现代电力系统中超高压输电的应用范围探析

为了将大量的电能进行远距离传输，超高压输电需要一系列的设备和设施，包括所有的线路、变压器、自耦变压器、开关、补偿设备、提高输电能力的设备，以及其他一些保证电力传输设备的终端和中间变电站。

为了明确超高压输电在电力系统中的地位和作用，首先关注一下现代电力技术的发展趋势。

现代电力技术的发展呈现出两个主要的趋势：

1）发电机组和发电厂的容量不断增大；

2）互联电力系统和大型的联合电力系统不断扩建。

现代火电厂的装机容量达到了2.4～4.8GW，核电站可达到4～6GW，水电站为6～12GW。火电机组和核电机组的单机容量可达1GW，水电机组可达700MW。这是存在一系列原因的，其中包括经济因素。相对来说，大型发电机组和大型发电厂1MW装机容量的单位成本和金属耗用量是非常低的。除此之外，建造一个大型发电厂的占地面积比建造几个小型发电厂的要小。在现代，经济性是实际工程所面临的首要问题之一，节约工程投资的意义还是很大的。

此时产生了如何将大型发电厂的功率释放并传输到负荷节点的问题。显而易见，只要借助于具有较高输电能力的线路就可以了，但要求超高压输电线路单回线的输送能力达到1～5GW。

输电能力就是考虑所有的技术条件限制，线路所能传输的最大功率。这些限制包括：被连接系统的静态和动态稳定性，导线的允许温升，线路两端的最高电压和开断电流。对于长距离超高压输电线路，输电能力主要受到被连接系统或者远方变电站与主电网之间并行工作的稳定性限制。对于相对较短的输电线路，系统的稳定性和导线温升是决定输电能力的主要因素。

表1.2列出了不同电压等级输电线路的输电能力与线路长度的关系，在此以自然功率来度量线路的输电能力（尽管在实际情况中线路的自然功率和输电能力受很多因素的影响，如线路的长度、外部电阻等）。

表1.2 330～1150kV超高压线路的输电能力

① 具有可控横向补偿。

由于各种原因，大型发电厂可能距离受电系统较远。各种类型的发电厂都可能出现这种情况：例如，水电站一般建设在遥远的河坝上，火电厂位于坑口，在切尔诺贝利事故之后核电站建设在距离居民区很远的地方。此时就出现了电力远距离传输的问题，输电距离可达数百甚至是上千千米。这个问题只有通过采用具有较大输电能力的长距离超高压输电线路才能解决。

古比雪夫—莫斯科和伏尔加格勒—莫斯科的输电线路在开始建成投运时，就是超高压输电线路，其输送超过2GW的功率、经过大约1000km的距离到莫斯科。国外类似的情况是伊泰普水电站（巴西），其输送的功率达到12600MW，输电距离将近900km。

超高压输电同样被使用在对距离电网较远、没有足够电源的大型工业区进行保障供电的情况下，当所在区域的负荷总功率与被设计的输电能力相匹配时，使用超高压输电是比较合适的。

现代电力技术发展的另一个趋势是互联电力系统和大型联合电力系统的不断发展，其使得装机容量不断增加、主干线路的接线方式日趋复杂，但同时也产生了很大的经济效益。

互联电力系统是几个并行工作的、运行方式一致的系统，有着统一的调度中心。在俄罗斯有7个互联电力系统，分别是中央互联电力系统、西北互联电力系统、中伏尔加互联电力系统、乌拉尔互联电力系统等。除了东部互联电力系统之外，其他的互联电力系统都属于俄罗斯统一电力系统。在周边国家也有自己的电力系统，例如白俄罗斯、高加索、波罗的海国家等。而乌克兰的部分地区电网与俄罗斯统一电力系统是并行工作的。图1.2是俄罗斯统一电力系统及其与周边国家电网连接的结构图。

国外的互联电力系统也被称为联合电力系统。在美国的部分地区有类似的、带有调度中心的联合电力系统，在此被称为电力库。电力库领导各成员电力系统开展工作，包括运行方式安排、组织交易等。同时，在很多国家也有无统一调度中心的联合电力系统（如美国的东部和西部，西欧）。但这些国家也存在一些由所有并行工作的成员电力系统代表组成的机构。这些机构负责分析联合电力系统的运行效果，制定其工作计划和审批远景规划方案。

现代互联电力系统或联合电力系统覆盖的区域非常广，在如此大的区域内能源和生产力的分布是非常不均匀的。

图1.2 俄罗斯统一电力系统及其与周边国家电网连接的结构图(www.xing528.com)

互联电0力系统的优点体现在：

1）在必须满足互联电力系统最大负荷的前提下，降低了发电厂的总装机容量；

2）考虑到所有并行工作电力系统之间的相互支持，从而降低了互联电力系统的运行和检修备用容量；

3）发电厂和单个发电机组容量的增加，降低了单位燃料消耗和电力成本，提高了运行的经济性；

4）考虑到互联电力系统的总备用容量是可以利用的，从而提高了在大容量发电机组运行情况下用户供电的可靠性；同时由于稳定的电压和频率支持，从而提高了电能质量；

5）能够更合理地使用水电站和抽水蓄能电站，维持互联电力系统有功功率平衡和频率稳定性；

6）在不同类型发电厂之间进行负荷的合理分配，提高了互联电力系统运行的经济性。

俄罗斯统一电力系统的设计和运行经验表明，在部分时段联络线潮流可以达到几千兆瓦，这就要求建造具有较大输电能力的联络线，因此必须使用超高压输电线路。在俄罗斯使用超高压输电具有特别重要的意义，还是因为在地理分布上，其各个电力系统之间的距离达到了数百千米。

系统间的联络可以分为几种形式，这种划分是有条件的。如果功率是从过剩的一侧输送到匮乏的一侧，则这时的联络线被称为电源或干线；如果在一天和一年的不同时间范围内，被连接系统的功率平衡发生了改变（即功率匮乏系统变成了功率过剩的系统，或者相反），联络线的潮流方向也随之发生改变，则此时系统间的联络被称为可逆的或机动的。可逆或机动的联络是很有用处的，例如当一个系统中有足够多的水电总装机容量时，在洪水期或者是负荷高峰期时廉价的水电电力就可以被传输到其他的系统中，而其余时间的功率又可以反向流动。

系统间的联络可以分为强联系和弱联系两种形式。强联系是指其输电能力与互联电力系统的功率相比差不多；而弱联系则指其输电能力不超过最小互联系统功率的10%～15%的情况。

当互联电力系统之间的联系较弱时，由于系统间交换功率的影响，将会产生一些问题。假设在正常运行方式下，联络线中流过的潮流是额定值，那么在事故后方式下，联络线中的潮流就可能超过其输送能力，从而导致互联系统的协同工作状态被破坏、系统解裂。

就像电力系统的骨架一样，超高压线路同样可以作为系统内部的联络线路来使用。无论是在正常运行方式下，还是在事故后的运行方式下，这些线路都具有较大的输电能力，能够保证大量潮流在发电机节点和大型负荷节点之间的分配，从而提高用户供电可靠性和系统运行的稳定性。这样的线路被称为主干线路。

综上所述，可以确定在现代电力技术中超高压输电的应用范围：

1）大型发电厂的功率释放，也包括发电厂与负荷节点之间距离相对较小的情况；

2）由远方发电厂到受端电力系统的远距离输电；

3）向没有足够自备电源的远方工业区供电；

4）作为联络线；

5）系统内部的电力传输（作为主干线路）；

随着电力系统的发展，大量新的输电线路被建造，超高压输电网络也呈树状伸展开来，部分超高压线路的功能和作用发生了变化。例如，伏尔加河水电站—莫斯科的输电线路在刚开始投入使用时，是作为从水电站到莫斯科受电系统送电的远距离输电线路使用的。随后，这条线路上预先设计的三个开关站变成了与沿线电力系统相连的中间变电站。由于中央互联电力系统的发展、西北互联电力系统—中央互联电力系统之间750kV联络线的建造，以及列宁格勒和加里宁核电站的建设，这条输电线路完全失去了其作为远距离输电线路的功能，实际上变成了系统内部的联络线，潮流方向也发生了变化。

其他电力系统也存在类似的现象。在此需要强调的是，在设计远距离输电线路时，应该考虑其多年以后的远景规划，在计算超高压线路输电能力时也要考虑它的用途和以后的发展规划。这是个非常复杂的问题，要在所有可能的解决方案中选取几个，对其中的每个方案还要确定其整体的经济效益。