直流高壓輸電問題研究

王金宇 東北電力大學(xué)13級(jí)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(xué)13級(jí)輸電工程 吉林 132000

【文章摘要】

電力供應(yīng)是關(guān)系到國計(jì)民生的重要問題，高壓輸電是電力傳輸過程中的重要技術(shù)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(fù)荷區(qū)域分布不均，這些特點(diǎn)也需要進(jìn)一步建設(shè)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(yīng)，其強(qiáng)度會(huì)隨著電壓的增加而加大。同時(shí)輸電過程中電壓是否穩(wěn)定輸出，電線的保護(hù)等問題均需要相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步解決。這幾個(gè)方面的問題在選擇線路的配置、決定建設(shè)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(hù)等問題進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】

高壓；輸電線路；電磁環(huán)境；電壓穩(wěn)定性；線路保護(hù)

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(yīng)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(shí)直流輸電具有較為簡單的高壓輸電線路。由于只存在正負(fù)極，高壓直流輸電線路在維護(hù)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(wù)，增強(qiáng)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(dú)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(diǎn)，因此，它的主要應(yīng)用領(lǐng)域在以下幾個(gè)方面：遠(yuǎn)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(yīng)用規(guī)模在世界范圍內(nèi)都處于前列。高壓直流輸電技術(shù)在我國前途光明，用途廣泛，但是我國在直流技術(shù)研究方面并不領(lǐng)先。高壓直流輸電線路保護(hù)的情況對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定性影響重大，關(guān)系到國計(jì)民生。應(yīng)當(dāng)加大線路保護(hù)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(dǎo)線多等特點(diǎn)，必然導(dǎo)致導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度以及輸電設(shè)備周圍的空間電場強(qiáng)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(qiáng)電場效應(yīng)對(duì)人體和生態(tài)環(huán)境是否會(huì)帶來危害，長期以來一直受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。

1.2.2電壓穩(wěn)定性

高壓直流輸電技術(shù)極大的提高了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)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(gè)重點(diǎn)，高壓直流輸電系統(tǒng)接入弱交流系統(tǒng)被認(rèn)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(yīng)用大量的電力電子器件，使得交直流系統(tǒng)具有很強(qiáng)的非線性特性，直流換流器的運(yùn)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(duì)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(xiǎn)的挑戰(zhàn)之中。因此通過對(duì)高壓直流輸電對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究，對(duì)于具體的工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行都具有非常重要的理論意義和工程價(jià)值。

1.2.3線路保護(hù)

高壓直流輸電線路具有巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，因此對(duì)高壓直流輸電線路的保護(hù)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(fù)雜，是最容易發(fā)生故障的電力設(shè)備。高壓直流輸電線路故障后果嚴(yán)重，不僅對(duì)電網(wǎng)本身是一個(gè)較大的損失，對(duì)需要電力供應(yīng)的其他生產(chǎn)活動(dòng)也會(huì)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(yán)重的經(jīng)濟(jì)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(shí)，導(dǎo)線上的電荷將在空間產(chǎn)生工頻電場，導(dǎo)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(qiáng)度描述。工頻電場能在人和物體上感應(yīng)出電壓。在強(qiáng)電場中，對(duì)地絕緣的人接觸接地物體，處于地電位的人接觸對(duì)地絕緣的物體，可能會(huì)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(yīng)。關(guān)于工頻電場另外一個(gè)問題是，工頻電場是否會(huì)產(chǎn)生長期的生態(tài)影響。隨著電壓等級(jí)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(guān)注的焦點(diǎn)。而且選擇輸電線路走廊，除了考慮電氣強(qiáng)度因素外，輸電線路下方的電場強(qiáng)度也是一個(gè)重要因素。

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

高壓輸電線路的電場還會(huì)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(duì)的，長期影響指人在高壓輸電線路附近長期工作或生活時(shí)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(yùn)行狀態(tài)下并在某一時(shí)刻受到一定的擾動(dòng)后，如果負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓趨于擾動(dòng)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(dòng)的大小可以分為靜態(tài)電壓穩(wěn)定（小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定）和大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定。靜態(tài)電壓穩(wěn)定主要是研究系統(tǒng)中負(fù)荷緩慢變化的過程中對(duì)電壓的控制能力，通常使用的研究方法是在給定平衡點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化。大擾動(dòng)主要研究例如系統(tǒng)發(fā)生故障、切負(fù)荷、切機(jī)、直流閉鎖等情況下對(duì)系統(tǒng)電壓的控制能力，需要通過在一個(gè)相對(duì)長的時(shí)間內(nèi)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)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(dòng)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(jì)及元件動(dòng)態(tài)特性的代數(shù)方程表示，負(fù)荷端母線電壓隨負(fù)荷的緩慢增加而緩慢變化，最后恢復(fù)到穩(wěn)定的水平。動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定研究負(fù)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(dòng)下，節(jié)點(diǎn)電壓能夠恢復(fù)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(hù)

對(duì)于長距離直流輸電線路，有些情況下的故障可能會(huì)使直流差動(dòng)保護(hù)的機(jī)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(dāng)補(bǔ)償對(duì)該分布電容電流，從而使得分布電容電流對(duì)于直流差動(dòng)保護(hù)的影響大大降低。

新型特高壓直流輸電線路差動(dòng)保護(hù)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(dòng)任何導(dǎo)致直流電壓變化的暫態(tài)過程均可導(dǎo)致傳統(tǒng)直流差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。之所以這樣是由于傳統(tǒng)線路保護(hù)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(dòng)保護(hù)應(yīng)該具有的靈敏度高、動(dòng)作速度快的優(yōu)點(diǎn)。

耐故障電阻能力差是目前高壓直流輸電線路保護(hù)遇到的最大問題。總體來看，當(dāng)前所采用的高壓直流輸電線路保護(hù)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(shù)特點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)和廣泛應(yīng)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(hù)等問題。分析了當(dāng)前解決上述問題的常用方法。

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