改变电路线路波特性的优化方案

提高线路的输电能力，可以通过改变线路结构、从而影响其电磁特性来实现；也可以通过均匀地配置补偿装置来实现。第一种方式使得线路的波阻抗发生了改变，但此时并没有改变线路的波长。第二种方式与作用在波阻抗上的效果一样，但是改变的线路的波长。

图8.2 额定电压下每公里线路 a），开关组件 b）和变压器 c）的相对成本

下面分析这些方式的各种实现方法。

线路波阻抗的改变。由式（8.1）可以看出，可以通过降低与线路结构有关的波阻抗值，来提高输电能力。存在如下关系式：

由此可以看出，为了降低波阻抗值，可以采取增加等值的导线半径（改变相间结构）的方法，也可以采取减小线路的相间间距（各相靠近）的方法。

分裂导线的使用能够降低线路的波阻抗，因为它相当于增加了等值的导线半径。对于单一导体线路，当采用各种导线型号时，波阻抗的平均值约等于400Ω；对于每相两根导线的线路则为310Ω；对于每相8根导线的线路为250Ω。那么分裂导线的使用，不仅可以作为降低单一导线表面电场强度的手段，也可以作为提高线路输电能力的措施。

减少相间间距同样导致波阻抗的减小。对于传统塔架结构，在导线水平悬挂时所采用的相间间距取决于如下因素：

1）在跨越时允许的导线接近条件，与导线弧垂点有关；

2）当在风的作用下发生偏离时，塔架支柱和导线之间必要的空气间隙；

3）雷电过电压和内部过电压；

4）安全提升到塔架上的条件。

在水平悬挂时，各相导线之间的最小距离取决于弧垂点和电气设备导则。不同电压等级下的平均值如表8.2所示，这些距离作为在风的作用下导线跨越时允许的接近条件。在此，可以按照雷电过电压和内部过电压条件、以及按照安全提升到塔架上的条件，推导出允许的最小绝缘距离。

表8.2 线路的最小相间间距（ 单位：m）

在上表中列出了塔架绝缘子串各个固定点之间实际的平均距离，从而也确定了线路的电磁特性。这些距离也可能取决于塔架结构上的微小变化。从表中可以看出，实际距离超出了必需值很多，原因如下。

由式（8.6）可以看出，相间间距的减小（D_сг）导致Z_в减小。此时线路电抗x₀减小，但是电纳b₀增加。这同样导致导线表面电场强度的增加。因此，必须根据导线分裂半径和数量的增加改变相结构。结果是使得b₀和电场强度进一步增加，也使得线路的充电功率增加了。

计算表明，在使用传统相结构时，为了降低导线表面的电场强度，在各相接近时必须大幅度地增加分裂半径和每相导线的数量。但这会使得传统结构变得不合理。

同时，如果根本性地改变相结构，以及在跨越和在塔架上固定各相导线的相对分布，那么相间间距可以减小。在跨越时可以使用相间绝缘的横担来实现；而在塔架上，可以使用位于绝缘子串上的导线V-型悬垂。可以理解的是，这使得线路结构非常复杂，并且导致成本增加，但此时输电能力也提高了。这样的线路在文献中被称为紧凑型线路，或者是提高了自然功率的线路（ПНМ线路）。

图8.3 紧凑型线路可能的相间结构

a）平行分布 b）椭圆形分布（边缘分布-1和平均分布-2） c）抛物线形

对于ПНМ线路，建议使用非传统的相间结构：平行的、椭圆形等（见图8.3）。这些相间结构的特点是每相各个导线之间距离较大（达到1m），这使得各个导线电场的相互影响被消除，并且保证了每根导线表面电荷的均匀分布。此时导线的利用率接近于1。这与传统的相间结构是有区别的，传统相间结构电荷只是分布在导线的外部表面。线路输电能力与每相导线数量的关系变成线性的，并且线路的输电能力可以通过增加每相导线的数量来提高。

这些相间结构的缺点在于，为了保证ПНМ线路所固有的特性，线路所有相的导线应当保持各自的相对位置不变——不只是当线路固定在塔架上时，还包括在线路跨越时，实现这种结构是非常复杂的。因此，ПНМ线路目前并没有得到实际的应用，但是在此方向上的研究一直在进行。

线路波阻抗和波长的综合应用。这种方式可以通过将容性补偿装置串联或者并联到线路上来实现。但实现这种方式的先决条件是：补偿装置沿线均匀分布，且它们之间的距离尽可能小。只有在这个条件下，线路才可能具备所需的特性。

因为在此讨论的是关于提高线路输电能力的问题，那么这些补偿装置应该是容性的。在感性补偿条件下，其效果是相反的。

多个补偿装置（每个补偿装置的电纳为b）并联的示意图如图8.4a所示。并联补偿装置所产生的单位附加电纳可以表示为

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图8.4 均匀分布的容性补偿

a）并联 b）串联

相应地，波阻抗和补偿线路的相位系数β₀к可以通过下式确定：

其中，k_b=b_0к/b₀。

由此，可以得到如下结论：

1）在并联容性补偿的情况下，与无补偿装置的“自然”线路相比，补偿线路的波阻抗较小，而自然功率和输电能力较大；

2）在相同长度情况下，电磁波分布的相系数β_0к和波长λ_к将比“自然”线路大。换句话说，1/4波长（p/2）将对应小于1500km长度。

在并联补偿的情况下，当U₁=U₂=U时，线路所传输的功率为

其中 λ_к——补偿线路的等值波长，λ_к=β_0кL。

将上述值除以补偿线路的自然功率，将Z_вк和λ_к代入得到：

对于分布式的串联容性补偿（图8.4b），单位纵向容性电纳可以通过下式得到

此时波阻抗和电磁波分布的相位系数由下式确定：

其中，k_x=x_0к/x₀。

在这种情况下，波阻抗就像在并联时的那样，比无补偿线路的小；相位系数β₀к和线路的波长λк同样小于无补偿线路（与先前所述的情况不同）；1/4波所对应的线路长度大于1500km。

应用于串联分布式的容性补偿情况，线路所传输的最大功率表达式可以为：

或者以相对于无补偿线路自然功率的标幺值表示：

图8.5 无补偿线路（1）、并联容性补偿的线路 （2）、串联容性补偿的线路 （3）最大传输功率与线路长度的关系

在图8.5中列出了P∗max与线路长度的关系，这是按照式（3.47）和（8.11）、（8.13）当k_b=k_x=0.5时建立起来的，从对这些关系的分析中可以得出如下结论：

并联和串联容性补偿改变了线路的波长，在并联补偿的情况下波长90°（p/2）对应线路的长度为1124km，在串连补偿的情况下对应2121km。

在补偿度相同的情况下，串联补偿是非常有效的，并且在线路长度在250km到1000km的范围内时输电能力提高了将近2倍。然后其补偿效果有所降低，当线路长度在2100km左右时，补偿和无补偿线路的输电能力变得相同。而当线路长度超过1500km时，无补偿线路过渡到所产生的无功功率增加以及中间点上的电压升高的状态（见第3章）；但同时，补偿线路在长度2100km以下时，仍然是在额定状态范围内。也就是说，串联补偿可以在一定的长度下保持额定状态；但无补偿线路在此长度下已经偏离了额定状态。

相对于串联补偿，并联容性补偿效率要低得多。当线路长度在500km左右时，其输电能力提高的不多，到1100km时有所增加，与无补偿线路相比此时输电能力增加了20%。当线路长度进一步增加时，无补偿线路的波长超过90°，并且其工作状态发生改变。因此，将分布式的横向容性补偿作为足够有效的提高输电能力的手段是不允许的。