俄罗斯特高压交流输电的启示
随着电力负荷的不断快速增长，同时对大容量和远距离输电的需求，从上个世纪六七十年代开始，俄罗斯(苏联)、美国、日本、意大利等国开始了特高压输电技术的研究工作。其中，俄罗斯是国际上最早开展特高压输电技术研究的国家之一，也是世界上较早时期就有特高压输电工程运行经验的国家。
一、俄罗斯特高压输电发展历程
从上个世纪60年代开始，苏联为解决特高压输电的工程设计、设备制造问题，组织多个研究、设计和制造单位开展了特高压输电的基础研究。
上世纪70年代是苏联统一电力系统蓬勃发展和形成的时期，电力技术不断升级。为满足西部核电外送需要，开始在西部地区建设750千伏输电线路，同时也促进了国际联网;为满足东部大型水、火电源送出，开始建设1150千伏特高压交流和±750千伏直流输电线路。哈萨克、西伯利亚区域联合电力系统先后并入苏联欧洲统一电力系统，1979年苏联统一电力系统与经互会各国联合电力系统以750千伏线路并联运行，使苏联电网与东欧各国形成原东欧同步电网，最大装机容量曾达到4.6亿千瓦。
从上世纪80年代开始，随着大型能源基地的建设，苏联着手建设联接西伯利亚、哈萨克斯坦和乌拉尔联合电网的 1150千伏输电工程，计划将东部地区的廉价电能送往乌拉尔和欧洲部分负荷中心。已经建成的线路长度有2344千米，包括库斯坦奈、科克契塔夫、埃基巴斯图兹、巴尔瑙尔等特高压变电站。从1985年起，哈萨克斯坦境内的埃基巴斯图兹—科克契塔夫—库斯坦奈段900千米线路，按1150千伏设计电压运行。
1985年8月，世界上第一条1150千伏线路埃基巴斯图兹—科克契塔夫在额定工作电压下带负荷运行。1992年1月1日，哈萨克斯坦中央调度部门把 1150千伏线路段电压降至500千伏运行，在此期间，埃基巴斯图兹—科克契塔夫线路段及两端变电设备在额定工作电压下运行时间达到23787小时，科克契塔夫—库斯坦奈线路段及库斯坦奈变电站设备在额定工作电压下运行时间达到11379小时。
总体上说，苏联特高压交流输电线路整体运行情况良好，运行期间主设备没有发生大的事故，线路也没有发生污闪。特高压输电线路后来降压运行的主要原因是苏联于1991年解体后，由于国民经济条件的恶化，用电及发电量长期停滞不前，送端电源无法按预计目标建设，导致特高压线路负载过轻，输送容量仅为额定容量的20%～30%，因此逐渐降压运行，原计划扩建的特高压线段也未能按计划建设。二、电磁环境
由于俄罗斯是一个地广人稀的国家，因此就电磁环境来说，具有其特殊性。
交流输电工程的环境问题主要分为电晕损耗、无线电干扰、可听噪声、工频电场及静电感应、工频磁场及电磁感应等几方面。它们可能对人们的生活环境和生活质量，甚至安全与健康产生一定的影响，但是只要采取一定的技术措施，是可以将影响降低到可以接受的程度的。
1. 电晕损耗和导线选择
苏联对1150千伏电压等级采用小截面导线作为分裂导线的素导线。为此，利用小截面导线架设了试验线段进行电晕损耗、可听噪声和无线电干扰特性的研究。子导线直径为23.5毫米的8分裂1150千伏试验线段的测试表明，好天气时电晕损失小，恶劣天气如雾淞天气电晕损失急剧增加，可达300～500千瓦/ 千米，但是考虑到苏联中亚、乌拉尔、西伯利亚地区的气候条件，对1150千伏线路通过的地区，导线表面的电位梯度为28～30千伏/厘米，年平均电晕损失按每小时20～30千瓦/千米考虑是可行的。
导线的选择和分裂方式是特高压输电线路设计中参数选择的重要环节之一。关于导线的电流密度，不少国家取得比较低，只有0.5安/平方毫米，按照苏联的考虑，1150千伏输电线路，年最大负荷运行时间在5000～7000小时之间时，经济电流密度可取1.1~1.5安/平方毫米。埃基巴斯图兹—车里雅宾斯克线路输送容量570万千瓦，采用8×AC300/45平方毫米导线，电流密度1安/平方毫米。
2. 无线电干扰
输电线路电晕和某些部位放电时，会辐射电磁波，可能对无线电和电视信号产生干扰;输电线路的无线电干扰与导线参数有关，例如导线高度、相间距离、导线截面和子导线分裂数等。
按照苏联标准(GOST 22012-82)，距架空输电线路边相导线对地投影外100米的地方，频率0.5赫兹，一年中80%的时间无线电干扰场强不超过43分贝(微伏/米)。
3. 可听噪声
输电线路的可听噪声是指导线周围的电晕和火花放电所产生的一种能直接听到的噪声。
苏联规定,距边相导线对地投影外100米处可听噪声的年当量水平小于53分贝。试验测得雨天的噪声水平为54分贝，雪天和雾天分别为51.3分贝和52 分贝。按照一年四季不同气象条件所有天数的比例，采用统计公式求得可听噪声的年当量水平可以达到所规定的指标。苏联架设的750千伏、1150千伏线路，运行初期往往可听噪声指标稍高于规定值，运行一段时间后，由于导线表面“老化”，可听噪声水平很快降低到允许的指标以内。应当指出，苏联一般多采用小断面导线，而且导线表面的电位梯度取得较高，尚且可以满足对可听噪声所规定的限制，由此可知，特高压输电线路引起的可听噪声是可以被接受的。
4. 工频电场和磁场
苏联土地多，人口少，每条线路距离均很长，在330千伏以上电压等级线路下设置防护区。防护区的宽度按边缘场强为1千伏/米为界，在保护区内不允许设置永久的和临时性的可住人的生产性建筑。
苏联在建设特高压输电线路时，对线下地面最大电场强度规定为：跨越公路等地方，取10千伏/米;无人居住，但人类活动可以到达的地区，取15千伏/米;人员难以到达的地方，取20千伏/米。苏联是目前世界上少数几个规定变电所电场限值的国家之一，规定1200千伏变电所的绝对安全电场限值为5千伏/米。
目前大多数国家尚未提出工频磁场标准要求，只有少数几个国家制定了磁场照射的限值。苏联基于暂态电击造成的刺痛感和电磁场对人体健康可能的效应考虑，规定50赫兹工频磁场暴露限值为1.8～7.5毫特斯拉，这取决于每个工作日暴露的持续时间(8～1小时)。
工频电场和磁场对人体的影响程度取决于电场和磁场强度的大小。包括苏联在内的一些国家在研究交流特高压输电时，就工频电场和磁场对人和动物的影响进行了大量研究，世界卫生组织也就极低频电场和磁场(包括工频场)对健康的影响进行过评价，结果表明：工频电场和磁场对人和动物有确定的有害影响的阈值，远高于输电线路下的工频电场和磁场的限值;特高压输电线路工频电场和磁场取上面提到的限值不会对生态环境造成不利影响。
三、过电压与绝缘配合
苏联特高压、超高压送电线路和设备的绝缘，不是像以前低压送电线路那样按内过电压可能值选取，而是变为强行限制过电压到技术经济情况最适宜的水平。研究表明，降低允许内过电压10%，则每千米线路的造价降低3%，变电站造价降低4%。
在世界上，这个原则首先是苏联在设计和建设500千伏输电线路时采用的，然后推广到330千伏、750千伏和1150千伏。当时认为将内过电压限制到最大工作相电压的下述倍数是合理的：330千伏线路为2.7，500千伏线路为2.5，750千伏线路为2.1，1150千伏线路为1.8。
在操作过电压的限制措施方面，苏联采取了并联电抗器、断路器带合闸电阻和避雷器几种措施。
苏联特高压工频间隙距离明显低于日本，主要原因是：苏联只考虑最高运行电压，不考虑单相接地系数。苏联考虑特高压线路经过地区的海拔高度为500米以下，日本考虑的为1800米，两者气象修正系数相差较大。
苏联特高压前期的操作波间隙距离较大。因为它的过电压倍数和运行电压均较高。后期采用MOA(开放式结构)，过电压倍数下降，间隙距离减小，与日本特高压数值比较接近。
通过对系统可能发生的过电压进行分析，苏联1150千伏输电线路的基本绝缘水平，按照操作过电压取最高运行相电压的1.8倍进行选择。从埃基巴斯图兹— 科克契塔夫长约500千米的一段线路实际调试测得，变电站设备上的最大过电压只有1.4～1.5倍，预计线路中部产生的过电压约1.65～1.7倍。通过实际运行，进一步改善避雷器和断路器的性能。
四、线路防雷
苏联1150千伏输电线路的防雷设计从超高压输电线路的雷电特性中吸取了许多有益的经验。一方面1150千伏线路的反击耐雷水平很高，可以承受高达250千安的冲击电流，所以，当雷击杆塔或避雷线时，不会对线路造成威胁。另一方面，由于特高压输电线路杆塔高度很高，导线上的工作电压幅值大，比较容易由导线上产生向上先导，使得架空地线的屏蔽性能变差。当雷绕击导线时，20～30千安的雷电冲击电流就可能造成威胁。
为了研究1150千伏线路的雷电特性以及雷击跳闸的概率，苏联对于雷电日、杆塔上雷电流的测量、雷击线路的位置等的综合性研究从1985年就已经开始了。研究确定出特高压线路运行期间的雷击跳闸率平均为0.5/100(千米? 年)，在1989年和1990年，实测雷击跳闸率为0.3/100(千米?年)和0.4/100(千米?年)，主要是发生在耐张转角塔上的绕击。
五、线路外绝缘
苏联在哈萨克斯坦—乌拉尔1150千伏架空线路计划建设的第一阶段(20世纪70年代)时，考虑了线路不同塔型，相间配置，绝缘子串形选择。考虑到减少工时和节省材料，最初建设的两段线路(埃基巴斯图兹—科克契塔夫—库斯坦奈)采用了边相悬垂I串中相V串的拉V塔M型布置方式。
1150千伏线路外绝缘配置选择考虑了以下方面：
(1)外绝缘的选择以1150千伏线路经过地区的污区分布图为依据，这些污区图是以当地110～750千伏架空线路的自然积污状况和运行经验为基础制订的。
(2)一般设计参数爬电比距lp采用了一些修正系数，设计用的修正系数考虑了绝缘子形状影响和不同串型的影响。
(3)在确定线路污秽等级方面开展了大量工作，为确定污秽等级，采用了污秽源特征参数，作为电气设计初级阶段的参考信息。
(4)在1150千伏架空线路的绝缘水平时，引入了统计方法，可靠性要求为每100千米线路的年污闪次数不应超过0.1。
1150千伏输电线路大量采用玻璃绝缘子，按线路通过地区的气象和污秽条件，选用两种型号的玻璃绝缘子。V串采用单联40吨绝缘子，I串采用单联30吨绝缘子。
苏联按不同污秽分区规定的泄漏爬距要求：对于部分接近咸水湖和工业污秽地区的线路，取1.8厘米/千伏;大多数通过普通尘埃地区，按一般污秽地区的标准，取1.5厘米/千伏。按最高运行线电压求出绝缘子片数后，增加2～3片作为安全裕度，串长的加长，不影响大风时导线带电部分离塔体的最小距离。
为了确保线路运行的可靠性，在早期设计阶段沿规划的1150千伏线路建立了试验站，专门研究了该线路绝缘子的污秽状况、土壤状况及该区域35～500千伏线路的运行经验。
六、无功补偿和电压控制
特高压电网重要任务之一是承担大区域电网的功率交换，潮流变化大而频繁，对系统无功及电压控制压力较大。特高压输电线路充电容量大，对于100千米的特高压线路而言，在额定电压为1000千伏及最高电压为1100千伏的条件下，线路充电功率可达到400～500兆乏。
从无功平衡和限制过电压的角度出发，特高压线路需要采用高压电抗器进行补偿。就补偿线路电容效应引起的工频过电压而言，线路上高抗补偿度越大，线路一端断路器三相跳闸后工频过电压也越低。但线路正常输送重负荷时，高抗补偿度越大，需系统向线路提供的无功功率也越大，送端系统的暂态等值电势和受端系统等值电压也越大，断路器三相跳闸后，工频过电压也相对较大。
在埃基巴斯图兹—科克契塔夫—库斯坦奈线路上，每段线路都配置了3组高抗，每组高抗容量为3×300兆乏。
苏联特高压线路试运行期间，线路潮流轻，因此虽然高抗补偿度很高，无功补偿和电压控制问题并不突出。但计算分析工作表明，采用固定电抗器作为无功并联补偿手段，一方面虽然能够限制过电压水平，但在重负荷方式下会降低特高压线路输送能力;另一方面，重负荷方式下，为保证正常功率输送，通道及受端电网需要补偿大量低压电容。
为维持系统电压合理水平，限制系统过电压，满足系统无功分层平衡要求，特高压电网的无功电压控制仅依靠固定高抗加低压电容、电抗的模式不够灵活方便。由于以上原因，需要研究特高压电网采用可控高抗或快速分组投切高抗的可行性。
可控高抗作为一种动态无功补偿设备，其无功输出可以在动态过程中快速调节，有效抑制电压波动，提高供电质量。一方面提高了系统的电压水平，降低了系统的网损，另一方面也无须为可控高抗配备相应的无功补偿设备，可控高抗的调压功能还能减少诸如低压电容器和高抗等设备的操作，减少对电网的冲击，提高了电网的安全性及可靠性。当系统发生扰动时，可控高抗可作出快速响应，根据其母线电压或线路功率调节其无功容量，抑制电压和功率振荡。
苏联在建特高压输电线路时，曾研制过单相容量330兆乏可控电抗器，每相容量调节范围90～330兆乏，计划替代采用火花间隙投入技术的固定高抗，但未投入实际运行。
七、结论
总起来说，苏联在特高压工程的电磁环境、过电压与绝缘配合、空气间隙、线路防雷、外绝缘等方面开展了大量卓有成效的工作，这些科研成果都可以作为我国特高压工程建设参考资料。同时，苏联特高压交流工程整体运行情况良好，积累了丰富的运行经验。
(作者 李启盛 系 中国电力科学研究院退休干部，教授级高工，曾任院副总工程师，1988年度被评为有突出贡献的中青年专家，长期从事高电压技术研究。本文章发表于2006年11月。)
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