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。