王金宇 東北電力大學13級輸電工程 吉林 132000

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直流高壓輸電問題研究

王金宇 東北電力大學13級輸電工程 吉林 132000

【文章摘要】

電力供應是關系到國計民生的重要問題，高壓輸電是電力傳輸過程中的重要技術手段。然而，目前我國的電網(wǎng)配置，與日益增長的國民需求漸漸不能匹配。并且我國能源分布不均勻，產(chǎn)電區(qū)域、負荷區(qū)域分布不均，這些特點也需要進一步建設高壓輸電系統(tǒng)。高壓輸電過程中存在著一系列問題。電線周圍存在著電磁效應，其強度會隨著電壓的增加而加大。同時輸電過程中電壓是否穩(wěn)定輸出，電線的保護等問題均需要相關技術進一步解決。這幾個方面的問題在選擇線路的配置、決定建設的花銷等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。本文就高電壓輸電線路電磁環(huán)境問題、電壓穩(wěn)定性、電線保護等問題進行了研究。

【關鍵詞】

高壓；輸電線路；電磁環(huán)境；電壓穩(wěn)定性；線路保護

1　緒論

1.1研究背景

電力系統(tǒng)輸電方式多種多樣，目前較為常見的有高壓交流輸電和高壓直流輸電。兩種方式都有廣泛的應用，也各有所長。高壓直流輸電比傳統(tǒng)交流輸電方式、高效的輸電能力；同時直流輸電具有較為簡單的高壓輸電線路。由于只存在正負極，高壓直流輸電線路在維護和保養(yǎng)過程中更加簡單，這也在一定程度上減少了工作任務，增強了安全系數(shù)。高壓直流輸電線路有兩條線路，每條線路可以獨立工作互不干擾。高壓直流輸電具有輸送距離長、承載容量大、功率容易控制等多種優(yōu)點，因此，它的主要應用領域在以下幾個方面：遠距離、非同步電網(wǎng)互聯(lián)、新能源接入電網(wǎng)、城市中心區(qū)域供電。

目前我國直流電的應用規(guī)模在世界范圍內(nèi)都處于前列。高壓直流輸電技術在我國前途光明，用途廣泛，但是我國在直流技術研究方面并不領先。高壓直流輸電線路保護的情況對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定性影響重大，關系到國計民生。應當加大線路保護的研發(fā)力度。

1.2問題的引入

1.2.1電磁環(huán)境

輸電線路和變電站的生態(tài)環(huán)境影響主要表現(xiàn)在土地的利用、電暈所引起的通信干擾等方面。由于特高壓輸電電壓高、分裂導線多等特點，必然導致導線表面電場強度以及輸電設備周圍的空間電場強度的升高。而特高壓輸電線路和變電站出現(xiàn)的電暈現(xiàn)象和強電場效應對人體和生態(tài)環(huán)境是否會帶來危害，長期以來一直受到社會的廣泛關注。

1.2.2電壓穩(wěn)定性

高壓直流輸電技術極大的提高了電網(wǎng)的經(jīng)濟效益，同時也帶來許多的問題，其中電壓穩(wěn)定性問題一直是研究中的一個重點，高壓直流輸電系統(tǒng)接入弱交流系統(tǒng)被認為是引起電壓失穩(wěn)的主要因素。相比交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)具有更多的參數(shù)和變量，并且其中應用大量的電力電子器件，使得交直流系統(tǒng)具有很強的非線性特性，直流換流器的運行需要大量的無功功率作為支撐，逆變器吸收的無功功率約占直流傳輸功率的40%～60%，這對直流系統(tǒng)的容量提出非常高的要求，使得系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性置于危險的挑戰(zhàn)之中。因此通過對高壓直流輸電對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究，對于具體的工程規(guī)劃、設計和運行都具有非常重要的理論意義和工程價值。

1.2.3線路保護

高壓直流輸電線路具有巨大的經(jīng)濟效應，因此對高壓直流輸電線路的保護工作尤為重要。高壓直流輸電線路分布廣闊、地理環(huán)境惡劣和氣象環(huán)境復雜，是最容易發(fā)生故障的電力設備。高壓直流輸電線路故障后果嚴重，不僅對電網(wǎng)本身是一個較大的損失，對需要電力供應的其他生產(chǎn)活動也會帶來不可估量的損失。世界上曾出現(xiàn)過多次高壓直流輸電線路故障案例，這些事故均產(chǎn)生了嚴重的經(jīng)濟后果。

2　問題研究

2.1高壓直流輸電過程中的電磁環(huán)境

交流輸電線路工作時，導線上的電荷將在空間產(chǎn)生工頻電場，導線內(nèi)的電流將在空間產(chǎn)生工頻磁場。電場一般用電場強度描述。工頻電場能在人和物體上感應出電壓。在強電場中，對地絕緣的人接觸接地物體，處于地電位的人接觸對地絕緣的物體，可能會有能感覺到的電流流過人體或出現(xiàn)不火花放電。這是工頻電場的短期效應。關于工頻電場另外一個問題是，工頻電場是否會產(chǎn)生長期的生態(tài)影響。隨著電壓等級的提高，尤其發(fā)展到特高壓階段，輸電工程的工頻電場和磁場的長期生態(tài)影響如何，已經(jīng)變成人們關注的焦點。而且選擇輸電線路走廊，除了考慮電氣強度因素外，輸電線路下方的電場強度也是一個重要因素。

空間某點電場強度值與每根導線上電荷的數(shù)量以及該點與導線之間的距離有關；導線上的電荷多少，除與所加電壓有關外，還與導線的幾何位置及其尺寸有關。因此，導線的布置形式、對地距離和相間距離、分裂根數(shù)以及雙回路時兩回路間電壓的相序等，都直接影響線下電場強度的分布和大小。

高壓輸電線路的電場還會產(chǎn)生生態(tài)影響，主要有短期影響、長期影響兩類。短期影響指人在高壓輸電線路附近短暫停留可能產(chǎn)生的影響；相對的，長期影響指人在高壓輸電線路附近長期工作或生活時可能受到的影響。

2.2高壓直流輸電過程中的電壓穩(wěn)定性研究

電力系統(tǒng)在給定的運行狀態(tài)下并在某一時刻受到一定的擾動后，如果負荷節(jié)點處的電壓趨于擾動后某一平衡值，就稱系統(tǒng)是“電壓穩(wěn)定”的，如果電壓不斷降低（不斷升高）則電壓失穩(wěn)。

電壓穩(wěn)定根據(jù)受到擾動的大小可以分為靜態(tài)電壓穩(wěn)定（小擾動電壓穩(wěn)定）和大擾動電壓穩(wěn)定。靜態(tài)電壓穩(wěn)定主要是研究系統(tǒng)中負荷緩慢變化的過程中對電壓的控制能力，通常使用的研究方法是在給定平衡點對系統(tǒng)進行線性化。大擾動主要研究例如系統(tǒng)發(fā)生故障、切負荷、切機、直流閉鎖等情況下對系統(tǒng)電壓的控制能力，需要通過在一個相對長的時間內(nèi)對系統(tǒng)的動態(tài)行為進行分析。

根據(jù)研究的方法的不同，可以把電壓穩(wěn)定分為靜態(tài)、動態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定。靜態(tài)電壓穩(wěn)定研究中所用的系統(tǒng)模型采用不計及元件動態(tài)特性的代數(shù)方程表示，負荷端母線電壓隨負荷的緩慢增加而緩慢變化，最后恢復到穩(wěn)定的水平。動態(tài)電壓穩(wěn)定研究負荷緩慢變化過程中系統(tǒng)維持電壓在某一穩(wěn)定值的水平。暫態(tài)電壓穩(wěn)定研究系統(tǒng)DAE模型在大擾動下，節(jié)點電壓能夠恢復到穩(wěn)定性水平的能力。

2.3高壓直流輸電過程中的線路保護

對于長距離直流輸電線路，有些情況下的故障可能會使直流差動保護的機制發(fā)生誤判。

比如，則分布電容電流較大。為了提高線路的可靠性，可以適當補償對該分布電容電流，從而使得分布電容電流對于直流差動保護的影響大大降低。

新型特高壓直流輸電線路差動保護方案為了保證線路的可靠穩(wěn)定和靈敏度要求。

傳統(tǒng)直流線路差動任何導致直流電壓變化的暫態(tài)過程均可導致傳統(tǒng)直流差動保護誤動。之所以這樣是由于傳統(tǒng)線路保護沒有考慮長距離大容量直流線路故障后的暫態(tài)電容電流影響。新型的直流線路電流差動保護應該具有的靈敏度高、動作速度快的優(yōu)點。

耐故障電阻能力差是目前高壓直流輸電線路保護遇到的最大問題?？傮w來看，當前所采用的高壓直流輸電線路保護方案存在隱患。在直流線路末端故障或直流。

3　全文總結(jié)

本文研究了高壓直流輸電的問題。首先分析了高壓直流輸電的技術特點，優(yōu)勢和廣泛應用的原因。隨后研究了其輸電過程中產(chǎn)生的電磁環(huán)境問題，電壓穩(wěn)定性問題和線路保護等問題。分析了當前解決上述問題的常用方法。

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