俄罗斯乌克兰超特高压输变电技术发展近况.docx

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俄罗斯乌克兰超特高压输变电技术发展近况

俄罗斯、乌克兰超、特高压输变电技术发展近况

摘要：

较为全面介绍了中国电工技术学会特高压输变电技术考察团对俄罗斯和乌克兰超、特高压输变电技术的考察情况。

其中，重点介绍了圣彼得堡直流高压研究院对1150kV特高压输变电技术的研究成果；乌克兰扎不罗热变压器研究所和变压器厂对超高压、大容量变压器的科研和生产情况；对高压电瓷股份公司的考察情况以及对750kV输电线路杆塔和绝缘子使用现状的调研情况。

0　前言

　　俄罗斯、乌克兰是世界上少数具有开发超、特高压输变电技术实践经验的国家。

为配合我国750kV西电东送工程，更好地促进我国更高电压等级输变电技术的开发研究工作，学习、借鉴国外特高压输变电技术的经验，经中国科学技术协会批准，由中国电工技术学会组团，于2001年9月24日至10月10日赴俄罗斯、乌克兰进行了为期2周的考察访问。

代表团的成员包括来自高校、研究所及制造厂主管科研和新产品开发的负责人。

考察的内容包括：

750kV和1150kV超、特高压输变电系统的运行和科研状况；超、特高压输变电关键设备的设计、制造和运行情况。

代表团重点考察访问了全俄直流研究所、乌克兰扎布罗热变压器研究所和变压器厂、斯拉维扬斯克高压电瓷股份公司等，还参观了第聂伯河水电站和前苏联工业成就展，实地考察了数条750kV输电线路。

考察的内容和走访的单位很多，下面将重点介绍对超、特高压输变电技术的考察，希望能对我国超、特高压输变电技术的研究，特别是对我国750kV输变电系统的研究、设计和建设起到参考和借鉴作用。

考察报告全文详见电力设备网（.cepee.）及《电力设备》杂志2003年第3期所附光盘。

1圣彼得堡直流高压研究院（NIIPT）全俄直流高压研究院为前苏联直流方面的领导院所，研究的领域不仅仅限于直流，他在交、直流输电系统中都有较高的权威性。

　　NIITP主要研究X围为：

①直流输电系统的设计和运行方式，直流输变电架构及换流器等设备的研究；②复杂的电力工具的可靠性、稳定性和服务效能；③任何电压等级输电线路和变电站；④发电厂和变电站的电气控制系统，设备监控与诊断；⑤特殊的运行设备研究。

1.1特高压输电研究及运行情况

　　在1985～1990年期间，前苏联建设的1150kV输电系统曾按额定电压运行了5年时间，但在苏联解体后,该线路跨越两个国家，在哈萨克斯坦境内的一部分划归该国管理，不能统一调度，同时存在电费纠纷，此外由于经济滑坡导致电力需求不足，所以特高压线路在90年后已降至500kV运行，降压运行的原因不是技术问题，而是政治和经济问题。

　　前苏联在1961年出现500kV系统及设备，有500kV线路45000km，解体后俄罗斯有500kV线路35000km。

1967年出现750kV系统，有线路8000km，单条线路输送电力2GW。

1985年出现1150kV系统，有线路2500km，4个站。

1990年前，全苏装机容量在300GW以上，目前，全俄装机容量200～250GW。

在1987年，年发电量为1500TWh尚满足不了要求，而现在年发电量仅为1000TWh,需求有所减少。

　　前苏联1150kV输电线路的走向和分段情况见图1。

前苏联在20世纪70年代即完成了一条长100km,电压等级为1150kV的输电线路的设计，但没有应用于工程建设。

此后，又对Ekibastuz-Kokchetav的一条长达500km的1150kV线路及变电站进行了设计，于1985年完成线路建设，该线路和变电站起到了试验、研究和积累运行经验的基地作用。

1988年，完成Kustanai的1150kV变电站建设，使Kokchetav-Kustanai共长390km的1150kV线路投入使用。

同时，Kustanai-Chelyabinsh及Ekibastuz-Barnaul的二段1150kV输电线路完成建设，但该二段至今一直是降压按500kV运行。

Barnaul-Itat的1150kV线路亦已完成建设，其他的1150kV线路尚在规划中。

在图1中，从Chelyabinsh-Itat的1150kV线路全部采用同一设计，即采用8×AS330/43分裂导线，分裂间距为0.4m。

根据不同区域的覆冰状况，档距为385m或425m，相间距离为24.2m或22m,自然输送功率为5.4GW或5.5GW，拉V塔高为40m。

1150kV输电线路拉V塔结构见图2。

图1　前苏联1150kV输电线路的走向和分段情况

图2　1150kV输电线路拉V塔结构

　　在特高压的研究方面，直流研究院主要开展了以下工作。

1.1.1　放电间隙研究

　　对特高压架空线路及隔离开关的空气间隙主要采用两种试验波形进行研究。

一是波头时间为300～500μs的操作冲击波（由冲击电压发生器产生），另一是波头时间为2000～4500μs的长波头试验波（由工频试验变压器产生）。

图3示出了在进行特高压输电设计中所应用的不同电极结构空气间隙的50%放电电压曲线。

图3　不同电极结构空气间隙的50%放电电压曲线

（波前时间为3000～4500μs的操作波）

1-棒-板间隙；2-棒-棒间隙；3-分裂导线-地间隙；

4-分裂导线-4.5m高的接地车辆；5-分裂导线-塔身及干绝缘子串

1.1.2　绝缘子串放电研究

　　在雷击和操作冲击电压下，干燥气候条件下的长绝缘子串的放电特性主要取决于绝缘子串的空气间隙的长度；淋雨条件下的长绝缘子串的放电主要在空气间隙中发生，仅有一小部分是沿绝缘子串表面放电。

在持续的工作电压作用下，湿污绝缘子的闪络一般都是沿面发生。

在不同的试验条件下，不同结构绝缘子长绝缘子串的长波头（3000～4500μs）操作冲击闪络电压放电试验曲线见图4。

对长串绝缘子的操作冲击放电试验结果表明：

当绝缘子串长达7m时，在小雨、雾、雪甚至在环境条件脏污的条件下，长串绝缘子的操作冲击放电电压和操作冲击干闪电压相比并没有明显降低，因此长串绝缘子操作冲击的干闪电压特性曲线是最基本最重要的特性曲线。

对于V形塔当中的V形绝缘子串，根据分裂导线悬挂高度及位置的不同，V形绝缘子串的操作冲击闪络电压较同一长度I形绝缘子串的操作冲击闪络电压降低10%～15%，因此，对中相V形绝缘子串的操作冲击绝缘水平的选择十分重要。

图4　不同结构绝缘子长绝缘子串的操作冲击闪络电压曲线

（波前时间3000～4500μs）

1-雨闪电压，大爬距绝缘子L/H＞2.2；2-雨闪电压,普通型

绝缘子L/H＜2.0；3-干闪电压

　　为了确保线路运行的可靠性，在早期设计阶段沿规划的1150kV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35～500kV线路的运行经验。

线路穿越的部分地区属盐碱性土壤，经过分析，确定穿越该地区的线路绝缘子所采用的泄漏比距要高于常用的泄漏比距（λ=1.5cm/kV）。

1.1.3　特高压线路的操作过电压控制

　　1150kV线路需要通过并联电抗器达到100%的补偿。

三相电抗器的容量高达3×0.3Gvar，每隔150km就需要安装一组这样的电抗器，这使得降低由操作引起的瞬时过电压成为可能。

根据原苏联、加拿大、美国的750kV线路运行经验，单相接地故障占线路故障总数的99%，因此，为了1150kV系统的稳定运行，使用单相重合闸是必要的。

对于1150kV线路，最主要的是确保故障相在两端断路器跳开后潜供电弧的熄灭。

通过研究得出一个重要的结论：

采用一套专门设计的具有合适参数的补偿电抗器连接在每组并联电抗器的中性点和地之间，可以有效地将潜供电流降低一个数量级。

　　采用以下措施以降低1150kV线路的操作过电压：

并联电抗器确保达到100%的补偿；在每组并联电抗器的中性点与地之间连接补偿电抗器；在断路器动作时，合上并联电阻；另外，在线路端部安装氧化锌避雷器。

1150kV线路是采用统计的方法来进行绝缘配合的。

1.1.4　1150kV的雷电性能

　　1150kV输电线路的防雷设计已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，1150kV线路的反击耐雷水平很高，可以承受高达250kA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，当雷绕击导线时，20～30kA的雷电冲击电流就可能造成威胁。

　　为了研究1150kV线路的雷电特性以及雷击跳闸的概率，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。

现已得出了很多有用的结论。

确定出每百公里·年的雷击次数为0.5；在1989年和1990年，实测雷击跳闸的次数为0.3和0.4。

主要是由绕击导线引起的跳闸。

1.1.5　绝缘子串电压分布

　　为了用试验方法来检查设计上使用不同悬式绝缘子时绝缘子串的分布电压，以及为了将计算和测量的数据作一比较，建造了一个与真塔尺寸相同，具有边相和中相绝缘子串及模拟导线的实体模型；单片绝缘子上的电压U1是通过在绝缘子内部的一个专用的光传感器直接在绝缘子串的测量中得到的。

对30个绝缘子串所测得的电压分布证明，计算值和测量值相当一致。

　　从绝缘子串上U1的计算值可以看出，在干燥的天气条件下，中相采用单串PS-400A型绝缘子的1150kV交流输电线路的V型串中，靠近导线第一片绝缘子上的最大电压可以达到40kV。

对于采用单串PS-300K型绝缘子串的边相，这一值不会超过32kV，这是因为第一片绝缘子在分裂导线内。

在边相和中相都使用双绝缘子串的1150kV输电线路中，绝缘子的最大分布电压值也不会超过35kV，这时靠近导线的第一片绝缘子是在分裂导线的上方。

　　计算和测量的数据都表明，尽管最接近导线的绝缘子（中相和边相分别使用2×PS-210B型或2×PS-300K型）上的U1值略高于这些型号绝缘子的无线电干扰电压允许值，实质上绝缘子串上的整体无线电干扰水平并不影响由导线电晕所确定的1150kV线路上的整体干扰水平。

　　为了确定分布电压的允许值，在各种天气条件下使用户外试验装置对1150kV交流线路中所有绝缘子组成的绝缘子串进行了长期的测量。

由测量结果得出结论：

设计定出的U1值是可以接受的。

1.1.6　1150kV线路和开关站的电磁环境影响

　　通过已投入运行的1150kV输电线路来研究他们对环境的影响。

例如输电线路与变电站中的无线电干扰水平、输电线路信道与变电站中的电场、变电站中操作台上的感应电流等。

　　在运行的初始阶段，由1150kV输电线路和变电站产生的无线电干扰水平超过了规定水平。

运行一年之后，导线上的毛刺减少，线路产生的无线电干扰水平降低了5～6dB。

在变电站内，对母线（尤其是在他们的交汇处）和装置的屏蔽改进等设计工作仍在继续。

　　电场的测量结果可以用来绘制户外开关装置的场强分布区域。

选择日常巡视路径来进行测量，要求该路径的场强在5kV/m以下。

对于场强大而工作人员又要经常去的地方，可以加装保护屏和保护罩。

　　为了保持输电线路正下方地面场强的最大值E1在原苏联安全规X给出的15kV/m（距地面1.8m，温度32℃）之内，增加了导线的对地高度，这导致在线路上的投资增加了6%。

　　由原苏联所确定的线路信道（限制进入区域）边界为距离输电线路轴线80±5m，这一值是根据计算和测量结果并按照场强值E1不大于1kV/m来确定的。

　　对人体健康可能造成的伤害是,当人与大型农用车辆（如联合收割机）接触时电流持续地通过人体，而如果此时车辆正好处于输电线路下电场最高（E1=15kV/m）的不同位置,则由测量和计算（计算流过人体电流的等效电路见图5）结果可以看出，在这种情况下，通过人体的电流不会超过5mA，这一值低于摆脱电流（女性6mA，男性9mA）。

对于横跨公路路面的1150kV输电线路，考虑到可能出现的对车辆（干的柏油路面）和行人（路边）的不利情况，要求场强值E1应低于10kV/m。

图5　计算流过人体电流的等效电路

1.1.7　1150kV线路的改进设计

　　对工程初期使用的1150kV塔已进行了改进，通过采用更高的塔（50m）和更大的档距（475～525m取代385～425m），使每公里线路节约了10%的钢材和在施工工程中节省了15%～20%的费用。

除了改进现有的塔外，在将来的1150kV线路中使用新型塔在技术和经济上是可行的。

例如，在农田和人烟稀少的地区，可以采用拉索塔，这可在钢材上节省25%。

这种塔已经设计、制造并通过了测试。

　　建设具有高自然输送功率的1150kV线路是可能的。

最初设计的1150kV线路具有5.5GW的自然输送功率，新项目设想为具有7GW、9GW的自然输送功率。

设计中的分裂导线数将更多，相间距离将更小。

对于导线分裂数n=12，相间距离D=15m的1150kV线路来说,输送自然功率可高达7GW、7.5GW；当n=14或15，且D=12m时，输送自然功率可上升到8.5GW、9.0GW。

几种新型杆塔结构见图6、图7和图8。

当然，目前这仅是设想，并未付诸实施。

图6　具有悬式珩架的拉线塔

图7　紧凑型拉V塔

图8　三角形结构拉线塔

1.1.8　多分裂导线的电晕损耗和无线电干扰

　　计算结果表明，次导线上的表面最大场强Em分布极不均匀。

对12分裂导线电晕损耗的试验证明，无论是在整束还是在单根次导线上的电晕损耗都存在着很大的差别。

分裂母线、导线的电晕电流见图9、图10。

这使得研究新的试验研究技术和预估年度电晕损耗成为必要。

图9　分裂母线的电晕电流

（a）雨雪；（b）霜

0-分裂导线整体；1-最下面子导线；7-最上面子导线；

图10　分裂导线的电晕电流

（a）分裂导线的排列；（b）好天气

0-整个分裂导线；1-最下子导线；4-中间子导线；7-最上子导线

　　对分裂根数大于8且有不同分裂间距D的导线的电气特性进行了研究。

当分裂间距D较小时，其电气特性与相同直径的管导线很接近，且导线下的地面场强显著降低。

对具有较小分裂间距（D=11.5cm）的8分裂导线的理论计算也验证了导线试验结果。

因此，应采用较小分裂间距的多分裂导线作为变电站的母线而不是采用铝管。

　　通过对8×AS-400/51导线的试验，研究了分裂间距D对电晕的影响。

分裂间距分别为常规值D=38.3cm和较小值D=11.5cm，较大值D=115cm。

结果表明，在同样的表面梯度下D增加则电晕损耗减小。

　　对类似的试品进行了无线电干扰试验，结果表明当分裂间距与次导线半径之比超过25时，无线电干扰水平与Em无关。

试验表明可以通过用试验线段来建立一个全天候的RI测量方式。

这一试验对通过密集人口地区的1150kV线路的建设是必要的。

1.1.9　带电作业

　　早在20世纪30年代，原苏联就在输电线路上进行了首次带电作业试验，这些作业包括用绝缘棒检查及拆换导线零件。

在40年代，等电位作业这一新的带电检修方法已得到应用并大规模推广，第一本带电作业操作规程已经编制审定。

到50年代中期，带电作业技术已普及。

在前苏联电力系统75%的地区，线路抢修工作有85%采用带电作业。

带电作业内容包括：

绝缘子检测、压接管电阻测量、线路金具拆换、对架空地线及拉线涂刷防腐剂等。

　　对于330～750kV输电线路的带电作业，已发展了一套完整、合理的操作方法，并配有现代的装备及易于使用的工具。

另外，对1150kV输电线的带电作业技术、工具、保护方法等问题也进行了深入研究。

　　对带电作业时架空线电磁场影响的研究已进行了大量工作。

从试验分析结果来看，750kV线路上的磁场强度不致对带电作业工人造成有害影响。

而对于电场的影响，则可通过采取保护措施来消除电场的直接效应，如为了消除电场效应以及人体接触高电位瞬间产生的脉冲电流效应，制作了高标准的屏蔽服。

1.2　直流研究院的研究领域及主要试验设备1.2.1试验研究领域试验研究领域有：

①加速老化试验，以确定电器设备的可靠性及使用寿命；②在工业区及自然污染区划分外绝缘的污区分布图；③各种电压等级的线路和变电站的外绝缘设计研究及材料的选择；④6～220kV线路和变电站的升压改造；⑤森林地区特殊线路及具有特殊环境要求的变电站及线路的设计；⑥便携式仪器、仪表的研制、开发；⑦高压电力设备的检测。

1.2.2　交、直流试验设施　

　　直流研究院的实验设备和装置包括：

1150kVAC和1500kVDC试验线段；冲击电压发生器（4000～5000kV）；直流电压发生器（1500kV）；串级试验变压器（3×600kV）；双极冲击电压发生器（±1600kV）；工频试验变压器（750kV，1500kVA和500kV，3000kVA）；直流发生器（1000kV，0.3A和500kV，0.3A）；变压器（333kV,333kVA）；变压器（70kV,300kVA）；变压器（35kV,1600kVA）。

（1）高压试验大厅。

大厅内有交流750kV，1500kVA与500kV、3000kVA双套管式工频试验变压器和4000kV冲击电压发生器、直流电压发生器等实验设备，还有冲击电流发生器,可产生40kA（8/20μs，1/4μs），100kA（4/10μs），3.5kA（40/80μs，1.2/2.5s），2kA（2000μs）的冲击电流。

大厅内还可试长15m的500kV电缆。

（2）户外试验场。

设有3×600kV，2000kVA串级工频设备；5000kV,800kJ冲击电压发生器，罩在圆绝缘筒内；±1200kV，500mA直流发生器，由400kV，3.5A工频变压器充电。

　　对工频试验变压器可以加电容器对低压绕组放电产生长波头操作冲击以及用5000kV冲击电压发生器产生正负操作冲击作正、负极性间隙放电试验。

全场有十几根固定在钢支架上支撑高压引线的绝缘子柱，每个绝缘子柱由9根110kV支柱组成，上3根为细的，下6根为粗的，这样可以方便的引出各种高压。

有3座试验铁塔，试验线路长700m。

　　曾作过1150kVAC，±750kVDC输电线路的整套试验。

　　（3）电力系统动态模拟试验室。

有80台容量分别为1kVA、1.5kVA、5kVA、10kVA、15kVA、30kVA的同步发电机，速率从1000～3000r/min，电压230V，可改变X、Xd、Xd、Td等参数进行各种试验，可进行AC、DC线路模拟等。

1.2.3　主要试验项目　

　　①绝缘试验：

a.冲击试验（冲击电压发生器5000kV，800kJ和4000kV，640kJ），试验数据见表1;b.直流实验，试验数据见表2。

②高压电缆试验，试验数据见表3。

③污秽试验，玻璃绝缘子等污秽试验数据见表4。

④高压电器设备的试验：

交流电压750kV，1500kVA；500kV，3000kVA。

直流电压1000kV，0.3A；500kV，0.3A。

表1　冲击试验数据

冲击试验

最大电压或电流

备　　注

雷电冲击

3200kV（室内；室外）

1.2/50μs；0.5/50μs

操作冲击

（干态）

2500kV（室内；室外）

250/2500μs；

50/1000μs～1000/10000μs

冲击电流

40kA

100kA

3.5kA

2kA

8/20μs；1/4μs

4/10μs

40/80μs；1.2/2.5ms

2000μs

表2　直流试验数据

直流试验

最大电压或电流

备　　注

干态试验

1000kV；+1200kV，

500mA（户外）；

-1200kV，500mA

他是2个独立的1200kV系统

湿试验

1000kV

局部放电和RIV测试

600kV

电容和tgδ测试

600kV

表3　高压电缆试验数据

高压电缆试验

最大电压或电流

高压电缆试验

最大电压或电流

负荷循环

1500A

雷电冲击

3200kV

交流电压

600kV

操作冲击

2500kV

直流电压

1200kV

表4　玻璃绝缘子、瓷绝缘子、合成绝缘子、氧化锌

避雷器的人工和自然污秽试验数据

标　　准

最大交流电压/kV

最大直流电压/kV

清洁雾

IEC507；IEC1245

600

800

盐　雾

IEC507；IEC1245

300

300

2　乌克兰扎布洛热变压器研究所（VIT）扎布洛热变压器研究所是全世界最大的变压器研究所。

该所部分技术已转让到德国西门子、中国、南韩等国家。

VIT主要工作X围有：

开展科研工作；设计工作；软件工作；开发新产品，设计工装设备及研究生产工艺；制造样品和少量产品；电气设备试验；修理复杂的电气设备；研究并提出国家标准；在全乌克兰认证产品；咨询服务。

VIT进行过的重要产品开发、试验有：

DC±750kV、320MVA的变压器，平波电抗器，隔离开关；750kV并联电抗器；667MVA,1150/500kV自耦变压器模型；1800/500kV自耦变压器模型；750～1800kV套管；DC600kV脉冲装置；220～500kV中性点套管；干式变压器环境试验容量到1600kVA；750kV及以下电磁式电流互感器；500kV及以下电磁式电压互感器；HDE750kV电容式电压互感器。

2.1　高压大厅

　　大厅内试验设备有3×750kV、4A工频串级变压器；外有一台独立750kV工频变压器；2500kV、200mA直流电压发生器；8100kV、1150kJ冲击电压发生器（27级×300kV）。

还有一台专用直流叠加工频合成试验设备。

　　此外，还有1100kV、350kVAACSF6冲击装置与1000kV、3000kVDC冲击装置；330kVSF6移动式试验车，可充4个气压的SF6设备；1000kVSF6TA与CVT。

2.2　其他实验室VIT还拥下列实验室：

①线圈及变压器短路试验间，短路容量6.3MVA；②引线短路机械强度试验间，短路电流20kA；③防噪声试验间，容积4×5×6m3，可试1600kVA变压器；④冷却器试验室，内有φ2.5×3m（H）的油箱，610kW电加热器，风、水冷却器，试验容量可到600kW，并配有多探头测温装置；⑤风洞试验间，试验风冷却器的冷却效果，可将冷却器装在2.5×2.5m2的方框内，由φ约为1m的风管通风试验；⑥有载分接开关试验室，参观中见到一台分接开关的试验，试验灭弧性能（加电阻），减少电流无弧过渡与不加电阻有弧过渡，二者电气寿命由2万次升高到20万次；⑦漏磁及局部过热试验室，参观中见到了一台模型变压器器身，有上百个传感器测漏磁分布；⑧振动试验室，实验台面积约2×3m2，可承重5t，可试水平与垂直地震烈度1～10级（分别加）；⑨大型高、低温试验间，有数间，可同时作数台试品的高低温实验，其低温