顧錦汶，胡云

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京 210003）

超長(zhǎng)距離交流輸電在國(guó)內(nèi)外受到關(guān)注，在20世紀(jì)60年代國(guó)外就有相關(guān)文章發(fā)表[1-3]，此后經(jīng)常有學(xué)者發(fā)表文章[4-8]。進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)學(xué)者也有文章發(fā)表[9-11]，且多為綜述性文章，正如其題目所稱，是對(duì)這一問(wèn)題的“技術(shù)現(xiàn)狀與展望”。

超長(zhǎng)距離交流輸電，對(duì)于疆域大的國(guó)家，尤其是一次能源所在地與電力負(fù)荷中心之間距離在大約半波長(zhǎng)（50 Hz、3 000 km，60 Hz、2 500 km）的情況下，無(wú)論在理論、技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用上都具有研究?jī)r(jià)值。除了從前人研究成果中獲得相關(guān)知識(shí)外，通過(guò)自己做實(shí)驗(yàn)，對(duì)超長(zhǎng)距離交流輸電做初步的摸索，有助于加深對(duì)這一問(wèn)題的理解。

本文進(jìn)行的超長(zhǎng)距離交流輸電數(shù)字仿真是在RTDS設(shè)備上進(jìn)行的。說(shuō)它是“初步”，是指內(nèi)容主要是在其超長(zhǎng)距離線路末端開(kāi)路、半波長(zhǎng)距離線路輸送功率（自然功率、半自然功率、1.5倍自然功率）和開(kāi)路、頻率微小變化等的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，更多的問(wèn)題待今后進(jìn)一步展開(kāi)研究。由于未見(jiàn)國(guó)內(nèi)有類似的報(bào)道，為供同行分享這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論交流，僅整理發(fā)表。

本文第1節(jié)是簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)研究依據(jù)的基本概念；第2節(jié)介紹RTDS及模型的建立；第3節(jié)敘述在50 Hz、6 000 km范圍內(nèi)不同輸電距離末端開(kāi)路時(shí)電壓、電流的實(shí)驗(yàn)；第4節(jié)敘述半波長(zhǎng)輸電距離時(shí)，不同輸電功率實(shí)驗(yàn)結(jié)果；第5節(jié)敘述當(dāng)頻率發(fā)生微小變化情況下，半波長(zhǎng)輸電的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；最后是簡(jiǎn)要的結(jié)論。

1 遠(yuǎn)距離輸電及其線路電氣參數(shù)

對(duì)于輸電電壓在220 kV以上，線路長(zhǎng)度在3 00 km以上，在分析其運(yùn)行的電氣特性時(shí)，應(yīng)當(dāng)用長(zhǎng)線分布參數(shù)的等值電路來(lái)計(jì)算。

遠(yuǎn)距離長(zhǎng)線的基本方程是：

式中，ch表示雙曲余弦函數(shù)符號(hào)；sh表示雙曲正弦函數(shù)符號(hào)；x為線路距末端的長(zhǎng)度，km；U觶x為線路距末端x處的電壓，kV；I觶x為線路距末端x處的電流，kA；U觶2為線路末端電壓，kV；I2為線路末端電流，kA；λ為線路的傳播常數(shù)，1/km，

Zc為線路的波阻抗，Ω，

r0為單位長(zhǎng)度電阻，Ω/km；x0為單位長(zhǎng)度電抗，Ω/km；g0為單位長(zhǎng)度電導(dǎo)，S/km；b0為單位長(zhǎng)度電納，S/km。當(dāng)線路末端開(kāi)路時(shí)，即I觶2=0，則

如果設(shè)L為線路長(zhǎng)度，U觶1、I觶1為線路首端電壓、電流，則線路末端開(kāi)路時(shí)

當(dāng)線路末端接入波阻抗時(shí)，稱線路為輸送自然功率；當(dāng)接入2倍波阻抗時(shí)稱為半自然功率；當(dāng)接入2/3波阻抗時(shí)稱為1.5倍自然功率。

2 RTDS簡(jiǎn)介及模型建立

RTDS（Real Time Digital Simulator）是由加拿大RTDS技術(shù)公司生產(chǎn)的具有先進(jìn)實(shí)時(shí)數(shù)字電磁暫態(tài)電力系統(tǒng)模擬裝置，不僅擁有強(qiáng)大的硬件計(jì)算能力，還擁有豐富的軟件模型庫(kù)，幾乎能夠滿足電力系統(tǒng)的分析研究，保護(hù)裝置、控制系統(tǒng)的測(cè)試等要求。由于其運(yùn)算速度快，響應(yīng)時(shí)間短，并具有各種I/O輸出功能，因此得到了國(guó)內(nèi)外電力界的廣泛應(yīng)用。

利用長(zhǎng)線分布參數(shù)的等值電路原理,在RTDS仿真軟件RSCAD上搭建了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｓ捎趯?shí)驗(yàn)裝置規(guī)模有限，將長(zhǎng)線分成若干個(gè)單元，每個(gè)單元代表幾十千米線路，在不同的實(shí)驗(yàn)中分別代表60 km或120 km，因此這會(huì)導(dǎo)致與真正的分布參數(shù)有一定的誤差。這里給出了長(zhǎng)線仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D，如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)線仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

3 輸電線末端開(kāi)路實(shí)驗(yàn)

與短距離高壓（220 kV，110 kV）輸電不同，超高壓遠(yuǎn)距離交流輸電，不同輸電距離末端開(kāi)路時(shí)，其末端開(kāi)路電壓與首端輸入電壓會(huì)有很大的不同，其值隨距離的不同而不同。

3.1 6 000 km范圍內(nèi)不同輸電距離末端開(kāi)路實(shí)驗(yàn)

線路參數(shù)為r0=0.026 5Ω/km，x0=0.284Ω/km，b0=0.91×10-6S/km[12]，首端電壓為500 kV，頻率為50Hz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 6 000 km不同距離開(kāi)路時(shí)，開(kāi)路點(diǎn)開(kāi)路電壓幅值、相位及對(duì)應(yīng)的首端電流幅值

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在輸電距離為3000km和6000km，其末端開(kāi)路電壓幅值接近首端（輸入端）電壓幅值，在其他距離時(shí)，開(kāi)路電壓會(huì)升高，在距離為1 500 km和4 500 km時(shí)，其開(kāi)路電壓幅值達(dá)到6 703 kV和2 220 kV。輸電線首端空載電流也隨開(kāi)路點(diǎn)不同而有較大的不同。實(shí)驗(yàn)表明，在距離為1 500 km和4 500 km時(shí)，首端空載電流分別達(dá)到24.87 kA和8.4 kA。

3.2 6 000 km末端開(kāi)路沿線各點(diǎn)電壓、電流實(shí)驗(yàn)

線路參數(shù)、首端電壓、頻率與3.1節(jié)相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，6 000 km末端開(kāi)路時(shí)，末端電壓幅值與首端電壓相同，線路上的電壓幅值不會(huì)出現(xiàn)高于首端電壓幅值，在1 500 km和4 500 km處達(dá)到小小的值，分別為107.8 kV和35.7 kV，在3 000 km處約為484 kV?？蛰d電流在首端3 000 km和6 000 km處達(dá)到很小的值，在1500 km和4 500 km處分別達(dá)到最大值，約為1.82 kA。

圖3 6 000 km末端開(kāi)路，沿線各點(diǎn)電壓、電流幅值及相位圖

圖4 3 000 km末端開(kāi)路，沿線各點(diǎn)電壓、電流幅值及相位圖

3.3 3 000 km末端開(kāi)路沿線各點(diǎn)電壓、電流實(shí)驗(yàn)

線路參數(shù)、首端電壓、頻率與3.1節(jié)相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3 000 km末端開(kāi)路時(shí)，末端電壓幅值與首端電壓相同，在1 500 km處達(dá)到最小值，約為36.66 kV?？蛰d電流在首端和末端為最小，在1 500 km處達(dá)到最大，約為1.83 kA。

4 輸電線路輸送功率實(shí)驗(yàn)

輸電線路長(zhǎng)度為3 000 km，頻率為50 Hz，首端電壓分別為500 kV和1 000 kV，設(shè)定輸送功率為自然功率、半自然功率和1.5倍自然功率3種情況，對(duì)其運(yùn)行時(shí)的電壓、電流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.1 不同輸送功率時(shí)，電壓、電流幅值及相位的比較

維持首端電壓為500 kV，線路參數(shù)為r0=0.026 5 Ω/km，x0=0.284 Ω/km，b0=3.91×10-6S/km，不同輸送功率時(shí)，沿線電壓、電流的幅值和相位如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在線路輸送自然功率時(shí)，線路沿線電壓幅值逐漸降低。在3 000 km處，達(dá)到最低值，約為434 kV，即降低了13.2%，這是由于線路上有電阻的緣故。如果線路是無(wú)損線，沿線電壓幅值將保持首端電壓值。

當(dāng)線路輸送功率為半自然功率時(shí)，線路沿線電壓幅值在前1 500 km內(nèi)是逐漸降低的，在1 500 km處達(dá)到最低值，約為264.6 kV，即降低了47.1%；在后1 500 km內(nèi)是逐漸有所升高，在3 000 km處電壓幅值為462.1 kV，比首端電壓降低了7.58%。曲線的形狀代表了輸送功率小于自然功率的情況，輸送功率愈小，在1 500 km處電壓幅值愈小，當(dāng)輸送功率為0時(shí)，即相當(dāng)于末端開(kāi)路情況。

當(dāng)線路輸送功率為1.5倍自然功率時(shí)，線路沿線電壓幅值在前1 500 km內(nèi)是逐漸升高的，在1 500 km處達(dá)到最高值，為640.3 kV，即升高了28.06%；在后1 500 km內(nèi)逐漸有所降低，在3 000 km處電壓幅值為405 kV，即比首端電壓降低了19.1%。曲線的形狀代表了輸送功率大于自然功率時(shí)的情況，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)輸送功率大于自然功率愈多，在1 500 km處電壓幅值升高也愈多。

沿線電壓相位變化從首端的0°變化到末端為500 kV時(shí)，約1/4的功率要損失掉。實(shí)驗(yàn)還表明，當(dāng)再計(jì)及電暈損失時(shí)，在正常的氣候條件下，功率損失將再增加3%左右?？傊L(zhǎng)距離輸電功率損失的主要因素是線路存在電阻，由此可見(jiàn)，如果超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展并成熟到實(shí)際應(yīng)用的程度，這對(duì)于減少輸?shù)?180°。

電流的大小取決于輸送功率的大小。當(dāng)輸送自然功率時(shí)，沿線電流逐漸變小，在 3 000 km處達(dá)到最小值，為1.599 kA，比首端小了13.6%。當(dāng)輸送功率為半自然功率時(shí)，在前1 500 km內(nèi)，電流逐漸增大，在1 440 km處達(dá)到最大值為1.778 kA，即增大了59.74%，隨后在后1 500 km內(nèi)逐漸減小，在3 000 km處達(dá)到最小值為0.854 kA。當(dāng)輸送功率為1.5倍自然功率時(shí)，在前1 500 km內(nèi)電流逐漸減小，在1 620 km處達(dá)到最小值為1.661 kA，即降低了33.5%，隨后電流逐漸增大，在3 000 km處達(dá)到2.256 kA，但仍小于首端電流2.498 kA的9.69%。

沿線電流相位變化從首端的0°逐漸變化到末端的-180°。

表1 不同線路參數(shù)時(shí)輸電功率損失

4.2 不同線路參數(shù)時(shí)，輸送功率損失實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)定線路長(zhǎng)度為3 000 km，首端電壓為500kV，將線路參數(shù)分3種情況來(lái)考慮，分別為1）x0，b0，其值與4.1節(jié)相同；2）r0，x0，b0，其值與4.1節(jié)相同；3）r0，x0，b0，其值與4.1節(jié)相同，并考慮g0=4.8×10-8S/km。3種不同情況下，輸送自然功率、半自然功率和1.5倍自然功率時(shí)的功率損失，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

實(shí)驗(yàn)表明，輸電電壓為500 kV，計(jì)及線路參數(shù)x0、b0時(shí)，線路是沒(méi)有功率損失的，即ΔP=0，因此也稱為無(wú)損線；當(dāng)計(jì)及線路電阻時(shí)，即計(jì)及r0時(shí)，末端功率損失達(dá)到24.50%~29.09%，也就是說(shuō)當(dāng)輸電電壓電損失將起到重大作用。

4.3 1 000 kV、3 000 km電壓、電流及功率損失實(shí)驗(yàn)

首端電壓為1 000 kV，線路參數(shù)為r0=0.007 58Ω/km，x0=0.263 65 Ω/km，b0=4.385 95×10-6S/km，不同輸送功率值時(shí)，沿線電壓、電流幅值和相位如圖6所示。

圖6 1 000 kV、3 000 km輸送功率沿線各點(diǎn)電壓、電流及相位圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，輸送電壓為1 000 kV時(shí)，在輸送不同功率的情況下，電壓、電流幅值及相位的變化與500 kV大體是相似的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，在輸電電壓提高到1 000 kV后，輸電功率損失有明顯的降低，其結(jié)果如表2所示。

表2 1 000 kV、3 000 km輸電功率損失

5 輸電頻率微小變化對(duì)輸電線運(yùn)行的影響實(shí)驗(yàn)

由于電網(wǎng)頻率并不嚴(yán)格保持在額定頻率50 Hz，因此對(duì)可能出現(xiàn)的頻率偏移時(shí)超長(zhǎng)距離輸電線可能出現(xiàn)的電壓、電流值的變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這里頻率變化采用49 Hz、49.5 Hz、50.5 Hz和51 Hz，運(yùn)行工況為末端開(kāi)路和送自然功率2種情況,輸電距離為3 000 km，如表3所示。

表3 500 kV輸電頻率微小變化時(shí)線路末端電壓、電流值

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，頻率在額定值±1 Hz范圍內(nèi)變化，對(duì)電壓和輸送功率的影響很小，幾乎可以忽略。

6 結(jié)論

1）在電壓為500 kV，線路長(zhǎng)度為3 000 km或6 000 km左右，也就是通常稱為半波長(zhǎng)或全波長(zhǎng)距離時(shí)，線路末端開(kāi)路，其末端開(kāi)路電壓值與首端電壓十分接近，此時(shí)線路上任何一處，其電壓幅值不會(huì)超過(guò)首端電壓幅值。在1 500 km和4 500 km處，其電壓值達(dá)到最低。線路長(zhǎng)度在1 500 km和4 500 km左右時(shí)，線路末端開(kāi)路，其開(kāi)路電壓幅值可以達(dá)到十多倍或數(shù)倍首端電壓值。

2）半波長(zhǎng)距離輸送功率小于自然功率時(shí)，沿線電壓幅值不會(huì)高于首端電壓，在1 500 km處達(dá)到最低值；輸送功率大于自然功率時(shí)，沿線電壓值會(huì)高于首端電壓值，在1 500 km處達(dá)到最大值。由此可見(jiàn)，如果以末端開(kāi)路電壓限制在首端電壓的±10%以內(nèi)，則線路長(zhǎng)度在2 600 km至3 480 km范圍內(nèi)均可以；如果限制在首端電壓的±5%以內(nèi)，則線路長(zhǎng)度在2 745 km至3 372 km范圍內(nèi)均可以。

3）由于線路電阻的存在，在輸送功率時(shí)必然有功率損失。實(shí)驗(yàn)表明功率損失與輸電電壓值關(guān)系十分密切。例如，在輸電電壓為500 kV時(shí)，半波長(zhǎng)距離線路輸電功率損失達(dá)到25%以上。若同樣長(zhǎng)度線路，用1 000 kV輸電，功率損失將降至9%左右，可見(jiàn)超長(zhǎng)距離輸電采用1 000 kV及以上電壓為好。

4）當(dāng)輸電電壓頻率偏移在一個(gè)不大的范圍內(nèi)，譬如±1 Hz，輸電線的運(yùn)行幾乎不會(huì)受到影響。

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