胡濟(jì)洲，奚江惠

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；2.國家電網(wǎng)公司華中分部，湖北 武漢 430077）

0 引言

華中-西南電網(wǎng)正處于特高壓電網(wǎng)發(fā)展過渡階段，相比于交流，特高壓直流發(fā)展較快，造成交流電網(wǎng)在承受特高壓直流故障沖擊和潮流大范圍轉(zhuǎn)移方面能力不足；交流電網(wǎng)內(nèi)部局部地區(qū)如省間、三峽近區(qū)、負(fù)荷中心電網(wǎng)輸送能力不足與短路電流高的問題并存。運(yùn)行電網(wǎng)面臨的這些問題隨著交流電網(wǎng)按規(guī)劃目標(biāo)實(shí)現(xiàn)升級和優(yōu)化，基本都將逐漸解決，屬于具有階段性、臨時性的過渡期問題。但由于在各種內(nèi)外部因素影響下，過渡階段相對較長。如何以較小的代價緩解過渡階段交流電網(wǎng)能力不足帶來的矛盾，成為一個現(xiàn)實(shí)意義很強(qiáng)的問題。華中-西南電網(wǎng)采取了多種擴(kuò)能方法，這些方法未增加線路、變壓器等主設(shè)備，而是立足挖掘現(xiàn)有電網(wǎng)輸送潛力，從應(yīng)用情況看取得良好成效，具有推廣價值。

1 利用變壓器過負(fù)荷能力提高變壓器下網(wǎng)限額

華中電網(wǎng)各500 kV變壓器下網(wǎng)能力主要取決于主變N-1后的熱穩(wěn)定問題。如果按變壓器N-1，其余變壓器負(fù)載不超過額定負(fù)載制定下網(wǎng)限額，顯然會小于考慮變壓器一定程度的過負(fù)荷所得到的限額。一般變壓器都會具備一定的短時過負(fù)荷能力[1]，適當(dāng)利用變壓器短時過負(fù)荷能力可以提高變壓器下網(wǎng)限額。

由于變壓器過負(fù)荷運(yùn)行時狀態(tài)較為復(fù)雜，而500 kV變壓器對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有較大影響，為確保設(shè)備安全和正常使用年限及電網(wǎng)安全，華中電網(wǎng)在利用變壓器過負(fù)荷能力時相對保守，根據(jù)各變壓器的短期、長期急救周期性負(fù)載規(guī)定，按變壓器短時過負(fù)荷能力為1.3倍額定容量制定變壓器下網(wǎng)限額，提高了變壓器下網(wǎng)限額。這一做法既挖掘了既有變壓器輸送能力，也避免了因增加變壓器帶來的短路電流上升和投資的增加。

從規(guī)劃電網(wǎng)看，利用變壓器過負(fù)荷能力也極具經(jīng)濟(jì)性。若考慮4臺500 kV變壓器形成一個供區(qū)，按單臺變電容量100×104kV·A測算，考慮供區(qū)內(nèi)主變在“N-1”故障下，剩余主變可過載1.3倍。則根據(jù)“十三五”末湖北電網(wǎng)負(fù)荷水平，需4 985×104kV·A主變?nèi)萘?，相比?guī)劃容量6 064.8×104kV·A減少1 079.8×104kV·A，可減少投資約9.72億元。

2 通過改變溫度指標(biāo)提高線路輸電能力

通過提高線路長期允許載流量可提高線路輸送能力，應(yīng)用較多的是提高線路最高允許溫度。導(dǎo)線最高允許溫度從70℃提升至80℃和90℃，導(dǎo)線載流量分別提高約25%和45%[2-3]，經(jīng)濟(jì)效益可觀。當(dāng)然，采用該方法必須考慮導(dǎo)線經(jīng)長期運(yùn)行后的強(qiáng)度損失和聯(lián)接金具的發(fā)熱以及對弧垂的影響。

國內(nèi)試驗(yàn)表明，鋼芯鋁絞線在80℃時導(dǎo)線強(qiáng)度不低于計算拉斷力；日本試驗(yàn)顯示，鋼芯鋁絞線在90℃時強(qiáng)度即使有所損失，也能滿足工程的要求；前蘇聯(lián)、比利時和加拿大的試驗(yàn)表明，鋼芯鋁絞線的允許溫度可以超過90℃。

表1 世界各國對鋼芯鋁絞線規(guī)定的允許溫度Tab.1 Allowable temperature of steel reinforced by some countries

對導(dǎo)線配套金具，國內(nèi)試驗(yàn)證明，導(dǎo)線溫度80℃時，配套金具的溫度不超過67℃，金具溫度在80℃以下時，對導(dǎo)線的握力基本沒有影響（仍在導(dǎo)線額定拉斷力的95%以上）。

提高導(dǎo)線發(fā)熱允許溫度會引起線路弧垂增大，對地及交叉跨越物的距離減小，影響線路安全運(yùn)行。目前運(yùn)行的線路設(shè)計導(dǎo)線弧垂與標(biāo)準(zhǔn)鐵軌、高速公路、一級公路交叉時，如交叉檔距超過200 m時，導(dǎo)線的最大弧垂按允許溫度70℃設(shè)計。導(dǎo)線與地面、建筑物、樹木、鐵路、道路、河流、管道、索道及各種架空線路的距離，根據(jù)最高氣溫(一般為40℃)或覆冰無風(fēng)情況設(shè)計最大弧垂。試驗(yàn)表明：導(dǎo)線運(yùn)行溫度每升高10℃，弧垂增加約0.5 m。因此，當(dāng)導(dǎo)線允許溫度從70℃提高到80℃和90℃下運(yùn)行時，對于普通交叉跨越，校核交叉處垂直距離，折算至40℃高溫工況后的距離實(shí)際允許值比現(xiàn)有規(guī)程要求值大0.5～1.0 m，即可滿足導(dǎo)線在80℃和90℃下運(yùn)行；對于重要交叉跨越，校核交叉處垂直距離，折算到40℃高溫工況后的距離實(shí)際允許值比現(xiàn)有規(guī)程要求值大2.0～2.5 m時，即可滿足導(dǎo)線在80℃和90℃下運(yùn)行。

在充分考慮并計算上述因素的影響后，陸續(xù)將省間斷面、三峽近區(qū)及部分重要通道的線路，如500 kV葛崗線、磁永線、龍斗三回線、斗笠-樊城-臥龍-奚賢-白河線路及豫南白香線、湛白線等線路的最高允許溫度從70℃提升至80℃。提高線路最高允許溫度后，LGJ4×300、LGJ4×400線路輸送能力提高約40×104kW、LGJ4×500線路輸送能力提高約70×104kW，相應(yīng)所在斷面輸送能力得到明顯提高。

3 降低短路電流同時保證電網(wǎng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不降低

鄂東500 kV雙環(huán)網(wǎng)的孝感、鳳凰山、玉賢等多個變電站有額定短路電流為50 kA的開關(guān)，隨著電網(wǎng)規(guī)模增長，短路電流已超過50 kA。已有更換為額定短路電流63 kA開關(guān)的規(guī)劃，然而根據(jù)規(guī)劃進(jìn)度，過渡期較長，在較長時期內(nèi)仍需要采取運(yùn)行措施控制短路電流。運(yùn)行中考慮過拉停500 kV線路或限制鄂東機(jī)組開機(jī)的措施，均可有效降低短路電流，但無法滿足電網(wǎng)安全和輸送能力的要求，主要原因是由于鄂東500 kV環(huán)網(wǎng)潮流已經(jīng)長期重載，拉停線路必然降低輸送能力；而限制機(jī)組開機(jī)則可能造成大負(fù)荷時地區(qū)供電能力不足，且使調(diào)控運(yùn)行缺乏控制斷面潮流的手段。運(yùn)行中是結(jié)合各500 kV變電站具體配串，經(jīng)短路電流計算和安全穩(wěn)定校核，拉停500 kV邊開關(guān)或中開關(guān)[4]，保證了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不降低，從而保證了斷面輸送能力和機(jī)組運(yùn)行方式的靈活性。

500 kV江陵變電站位于三峽外送通道，500 kV進(jìn)出線密集，短路電流已超過63 kA。為限制江陵短路電流，在三峽開機(jī)較多時拉停500 kV江興一回線。而三峽近區(qū)匯集大量水電，拉停江興一回嚴(yán)重降低斷面輸送能力，且另一回潮流重載。而豐水期三峽電站調(diào)節(jié)能力差，不能通過限制三峽開機(jī)減輕潮流，只能限制以三峽為樞紐的鄂豫、鄂湘、渝鄂省間斷面和其他電廠運(yùn)行方式。經(jīng)計算，采用團(tuán)林-江陵雙回線加裝串聯(lián)電抗器[5]的方法，可有效降低江陵站短路電流。該工程2016年4月完成，保證了當(dāng)年豐水期江興斷面完整，輸送能力提高100×104kW，直接提高了三峽近區(qū)匯集的大量水電的疏散能力，也解除了該斷面對運(yùn)行方式和省間互濟(jì)的制約。

4 優(yōu)化控制措施和策略提高特高壓直流和交流主通道輸送能力

根據(jù)運(yùn)行統(tǒng)計數(shù)據(jù)，隨著復(fù)奉、錦蘇、賓金、天中特高壓直流陸續(xù)投產(chǎn)，特高壓直流各種故障，如特高壓直流再啟動、直流連續(xù)換相失敗等都可能對交流電網(wǎng)帶來較大沖擊，使主通道潮流、電壓發(fā)生大幅波動，威脅電網(wǎng)安全。為保證電網(wǎng)安全，往往需要限制特高壓直流輸送功率，或限制交流電網(wǎng)薄弱主通道輸送功率，無疑降低了電網(wǎng)運(yùn)行效率，“強(qiáng)直弱交”的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生這一問題的根本原因。在電網(wǎng)發(fā)展過渡階段，華中-西南電網(wǎng)通過調(diào)整或優(yōu)化控制策略和措施的方法提高特高壓直流和交流電網(wǎng)主通道的輸送能力。

4.1 建設(shè)交直流協(xié)控系統(tǒng)，提高跨區(qū)通道輸送能力

華中-華北電網(wǎng)經(jīng)特高壓交流長南線單線聯(lián)網(wǎng)，特高壓直流故障帶來的功率不平衡會造成長南線功率大幅波動。若長南線功率波動幅度過大超過其靜穩(wěn)極限，可能造成長南線解列進(jìn)而引發(fā)華中-西南電網(wǎng)聯(lián)鎖故障的風(fēng)險，需要限制直流、長南線同時向華中送電總功率。配置了德寶直流（送華中-西南電網(wǎng)時）、天中特高壓直流閉鎖調(diào)制三峽、西南送出型直流的交直流協(xié)控系統(tǒng)[6-7]，分別提高德寶直流和長南線、天中直流和長南線的綜合輸電能力200×104kW。

4.2 減小特高壓直流換相失敗過程對交流電網(wǎng)沖擊，提高特高壓直流輸送能力

特高壓直流連續(xù)多次換相失敗將使送端電網(wǎng)出現(xiàn)連續(xù)多個功率大幅波動過程，對送端電網(wǎng)造成連續(xù)沖擊。圖1是西南復(fù)奉、錦蘇和賓金三大特高壓直流發(fā)生同時連續(xù)2次換相失敗故障，華中-華北1 000 kV交流聯(lián)絡(luò)線長南線的功率波動曲線和華中-華北機(jī)組功角曲線。從仿真曲線可看出，在故障沖擊下，華中、華北電網(wǎng)解列。針對這一故障形式，需要研究減小特高壓直流連續(xù)換相失敗對送端交流電網(wǎng)的沖擊的方法，避免限制特高壓直流輸送能力。

圖1 西南三大特高壓直流同時連續(xù)2次換相失敗，長南線功率及華中-華北機(jī)組功角曲線Fig.1δ-t curve between North China and Central China and P-t curve of Changnan line during the simultaneous multi-UHVDC commutation failure

根據(jù)仿真結(jié)論，在受端、送端電網(wǎng)共同采取措施。對于受端電網(wǎng)，由于受端華東500 kV線路發(fā)生單相永久故障，重合閘重合于永久故障再跳開會形成直流換相失敗帶來的交流電網(wǎng)2次功率波動過程。這2次過程間隔時間越短，對于送端電網(wǎng)的暫態(tài)能量沖擊累積效應(yīng)越明顯。在國調(diào)中心統(tǒng)一組織下，華東電網(wǎng)延長了部分500 kV線路單相重合閘整定時間，加長2次功率波動過程間隔時間，減小能量沖擊累積效應(yīng)。在送端電網(wǎng)中，則裝設(shè)多回特高壓直流同時換相失敗切機(jī)裝置，若發(fā)生多個特高壓同時2次換相失敗，則切除送端3～4臺機(jī)組以減小暫態(tài)沖擊過程的加速能量。通過送、受端共同采取措施的方法[8]，避免特高壓直流輸送能力受限。

此外，由于特高壓直流連續(xù)換相失敗對交流電網(wǎng)形成連續(xù)的沖擊，在直流發(fā)生連續(xù)換相失敗故障時需及時閉鎖直流，中斷對交流電網(wǎng)的持續(xù)沖擊。仿真計算表明，特高壓錦蘇直流連續(xù)4次換相失敗將造成長南線、渝鄂斷面解列，為保持系統(tǒng)穩(wěn)定需降低川渝、渝鄂斷面送出能力20×104kW甚至更多。根據(jù)仿真結(jié)論，設(shè)置特高壓直流連續(xù)換相失敗直流控保策略為：復(fù)奉直流輸送功率400×104kW及以上，當(dāng)連續(xù)換相失敗第4次時，閉鎖直流并切機(jī)；錦蘇、賓金直流輸送功率400×104kW及以上，當(dāng)連續(xù)換相失敗第3次時，閉鎖直流并切機(jī)。按此策略，西南三大特高壓直流可滿功率輸送，且川渝、渝鄂斷面輸送能力也不必降低。

4.3 減小特高壓直流再啟動過程對交流電網(wǎng)沖擊，提高特高壓直流輸送能力

由于特高壓直流線路地理跨度大，發(fā)生瞬時故障的可能性比超高壓直流大，同時特高壓復(fù)奉、錦蘇和賓金直流送端位于西南-華中-華北長鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)末端，特高壓直流輸送功率遠(yuǎn)大于超高壓直流，其再啟動過程中巨大的不平衡功率將對送端電網(wǎng)造成嚴(yán)重沖擊，需要制定適應(yīng)特高壓直流的再啟動策略，而不是簡單照搬三峽送出超高壓直流的再啟動策略。

三峽送出超高壓直流的再啟動策略為：直流故障后兩次原壓再啟動、一次降壓再啟動，若不成功則轉(zhuǎn)閉鎖進(jìn)入直流閉鎖送端切機(jī)策略執(zhí)行過程。根據(jù)仿真計算，該策略下華中-西南電網(wǎng)存在不能承受特高壓直流再啟動過程中的功率沖擊而失穩(wěn)的可能，需限制特高壓直流輸送功率不超過200×104kW才可保持送端交流電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。因此需要制定針對性的特高壓直流故障再啟動策略以提高特高壓直流輸送能力。實(shí)踐中是采取根據(jù)特高壓直流不同輸送功率實(shí)施不同再啟動策略的方法，有效保證了特高壓直流輸送能力。具體策略為：當(dāng)特高壓直流功率小于200×104kW，原壓再啟動2次，降壓再啟動1次，不成功則閉鎖直流；當(dāng)特高壓直流功率在200×104～400×104kW 范圍內(nèi)，則原壓再啟動2次，降壓70%再啟動1次，同時閉鎖另一極再啟動功能；當(dāng)特高壓直流功率大于400×104kW，則原壓再啟動2次，同時閉鎖另一極的再啟動功能。

5 結(jié)語

電網(wǎng)發(fā)展過渡期中，輸送能力不足的問題往往具有階段性、臨時性的過渡階段特征，以較小的代價緩解運(yùn)行矛盾意味著要對運(yùn)行電網(wǎng)輸送能力盡量挖潛。華中電網(wǎng)采用了利用變壓器過負(fù)荷能力提高變壓器下網(wǎng)限額、提高線路最高運(yùn)行溫度提高線路輸送能力、治理短路電流超限同時不降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度從而保證輸送能力和安全穩(wěn)定水平，優(yōu)化特高壓直流控制策略等多種方法對現(xiàn)有電網(wǎng)充分挖潛，提高了重要斷面輸送能力，保證跨區(qū)通道輸送能力，取得良好效果。這些方法雖然是在華中電網(wǎng)應(yīng)用，但具有普遍意義和推廣價值。

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