输电特性与输电能力的优化措施

1）输电线路的基本电气参数

交流输电线路的基本电气参数包括电阻（R0）、电抗（X0）、电导（G0）和电纳（B0），与超高压线路相比，特高压输电线路单位长度的R0有明显减小，X0略有减小，而B0有所增大。为了减少电晕对环境的影响，使电流在导线内尽可能均匀分布并降低线路电阻，特高压输电线通常采用分裂数较超高压线路更多的分裂导线。输电线路阻抗取决于每相子导线数目、分裂导线直径、子导线间距和相间距离，在相导线截面积大致相同时，随着分裂数的增加，线路阻抗逐渐减小，输电能力增强。

2）输电损耗

与超高压输电线路相比，特高压输电线路损耗大大降低。按采用线路的典型设计方案，在输送相同功率时，1000kV线路综合损耗约为500kV线路的一半。

3）系统稳定性和线路热稳定性对输电能力的影响

在确定输电线路的输电能力时，需要考虑系统稳定性及线路热稳定性对输电能力的限制。实际上，功角稳定性问题和无功控制问题是限制超高压和特高压交流输电系统输送能力的两个基本因素，而发热和电阻损耗问题一般不会成为限制其输电能力的因素。这是因为，超、特高压输电线路在线路设计和导线选取时需要满足相应的环境影响（工频电场、可听噪声、电磁干扰等）标准，而满足这些标准的导线通常具有很大的热容量，大大超过系统允许的稳定极限。因此，确定线路的输电容量主要根据线路运行时系统稳定性限制，如系统静态稳定裕度、暂态稳定及动态稳定性限制、线路电压降落百分比限制、线路最高运行电压限制等。系统的稳定性，不仅与线路本身的线路参数有关，同时还受到变压器参数、发电机参数、送受端系统强度、线路并联电抗器、串联电容器等的影响。文献[2]则认为，对于长输电距离（300km及以上）的特高压线路来说，其输电能力主要受功角稳定的限制，包括静态稳定、动态稳定和暂态稳定；对于中距离（80～300km）的线路，主要受电压稳定性的限制；对于短距离（小于80km）线路，则主要受热稳定极限的限制。因此，系统的稳定性要求是限制特高压线路输送能力的关键因素。

线路热稳定极限是指线路的最大载流能力Imax，超过这个载流能力运行，则可能会使线路过热，使线路的弛度增加，导线下垂，从而产生对地放电，导致线路事故。Imax对应一个保证热稳定的最大输送功率。由于特高压采用多分裂、大截面导线，其热稳定极限可达10000MW。因此，特高压线路的热稳定极限对线路输送能力并没有太大的限制作用，除非是很短的输电线路（例如，小于80km）。

4）送、受端系统强度对输电能力的影响

特高压送受端系统强度对交流特高压线路输电能力有很大影响，系统功角方程如式（3-1）所示。

式中，ES和ED分别为送、受端系统电压，θS、θD为送、受端系统相角，ZL、ZTS、ZTD分别为线路阻抗和送、受端变压器阻抗，ZS、ZD分别为送受端系统等值阻抗。

根据式（3-1），当送受端系统从弱到强时，其系统等值阻抗ZS、ZD逐渐减小，线路的输电能力将得到提升。特别对于中、短输电距离的特高压输电线路，由于送受端系统阻抗占线路总阻抗的比率很大，送受端的系统强度对线路输电能力的影响更为明显。在特高压输电建设初期，由于送、受端系统不强，特高压实际的输电能力将受到明显制约。

在送、受端系统强度一定的情况下，特高压线路的输电能力将随着输电距离的增加迅速减少，如果不在长线路中间落点（增加电压支持、将长线路分解为短线路），则整条线路的输电能力将受到明显限制。因此，要实现特高压远距离、大容量输电，必须在线路中间每隔300～500km处落点并配置电压支持。实际上，当单段线路长度超过500km时，线路上的过电压也同样难以得到有效的控制，因此，从这方面考虑，对长线路在中间进行适当分段也是必需的。

5）变压器阻抗对输电能力的影响

变压器阻抗是限制特高压输电能力非常重要的因素。实际上，影响线路输电能力的系统总阻抗主要由送受端等效的变压器阻抗、电源阻抗和线路阻抗几部分组成。随着输电电压的升高，等效的变压器阻抗占系统总阻抗的比率越来越大，对输电能力的影响也越来越大，故特高压系统中的变压器阻抗对输电能力的影响则会更大。特别对于中、短距离特高压输电线路来说，变压器阻抗成为整个输电系统限制输电能力的主要因素。因此，在这种情况下，仅靠单纯增加输电线路回数并不能有效提高线路输送容量，新增线路回数所能增加的线路输电能力将受到变压器阻抗和受端系统强度的限制。显然，对于中、短距离特高压输电线路，当线路从单回增加至多回，总输电能力也不会增加很多。

由式（3-1）可知，系统输送能力与其首末两端阻抗呈反比，而这一阻抗包含了线路阻抗和变压器阻抗。对特高压线路来说，由于其导线分裂数更多、等效直径更大，相同长度的线路阻抗ZL会小于超高压电压等级。但特高压变压器的阻抗ZT却大于超高压电压等级，这是因为一般来说随着额定电压的的升高，通常会加大变压器的阻抗以降低短路电流，例如500kV变压器的短路阻抗为12%，而1000kV变压器则达18%，甚至更高。按照18%的短路阻抗，计算得特高压变压器一次和二次侧总电抗约为75Ω，这相当于350km左右线路的电抗。因此，对于首末两端都通过特高压变压器与更低一级500kV电压等级相连的点对点线路来说，其两端变压器阻抗ZT即相当于700km线路的阻抗，这么大的阻抗会明显限制线路的输送能力。

关于特高压变压器的阻抗选择，有两种不同观点：一种是要求降低变压器阻抗以减小其对线路输送能力的影响；另一种则是基于高电压等级安全性考虑，认为应使变压器阻抗增大，以降低短路电流水平。这两种观点都有其道理，应予综合考虑，不可完全偏向一方，否则要么会使特高压线路输送能力大的优势无法充分发挥，要么会由于短路电流过大而使系统无法运行。

6）并联高抗对输电能力的影响

特高压线路的特点是线路长、输送容量大、充电功率大。远距离的特高压输电线充电功率很大，约为500kV线路的4.4倍，线路容升效应可能产生非常严重的工频过电压，严重影响输电可靠性，线路加装并联电抗器是限制这一工频过电压的重要措施。为将工频过电压限制在要求范围内，一般会在特高压线路上加装大容量的高压电抗器，其容量可达线路充电功率的80%～90%。但如此大容量的高抗，会在线路输送大负荷时影响线路的无功平衡。

图3-1为线路分布参数模型示意图，线路无功主要包括两方面：线路电感L0消耗的无功QL和线路电容C0提供的无功QC。若线路电压和电流有效值分别为UN和I，则：QC=jωC0U2N，QL=jωL0I2。可以看出，线路电容产生的无功QC仅与线路电压有关，与输送功率基本无关，考虑正常运行的线路上电压波动一般较小，故可认为QC不变。而输电线路电抗的无功损耗QL与线路电流I成平方关系，即与输送功率的平方成正比关系。(www.xing528.com)

图3-1　线路分布参数模型示意图

在特高压长线路空载运行时，高压并联电抗器需要向线路提供大量的感性无功以平衡特高压长线路对地电容所产生的大量容性无功；而在特高压长线路输送大功率时，线路电感L0本身消耗的无功QL与线路电容C0提供的无功QC可以基本相平衡。因此，在特高压长线路输送大功率情况下，高压并联电抗器无需再进一步提供的大容量感性无功，否则会造成无功难以平衡，从而压低系统电压，对系统的稳定运行造成严重的影响。这时，可以考虑以下三种方法来解决该问题，要么把高压并联电抗器予以切除；要么在特高压变压器第三线圈绕组（通常额定电压为110kV）投入一批电容器以补偿高压并联电抗器；要么将高压并联电抗器改为可以控制调节模式（可控电抗器），即高压并联电抗器本身是可以调节的，在线路空载时把电抗值调节到最大，而在最大负荷情况下将电抗值调节到最小（或为零）。实际上，第一种方式通常很难做到，因为对于大电流高压并联电抗器的切除，现有断路器开关技术很难实现。目前，在特高压实践中更多地采用是第二种方式。而第三种方式，应该是最有前途的方式，但一些研究单位都在积极开展研究，并已经在超高压输电工程中得到良好的应用，1000kV、200Mvar可控电抗器也已经在中国试制成功，并将在未来的特高压工程中得到应用。实际上，考虑在特高压输电中，无功调节的难度非常大，其在轻负荷时线路的无功过剩很多，而重负荷时线路的无功过剩很少甚至缺额，为更好适应特高压线路输送容量的变化，并联电抗器的补偿相比500kV则更需要采用可控方式。

7）线路阻抗对输电能力的影响

特高压输电线路的距离长，其线路阻抗较大，它会在线路两端造成较大的电压降落，而这也成为限制其输电能力的主要因素。因此，与超高压输电相类似，特高压线路输电能力也会随输电距离增加而减少。

综合考虑系统稳定、高抗等因素对特高压线路输电能力的影响后，可以得到输电线路长度对线路输送能力的影响见图3-2所示。

图3-2　输电线路长度对线路输送能力的影响

图3-2中L1和L2分别为80km和300km。由上图可以看出，当线路较短时（L小于80km），线路输送能力主要受热稳定极限的限制，即最大输送能力可达10000MW；对于中等距离线路（80～300km）来说，主要受无功平衡的限制，输送能力一般可达3000～5000MW；对于长距离线路（300km以上）来说，主要受功角稳定的限制，其输送能力一般低于4000MW。

8）串联电容对输电能力的影响

与并联电抗器措施的作用不同，串联电容补偿的作用相当于减少了输电线路的长度。串联电容器补偿是把电容串联在电网的输电线路上，以改善线路参数，提高线路输电能力。对特高压输电线路进行串联电容补偿能大幅度提高特高压线路的输电能力。但该措施存在可能导致谐振等问题，实践工程中一般不宜采用补偿度大于80%的串联电容。

鉴于上述诸多因素的影响，交流特高压输电线路并没有一个十分统一的输电能力标准，而是根据不同的实际情况有不同的输电能力水平，但总体上特高压交流输电具有非常巨大的电能输送潜力，能达到500kV超高压线路输电容量的4～5倍。同时，特高压输电线路不仅经济输电距离大，能够满足中国能源资源大范围实现优化配置的要求，而且可以实现多落点联网并获得电压支持，在网架设计方面具有很好的灵活性。

9）特高压线路输电能力提升措施

（1）采用同塔双回线路

采用同塔双回线路的好处是增大了线路的导流面积，从而提高了载流电流，相应的也提高了线路输送能力，并明显减小了线路走廊。事实上，目前特高压发展方向也是同塔双回线路，已经建成的晋东南—南阳—荆门单回特高压示范线路也为今后升级为双回预留了空间，并且中国在该示范线路之后建设规划中的特高压交流线路均采用双回线路。

（2）可控高抗的研发应用

由于特高压线路在线路空载情况下会发生幅值很高的严重工频过电压，必须有大容量的高抗进行限制；而在线路重载情况下，线路电感自身会消耗大量的无功，此时由线路电感自身消耗的无功会与线路电容产生的无功基本相平衡。在这种情况下，由并联高抗产生的感性无功会大量多余，严重影响线路的正常电压水平，危害系统安全。因此，特高压线路在线路空载情况下必须要高抗来控制过电压，但在线路重载情况下又必须减小、甚至切除高抗，这是一对矛盾，而可控高抗是最有可能解决这一矛盾的措施。

（3）串联补偿

线路阻抗在很大程度上会影响输送能力，串补电容可有效解决这一问题。串补电容器的原理是通过在线路上串联电容器容抗补偿线路部分感抗，使电气距离缩短，以达到提高线路输送能力的目的。特高压输电线路串补涉及稳定、高压、电力电子等多方面技术，难度极大，但目前特高压串联补偿装置在中国已经研发成功，并在晋东南—南阳—荆门特高压示范线路上得到良好应用。