提高额定电压的有效方法

在电工技术的发展历史上，输电线路的额定电压是在不断提高的，这是由于电力系统总负荷的不断增大及发电厂和用户中心之间距离的增加。在20世纪初，已经掌握了110kV电压等级、单回线输电能力为30～40MW的技术；在20世纪末，随着1150kV电压等级的线路被投入运行，其输电能力已经可以达到5000MW的水平。每一个新电压等级输电技术的掌握，都需要很长的时间和大量认真的科研、设计工作，并且这与新设备研制、过电压限制方法、新型绝缘技术等都密切相关。在上一个电压等级之后，每一个新电压等级输电技术的掌握都需要约10～15年。并且，这个期限还要随着电压的升高而增加。

由此便产生了这样的问题：额定电压还要进一步升高吗？要回答这个问题，首先要解决一系列的科学技术和经济课题。此时应当注意，只有当一个新的电压等级可以提高输电能力几倍的情况下，才可能需要掌握该电压等级的技术。如果下一电压等级超过上一个电压等级两倍，那么可以提高线路的输电能力为4倍。以此逻辑为基础，下一个电压等级应该为1600～1800kV，从而单回路具有输电能力为10～13GW。但是，该电压等级设备的研制以及生产，远远不是简单的问题。

从与建立新电压等级有关的大量需要注意的问题中，可以区分出最重要的部分如下：

1）当线路发生事故时，要保证整个电力系统可靠、稳定的工作；

2）在特高压的情况下，要克服空气绝缘的限制，因为这个电压等级下空气的介电强度已经用尽，空气不再是绝缘介质了。

3）要考虑限制内部过电压的技术可行性；

4）要考虑变压器、自耦变压器、电抗器和其他设备生产的可能性；

5）要研究合理的相间结构和架空线路塔架；

6）要解决足够尖锐的生态学问题（与土地征用和电场对生物体的影响等有关）。

下面更详细地分析这些问题。

下一电压等级线路——电压为1600～1800kV、单回路的自然功率达到10～13GW（等于几个大型的火电厂和核电厂的功率）的研究正在几个国家中开展。当由于系统中出现故障，需要突然断开这些线路时，将会导致对互联电力系统很强烈的扰动，从而可能引起很大的系统事故。

从经济角度出发，与几个回路相比，利用单条导线传输如此大的功率是更为有益的。但是由于该电压等级线路的突然断开而导致的事故损失，会在很大程度上超过所得到的经济利益。因此，当要实际应用该电压等级线路时，首先要关注可靠性要求。为了消除类似的故障状态，必须采用复杂的、代价昂贵的工程解决方案（采用多回线路，建立环网等等），来消除突然断开这些线路所引起的系统事故。

当冲击电压超过2.5MV时，如果不进行复杂的、与空气介电强度有关的研究工作，进一步地升高额定电压是不可能实现的，因为此时空气不再是绝缘介质了。特高压线路中的过电压波可能引起导体—大地之间的空气间隙在导体弧垂点下方被击穿。

现在由于缺少必要的试验设备，这方面的研究很复杂。因为这些设备需要用在比线路额定电压等级更高的电压等级上，在空气的介电强度不足的情况下，生产这种试验设备是非常困难的。

由于超高压和特高压输电线路装置绝缘的研制十分复杂，随着电压的升高，此绝缘的计算电压非常接近工作电压。由此，随着电压的升高降低允许的过电压水平是必须的。现在采取如下的允许过电压参考值（相对于相电压）(www.xing528.com)

对于更高电压等级，允许的过电压水平还需要进一步确定。但是毫无疑问，其过电压（相对于相电压）水平将更低。

所以，需要采取降低线路过电压的措施。这些措施包括：研究新型的、采用氧化锌非线性阻抗为基础的过电压限制器；线路充电功率采取全补偿以及过补偿；在开关中采用分流电阻器。

对于研发新的电压等级而言，最大的困难在于设备制造。如果以六氟化硫为绝缘介质制造，就能达到技术方面的要求，但是这存在着很大困难。而使变压器、自耦变压器和电抗器的研制更加复杂化的原因，还有两个其他的因素。其中之一是，变压器和电抗器内部和外部的绝缘。当电压超过2.5MV时，上面所说的关于空气的介电强度，在此是存在的，并且应当在建立这些设备外部绝缘时加以考虑。变压器和电抗器的内部绝缘同样需要结构方面的解决方案，并需要研究新形式的绝缘。另一个因素是，大功率的变压器及其由制造厂运输到安装地点的问题。它们具有很大的外形尺寸和重量（超过500t），从而使得这个问题非常复杂。

在选择线路的相间结构和支撑绝缘子时，同样面临足够复杂的问题。分裂导线的导线数量应当比1150kV线路的多。如果假设导线的数量与电压成正比，那么1800kV线路应当具有13～15个导线。当分裂间距为60cm时，分裂直径将在3m左右，在线路的支撑绝缘子上明显地增加了风载荷和冰载荷。

为了增加导线弧垂点与大地之间的绝缘间距，也同样为了降低大地表面的电场强度，线路的塔架必须有足够的高度。当横担的长度为55～60m时，塔架的高度可能达到50m或者更高。塔架可能的结构之一如图8.1所示。

图8.1 1800kV架空线路中间双柱式塔架（尺寸是以米为单位的）

考虑线路的总重量和提高可靠性的要求，中间塔架上导线的悬垂应当是在双回绝缘子串上被实现。塔架的外形尺寸较大，其可靠性的提高、每相导线的数量、双回绝缘子串、复杂的线路附件等，所有的这些都将导致非常高的单位造价。

在图8.3中列出了每公里线路、空气开关组件的造价Ко.е.，以及变压器相对于额定电压的单位成本。这些数据是按照110kV线路和设备、2005年的成本、以标幺值的形式给定的。

图8.2中所列数据表明，每公里1800kV线路的成本大约比每公里110kV线路的成本高35～40倍，开关组件的成本要高80～90倍，这使得能够判断1800kV线路的经济性指标。此时，其自然功率（输电能力）差不多增加了400倍。

与超高压线路相比，特高压线路对周围环境的影响也是较强的。在这个影响的众多因素当中，应当首先被强调的是大地表面被升高的电场强度，因为这对生物体的影响是不利的。为了避免这种影响，必须采取一定的措施（增加塔架的高度，屏蔽与道路的交叉部分等）。这些措施都将反映到线路的成本上。

为了保护特高压变电站工作人员免受电场的影响，也必须采取严格的措施（屏蔽位于高电压之下的工作地点和设备检修路径，在被防护的间隔中工作等）。