半波长交流输电技术前沿追踪与述评

汪炜将，陈程，杨金成，刘杨帆

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443000)

半波长交流输电技术前沿追踪与述评

汪炜将，陈程，杨金成，刘杨帆

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443000)

半波长交流输电作为一种超远距离、大容量的输电技术，因其特有的技术优势和经济性在国际上得到广泛关注，在超远距离点对点输电模式中具有竞争力和应用前景。我国主要能源基地距离负荷中心较远，接近一个工频半波长，特高压半波长交流输电可以作为电力送出的一种可选方案。本文介绍了半波长交流输电技术的研究进展，这些研究主要集中在该技术的稳态及暂态运行特性、功率传输特性、潜供电流和过电压及其抑制方法、调谐半波长输电、继电保护技术和抽能供电等。这些研究成果为特高压半波长交流输电系统未来试验工程的实施提供了有力的技术支撑。

半波长输电技术；暂态特性；潜供电流；调谐半波长输电；过电压防护；继电保护

1 引言

当今社会经济快速发展的同时伴随着用电需求量不断增长，特别是在一些诸如中国、巴西等发展中国家，还有个明显的特征就是负荷中心与能源基地相距甚远，这种地域因素所产生矛盾便催生出各种超远距离和超大功率的电能输送技术，例如超/特高压交流输电技术、超/特高压直流输电技术、半波长交流输电技术等。其中超/特高压交流输电，超/特高压直流输电都在实际电网中可靠运行，但世界范围内还没有一条投入商业运营的半波长交流输电线路，这也反映了对半波长输电系统的研究还有很多问题有待解决。目前国家电网仍远远满足不了未来我国经济社会可持续发展的要求[1]，特高压半波长输电技术作为远距离、大功率的输电技术或许在未来能满足庞大的电力需求。

半波长交流输电是指输电的电气距离接近一个工频半波长，即3000km(50Hz)或2500km(60Hz)的超远距离三相交流输电。

2 国外研究

前苏联学者AA Wolf和OV Shcherbachev在20世纪40年代首次提出半波长输电理论[2]，并展开初期的理论研究，分析了半波长交流输电线路在100Hz频率下的一些运行条件和特点。1965年，美国的FJHubert等人在文献[3]中提出用半波长系统来消除传统输电线路中各种运行和设计的问题，分析了线路在不同负载、短路故障时的暂稳特性。1969年，印度学者FSPrabhakra在前者的基础上做了大量的仿真，分别阐述了自然半波长传输线和调谐半波长传输线的一些主要特征[4-5]，给出了利用电感和电容将普通交流输电线路调谐成半波长交流输电线路的三种方式，分别为π型、T型和电容型调谐方式，但没有明确给出调谐所需的电容值和电感值计算式。FIliceto和ECinieri在文献[6]中提出了电晕损耗的数值模型，分析了电晕损耗对半波长输电线路的影响，指出电晕损耗对抑制半波长输电线路的工频过电压有较好的效果，但同时电晕损耗也是阻碍半波长线路传输能力提高的主要因素，且电晕损耗还会影响线路的暂态稳定性，如何平衡电晕损耗、工频过电压及线路输送能力这三者的关系是一个非常重要的问题。FMGatta等人于1992年对半波长输电线路的电磁暂态问题，比如工频过电压、操作过电压等问题做了论述和说明，并初步分析了潜供电流产生的原理，为进一步研究提供了可靠的参考[7]。此外，几位意大利学者对半波长交流输电技术开展了进一步研究，并使用EMTP软件研究了半波长输电系统的稳态运行和传输功率极限的特性、短路时线路过电压、两条线路并列运行等问题[8]。进入21世纪，很多巴西学者结合巴西水电资源与电力负荷中心呈逆向分布的特征，重点研究半波长交流输电系统以试图解决这一分布矛盾。Tavares M C等人在文献[9]中讨论了关于开展半波长输电线路真型仿真试验研究，主要方案是将巴西现有的500kV线路串联起来进行真型线路试验。文献[10-12]分别讨论了在半波长线路沿途安装串联或并联FACTS装置的两种情况下，利用这两种装置对附近用户进行供电，这种间接供电方式理论上初步解决了半波长输电线路沿线不能给周围负荷供电的问题。文献[13]从入射和反射电流入手，推导得到了针对半波长输电系统经济性研究所用的线路热损失公式，该公式简洁明了，对于实际工程计算则显得非常便利。

3 国内研究

国内对于特高压半波长输电技术的研究还处于初始阶段，主要是国家电网公司在2011～2012年组织有关科研院所就特高压半波长输电线路的稳态和暂态特性、过电压及保护、潜供电流及抑制措施、经济性评估等展开研究。

3.1 稳态和暂态特性

文献[14]研究了输送功率大小对沿线电压分布和线损率的影响，以及甩负荷和故障情况下输电线路沿线过电压情况。结果表明：线路输送功率的大小会影响到最大电压和最小电压出现的位置，即当输送功率大于自然功率时，电压分布呈两端低、中间高；当输送功率小于自然功率时，电压分布呈两端高、中间低；当线路输送自然功率时，其线损率最小。同时研究表明对于线路无损情况下的半波长交流输电线路，从理论上来说不需要装设无功补偿装置，此时经济性较为突出。文献[15]从入、反射波与无功需求两个方面对其电压分布特性进行深入分析，提出特高压半波长输电系统的暂态稳定极限和输电能力，并通过仿真发现半波长输电系统的最严重故障点既不在首端，也不再末端，而是距首端75%～90%之间的位置，但分析过程没有考虑电容电压和电感磁链的暂态过程，因而结果偏于保守。

3.2 过电压问题及潜供电弧

文献[16]对特高压半波长输电系统的工频过电压、操作过电压、接地故障过电压以及潜供电流等问题进行仿真研究，指出该线路过电压水平非常高，当发生单相故障甩负荷时线路两侧过电压大小超过3.8pu，这也是半波长交流输电系统的缺点之一。潜供电弧是半波长输电技术面临的关键问题之一，半波长潜供电弧既有一般输电系统潜供电弧的特点，又有其自身特殊性。文献[17]阐述了潜供电弧数学建模的研究现状，比较分析了各种模型的优缺点，指出了潜供电弧作用机制和模型中待解决的关键难题。文献[18]通过物理模拟试验获得了不同潜供电流值、恢复电压梯度等组合方案下潜供电弧的燃弧时间，可作为沿线快速接地开关配置方案设计的参考依据。文献[19]建立了用于半波长线路潜供电弧物理模拟的单相等值试验拓扑，研究表明半波长交流输电线路潜供电弧的阴极和阳极弧根运动具有明显的极性效应，同时研究在不同补偿方案下的熄弧特性，通过适当控制补偿条件，有利于电弧的熄灭。文献[20]综合考虑了半波长输电线路电弧所受电磁力、热浮力、风载荷和空气阻力的多场耦合作用，建立了潜供电流的受力方程和运动模型以及弧根模型，研究成果为发展特高压半波长输电线路潜供电流的抑制技术提供参考。

3.3 经济性和敏感性评估

文献[21]采用最小年费用法对特高压半波长交流输电系统和±800kV特高压直流输电系统的经济性进行了分析，通过计算输送单位功率综合费用，特高压半波长交流系统输送单位功率综合费用比±800kV直流输电系统低19%；再者如果将特高压半波长交流系统通过特高压主变接入500kV系统，这时其输送单位功率综合费用比±800kV直流输电系统低17%。文献[22]针对电厂接线方式和输电容量对特高压半波长交流输电系统进行了敏感性分析，结果是随着输送容量的增加，特高压半波长交流输电的单位容量年费用会越来越低，经济性逐步转好。总体来说，特高压半波长交流输电系统的经济性明显好于±800kV直流输电系统。

3.4 绝缘配合

绝缘配合是半波长输电工程建设的基础，合理的绝缘配合是系统可靠运行的前提。文献[23-24]研究了半波长输电线路的各种诸如确定线路绝缘子配置和空气间隙距离、变电站电气设备绝缘水平和空气间隙距离等绝缘配合。变电站空气间隙距离分为工频过电压下和操作过电压下的空气间隙距离，对于工频过电压下的空气间隙距离，作者指出由于半波长交流输电系统的工频过电压高于常规的100kV特高压输电系统，因而空气间隙距离应相应的提高；对于操作过电压下的空气间隙距离，由于半波长交流输电系统的操作过电压低于常规特高压系统，因而此时变电站操作过电压下的空气间隙距离可以沿用常规特高压工程值。当线路传输功率为自然功率，此时全线的电压幅值相等，全线可按照线路中点电压统一配置；当传输功率不等于自然功率时，此时线路各点电压大小不一决定了全线绝缘配置不同。最后结果表明，特高压半波长输电工程设备和线路的绝缘配置基本上可以沿用现有的特高压示范工程中所使用的绝缘配置。

3.5 继电保护配置

继电保护配置技术作为电力系统安全运行的可靠保证，是电力系统研究的一项重点工作。从各种文献来看，半波长交流输电系统的继电保护技术的理论成果较少，初步研究表明特高压半波长输电系统的继电保护配置方案可以参考现有的特高压交流示范工程的继电保护配置方案，如晋-南-荆特高压交流示范工程。因为特高压半波长输电系统与特高压交流输电系统相比，即有共性，如充电功率大，故障后潜供电流大；同时又有半波长输电系统自身特殊性质，其主要不同体现在半波长输电线路两侧电压、电流不再遵循集总参数的基尔霍夫电压电流定律，故障测距时需考虑其分布参数特性。文献[25]提出一种基于贝瑞隆线路模型的适用于半波长交流输电线路的电流差动保护新策略，通过PSCAD仿真验证，该措施充当主保护能很好地保护半波长输电系统。

3.6 调谐半波长线路及抽能供电技术

其他技术方面，为了能利用半波长输电线路的优良特性，充分发挥半波长输电线路输送功率大的特点，可以将普通输电线路改造成半波长输电线路，即所谓的人造半波输电线路。文献[26-27]针对这一点研究了利用电容和电感将普通输电线路补偿成π型、T型和电容型人造半波长输电线路，给出了补偿用所需电感和电容的表达式，详细比较了不同补偿点数对补偿效果的影响。结果表明并非补偿点数越多越好，当达到某一数值时，补偿效果基本稳定，从而在经济性上也得到有效保证。由于半波长输电线路是一种典型的点对点输电线路，难以在线路沿线取点给负荷供电，文献[28]针对这一特点，抛弃了以往文献中提到的利用绝缘避雷线和抽能电抗器抽取能量的方法，也不同于国外学者提出的利用串联或并联FACTS装置进行抽能供电的方法，提出了沿输电线路平行架设抽能导线进行抽能供电。抽能供电带负载能力很差，为了提高载荷能力，作者提出抽能供电系统经过串联电抗器补偿后使载荷能力有明显提高，但其对半波长交流输电系统的影响还需进一步研究。

4 结论

(1)半波长交流输电技术，特别是特高压半波长交流输电技术以其独特的技术优势适用于远距离、大容量的电力输送，能满足未来社会更大的电力需求。

(2)特高压半波长交流输电系统的经济性要好于±800kV直流输电系统，初期投资和运行成本都将低于特高压直流输电系统。

(3)半波长交流输电线路传输功率较大，过电压水平高，如何提高系统稳定性及最大程度地抑制过电压是半波长交流输电技术的一个关键技术。

(4)人工调谐半波长交流输电线路的经济性和调谐措施的可靠性还有待研究。

(5)目前对半波长交流输电系统的研究还仅仅局限在点对点的输电模式，如果将半波长交流输电系统与其它线路并联成网，此时的半波长交流输电系统的控制策略还有待研究。

[1] 刘振亚,张启平.国家电网发展模式研究[J].中国电机工程学报,2013,7:1-10,25.

[2] WOLF A A,SHCHERBACHEV O V.On normal working conditions of compensated lines with half-wave characteristics(in Russian)[J].Elektrichestvo,1940(1):147-158.

[3] HUBERT F J,GENT M R.Half-wavelength power transmission lines[J].IEEE Trans Power Apparatus and Systems,1965,PAS-84(10):965-974.

[4] PRABHAKARA F S,PARTHASARATHY K,RAMACHANDRA H N R.Analysis of natural half-wave-length power transmission lines[J].IEEE Transactions on Power Apparatus And Systems,1969,PAS-88(12):1787-1794.

[5] PRABHAKARA F S,PARTHASARATHY K,RAMACHANDRA H N R.Performance of tuned half-wave-length power transmission lines[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1969,PAS-88(12):1795-1802.

[6] Iliceto F，Cinieri E.Analysis of half-wave length transmission lines with simulation of corona losses[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1988,3(4):2081-2091.

[7] GATTA F M,ILICET F.Analysis of some operation problems of half-wave length transmission lines [C]//Proceedings of the 3rd AFRICON conference,Sept.22-24,1992,Ezulwini Valley,Swaziland:59-64.

[8] SOKOLOV N I,SOKOLOVA R N.The feasibility of using half-wave power transmission lines at higher frequencies[J].Electrical Technology,Russia,1999(1):66-85.

[9] Tavares M C，Portela C M.Half-wave length line energization case test-proposition of a real test[C]//2008 International Conference on High Voltage Engineering and Application,Chongqing,2008:261-267.

[10] DIAS R,Jr SANTOS G,AREDES M.Analysis of a series tap for half-wavelength t ransmission lines using active filters//Proceedings of the 36th IEEE Power Elect ronics Specialists C onference,Jun e 12-16,2005,Recife,B razil:1894-1900.

[11] Aredes M,Dias R.FACTS for tapping and power flow control in half-wavelength transmission lines[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(10):3669-3679.

[12] Aredes M,Dias R F S.Comparisons between a Series and a shunt FACTS for tapping and power flow control in half-wavelength transmission lines[C]//Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC),2012 15th International.IEEE,2012:DS3b.20-1-DS3b.20-7.

[13] Dos Santos M L,Di Santo S G.Evaluation of voltage and current profiles and Joule losses for a half-wavelength power transmission line[J].International Journal of Electrical Power & Energy Systems,2015,70:39-44.

[14] 周静姝,马进,徐昊,等.特高压半波长交流输电系统稳态及暂态运行特性[J].电网技术,2011,9:28-32.

[15] 秦晓辉,张志强,徐征雄,等.基于准稳态模型的特高压半波长交流输电系统稳态特性与暂态稳定研究[J].中国电机工程学报,2011,31:66-76.

[16] 韩彬,林集明,班连庚,等.特高压半波长交流输电系统电磁暂态特性分析[J].电网技术,2011,9:22-27.

[17] 孙秋芹,李庆民,吕鑫昌,等.特高压输电线路潜供电弧的物理模拟与建模综述[J].电网技术,2011,2:7-12.

[18] 孙秋芹,李庆民,陈全,等.特高压半波长输电线路潜供电弧低压模拟实验研究[J].高电压技术,2012,2:350-358.

[19] 丛浩熹,李庆民,孙秋芹,等.半波长输电线路潜供电弧弧根运动和熄灭特性实验研究[J].中国电机工程学报,2014,24:4171-4178.

[20] 行晋源,李庆民,丛浩熹,等.半波长输电线路潜供电弧多场耦合的动力学建模研究[J].中国电机工程学报,2015,9:2351-2359.

[21] 宋云亭,周霄,李碧辉,等.特高压半波长交流输电系统经济性与可靠性评估[J].电网技术,2011,9:1-6.

[22] 孙珂.特高压半波长交流输电经济性分析[J].电网技术,2011,9:51-54.

[23] 张刘春,张翠霞,焦飞,苏宁,张博宇.特高压半波长输电系统绝缘配合研究[J].电网技术,2011,9:13-16.

[24] 彭谦,李士锋.交流特高压半波长输电线路绝缘配合研究[J].电网技术,2014,4:1082-1086.

[25] 肖仕武,程艳杰,王亚.基于贝瑞隆模型的半波长交流输电线路电流差动保护原理[J].电网技术,2011,9:46-50.

[26] 焦重庆,齐磊,崔翔.半波长交流输电线路电气长度人工补偿技术[J].电网技术,2011,9:17-21.

[27] 马立新,费少帅,穆清伦.半波长交流输电线路电容调谐分析[J].电力系统及其自动化学报,2015,5:19-22.

[28] 李占纯,王玲桃,崔翔.特高压半波长交流输电线路沿线抽能供电初步研究[J].电网技术,2011,9:37-41.

FrontierTracing and Review of Half-wavelength Alternating Current Transmission

WANG Wei-jiang,CHEN Cheng,YANG Jin-cheng,LIU Yang-fan

(School of Electrical and New Energy,China Three Gorges University,Yichang 443000,China)

Half-wavelength alternating current transmission(HWACT)is a mode for long-distance and large-capacity power transmission,has been popularized around the world for its unique advantages inboth technological and economical aspects,and has nowadays drawn more attention in ultra-distance point-to-point transmission mode.The geographical positions of main energy resources in China are far from load centers,and the distance between energy resources and load centers are close to half-wavelength of power frequency.UHV half-wavelength AC transmission can be regarded as one of the selectable schemes to send electric power.This paper introduce the research progress of HWACT.And these research mainly focused on its steady state and transient operational characteristics、power transmission ability、secondary arc current and over-voltage and its suppression method、tuned half-transmission lines、relay protection technology and power extraction system.The achievements provide the power technical supports for the implementation of future testing project of UHV half-wavelength transmission system.

half-wavelength alternating current transmission;transient characteristics;secondary arc current;tuned half-wavelength line;over-voltage;relay protection

1004-289X(2017)01-0012-04

TM722

B

2016-10-09

汪炜将(1994-)，男，安徽铜陵人。在读硕士研究生，研究方向为电力系统稳定性分析； 陈程(1992-)，男，湖北宜昌人。在读硕士研究生，研究方向为电力系统稳定性分析； 杨金成(1990-)，男，湖北黄冈人。在读硕士研究生，研究方向为电力系统故障诊断； 刘杨帆(1991-)，女，河北石家庄人。在读硕士研究生，研究方向为电力系统故障诊断。