通過地區的氣象和污穢條件，選用兩種型號的玻璃絕緣子。V串采用單聯40噸絕緣子，I串采用單聯30噸絕緣子。
蘇聯按不同污穢分區規定的泄漏爬距要求：對于部分接近咸水湖和工業污穢地區的線路，取1.8厘米/千伏;大多數通過普通塵埃地區，按一般污穢地區的標準，取1.5厘米/千伏。按最高運行線電壓求出絕緣子片數后，增加2～3片作為安全裕度，串長的加長，不影響大風時導線帶電部分離塔體的最小距離。
為了確保線路運行的可靠性，在早期設計階段沿規劃的1150千伏線路建立了試驗站，專門研究了該線路絕緣子的污穢狀況、土壤狀況及該區域35～500千伏線路的運行經驗。
六、無功補償和電壓控制
特高壓電網重要任務之一是承擔大區域電網的功率交換，潮流變化大而頻繁，對系統無功及電壓控制壓力較大。特高壓輸電線路充電容量大，對于100千米的特高壓線路而言，在額定電壓為1000千伏及最高電壓為1100千伏的條件下，線路充電功率可達到400～500兆乏。
從無功平衡和限制過電壓的角度出發，特高壓線路需要采用高壓電抗器進行補償。就補償線路電容效應引起的工頻過電壓而言，線路上高抗補償度越大，線路一端斷路器三相跳閘后工頻過電壓也越低。但線路正常輸送重負荷時，高抗補償度越大，需系統向線路提供的無功功率也越大，送端系統的暫態等值電勢和受端系統等值電壓也越大，斷路器三相跳閘后，工頻過電壓也相對較大。
在埃基巴斯圖茲—科克契塔夫—庫斯坦奈線路上，每段線路都配置了3組高抗，每組高抗容量為3×300兆乏。
蘇聯特高壓線路試運行期間，線路潮流輕，因此雖然高抗補償度很高，無功補償和電壓控制問題并不突出。但計算分析工作表明，采用固定電抗器作為無功并聯補償手段，一方面雖然能夠限制過電壓水平，但在重負荷方式下會降低特高壓線路輸送能力;另一方面，重負荷方式下，為保證正常功率輸送，通道及受端電網需要補償大量低壓電容。
為維持系統電壓合理水平，限制系統過電壓，滿足系統無功分層平衡要求，特高壓電網的無功電壓控制僅依靠固定高抗加低壓電容、電抗的模式不夠靈活方便。由于以上原因，需要研究特高壓電網采用可控高抗或快速分組投切高抗的可行性。
可控高抗作為一種動態無功補償設備，其無功輸出可以在動態過程中快速調節，有效抑制電壓波動，提高供電質量。一方面提高了系統的電壓水平，降低了系統的網損，另一方面也無須為可控高抗配備相應的無功補償設備，可控高抗的調壓功能還能減少諸如低壓電容器和高抗等設備的操作，減少對電網的沖擊，提高了電網的安全性及可靠性。當系統發生擾動時，可控高抗可作出快速響應，根據其母線電壓或線路功率調節其無功容量，抑制電壓和功率振蕩。
蘇聯在建特高壓輸電線路時，曾研制過單相容量330兆乏可控電抗器，每相容量調節范圍90～330兆乏，計劃替代采用火花間隙投入技術的固定高抗，但未投入實際運行。
七、結論
總起來說，蘇聯在特高壓工程的電磁環境、過電壓與絕緣配合、空氣間隙、線路防雷、外絕緣等方面開展了大量卓有成效的工作，這些科研成果都可以作為我國特高壓工程建設參考資料。同時，蘇聯特高壓交流工程整體運行情況良好，積累了豐富的運行經驗。
(作者 李啟盛 系 中國電力科學研究院退休干部，教授級高工，曾任院副總工程師，1988年度被評為有突出貢獻的中青年專家，長期從事高電壓技術研究。本文章發表于2006年11月。)
|
