新型四相输电的应用前景及其建议

来源：电气商情网作者：佚名发布日期：2008-6-20 9:24:24

关键词: 电力输电应用

文章标题：新型四相输电的应用前景及其建议

华北电力大学电力系杨以涵[湖南大学电气与信息工程学院刘光晔]

随着经济的发展和人口的增加，可供输电线路走廊的用地日趋紧张，因此提高单位线路走廊宽度的输电能力是许多国家共同面临的问题。七十年代初开始，美国、巴西、意大利、苏联等国在使线路紧凑化方面做了大量的工作，目的是在不提高输电电压等级条件下，提高现有三相线路的输送能力和节约线路走廊占地，大幅度提高单位走廊宽度的利用率。

多相输电也是提高线路输送功率密度的重要方法。近年来，作者提出并系统研究了新型四相输电原理与分析方法。四相输电系统具有最小可能的偶数相，线路及杆塔结构简单，在多相线路中具有独特的优势，具有很好的实际应用价值。

1．多相输电的发展现状

在1972年法国举行的第24届国际大电网会议上，美国学者h.c.barnes与l.d.barthold首次提出了一个超出常规的输电方案，即采用多于三相的输电线路。其结果是：a）比三相改进了架空线路走廊的利用能力，因为在三相系统中，实质上约95的电能只是在紧挨着金属导体约5的空气体积中传输；b）可以明显地减小导线的电位梯度；c）更好地利用空气作为绝缘介质。此后，多相输电作为一种提高输送功率密度的重要方法，引起了众多电力研究者的重视。

多相输电的研究与工业试运行，在美国及其他一些国家进行了二十多年，并取得了很有吸引力的结果。多相输电线路与三相输电线路相比具有许多潜在的优势，它具有较低的相间电压，轻巧的杆塔结构，较窄的架线走廊，大的输送能力，易于与三相现有系统协调、兼容运行，对高压断路器触头断流容量的要求较低等。进一步的研究与试验显示，多相输电线路运行的可闻噪声、无线电噪声、地面电磁场等环境指标均优于三相线路。

现有的多相输电方式的研究，限于相数为3的倍数相，如6、12、24相等，因为实现三相与3的倍数相之间的多相变换很容易通过改变三相变压器的接线方式得到。但是，为了避免多相输电线路复杂的换位，又保证各相参数平衡，必须将多相线路的各相导线排列成正多边形，这使得6相及以上多相导线的悬挂困难，杆塔结构复杂，线路造价上升；随着线路相数的增加，多相输电线路的故障组合类型迅速增加，这使故障的分析计算、继电保护的设计及整定增加了难度；多相输电系统中的断路器结构比较复杂，相间过电压倍数较高。由于上述缺点，六相及以上多相输电方式的推广应用受到限制。

2．四相输电的技术优势

事实上，四相输电系统是最接近于三相的多相系统，它既具有多相输电方式的优点，又克服了多相输电所存在的缺点。四相输电是国内外尚未研究过的新型输电方式。作者在研究三相变四相电力变压器的基础上，首次论述了四相输电方式的基本特征。四相输电方式的主要优点是：增加一相线路，空间电磁场分布更加均匀，输送容量增加，线路走廊反而减小，能提高线路的输送功率密度，节省输送单位容量的投资成本；四相线路是偶数相，对称性好，四相导线可以对称地悬挂在单柱杆塔的两侧，杆塔结构简单；四相线路的组合类型远远少于六相及以上多相输电线路，不会给故障分析、继电保护的设计与整定增加太大的困难。故此，四相架空输电线路具有独特的优势。

例如，比较一回四相线路与一回三相线路，四相导线正四边形排列而三相导线正三角形排列，保证四相线路的参数（每相的电抗、电容、波阻坑）、电晕临界电压与三相线路的参数、电晕临界电压相同。如果在相同的相对地电压下运行时，则四相线路的输送功率为三相的4/3倍，而前者的宽度仅为后者宽度的约0.717倍。故四相线路的输送单位容量所占地面宽度为三相的（3/4）×（0.717）=0.53倍，即节约了47的占地面积，而四相线路的高度（导体部分）也只有三相的0.816倍，其经济效益是非常显著的。

又比较一回四相水平排列线路与一回三相水平排列线路，若保证四相线路与三相线路具有相等的参数、电晕临界电压，则二者的宽度之比为0.945，四相线路输送单位容量的占地宽度为三相线路0.709倍，即节约了29.1的占地面积，其经济效益仍然显著。

综上所述，一回四相线路在不提高相对地运行电压等级的条件下，与三相线路比较，其输送能力可以提高33.3。由于线路走廊宽度反而减小，如果折算成单位走廊宽度的输送能力，则可以提高41~88.7。显然，这一经济效益与环境效益是现有三相紧凑型线路难以达到的。

特别指出，四相输电线能够提高输送功率密度，节省架线走廊，具有使线路变得紧凑的效果，但它与目前国内外研究的交流紧凑型输电线路比较却有着本质的区别。第一，四相线路的每相导线仍采用常规的分裂布置方案，而紧凑型线路需采用特殊的分裂导线布置方案，使线路结构变得更加复杂而导致线路的造价上升。第二，四相线路的每相参数仍维持与常规路参数一致，易于与现有三相线路的参数协调运行，而紧凑型高压线路的电容显显著增大，当线路轻载和空载时，无功功率的控制和补偿复杂化，投资明显增加；当线路故障时，较大的潜供电流会影响瞬时性短路故障的恢复以及继电保护方向元件动作的正确性。如果在四相线路的基础上，只要进一步采用中等紧凑型结构，其节省架线走廊的效果还可与三相高度紧凑型线路一致。

另外，因为四相线路的空间得到压缩使杆塔变得轻巧，以及具有偶数相的性质，还给同杆并架双回线路的杆塔设计带来极大的方便。双回线路的8相导线，在空间上无论是双列逆序布置，还是双行逆序布置，均能构成两个正四边形或矩形，其换位要求远远低于双回三相线路，其输送容量则接近三回三其线路。

四相输电系统应用的重大关键设备是研究与实施三相变四相及其逆变换的电力变压器。作者首次提出了一种四相四心柱结构的三相变四相电力变压器，这种变压器的每相铁心柱上绕组不超过三个，是不等相变换的最简单形式。且具有简单的铁心结构，较高的材料利用率，特别适合于四相侧为高压侧的四相输电系统。这种变压器为四相输电系统提供了重要的物质基础。

四相输电的最大特点是，虽然输电方式新颖，但是所采用的技术却与现有的三相输电系统基本一致，从技术上看，并不存在较大的困难，可以及时地开发与应用。

3．四相输电的应用前景

21世纪的输电系统运行将承担更大的来自环境保护和电力市场两个方面的双重压力。其中需求所产生的压力可以概括为增大输送能力、保持系统稳定与优化系统运行等三个方面。

我国有大量的电能需要西电东送与北电南送，根据我国能源资源分布和电力负荷增长的现实情况，大容量、远距离的西电东送与北电南送势在必行；西北330kv主网在出现更高一级电压前已不能满足电力增长的需求，750kv级线路即将在西北地区兴建；三峡电站18200mw电源若用单回500kv交流线路送电，则需出线约15~17回；我国未来电网的发展规划更高一级电压的水平及其出现的时间。在国内外，线路走廊使用权日益昂贵，走廊增加后对环境的影响也要增加，同时线路走廊还要受到地理环境的制约。

为了提高线路的输送功率，节省架线走廊，我国“七五”攻关项目中就包括了紧凑型线路的研究，1989年能源部确定在我国进行220kv高自然功率紧凑型线路的试点。作为国务院重大办下达的“八五”科研任务，电力部电力科学研究院又进行了330kv紧凑型线路的研究。我国第一条500kv交流紧凑型输电线路已于1999年投入工业试运行，其目的是为三峡电站巨大的输变电工程做技术准备。以上充分显示了提高交流输电线路输送能力的重要性与迫切性。如果加紧本项目的研究，将为我国交流输变电工业的发展又提供一条新的选择途径。

再以三峡电站为例，如果采用16回500kv出线，由于受电站周围自然环境的限制，很难找到合适的走廊。根据的分析可知，如果采用相同相对地电压等级的四相线路，则只要12回出线，而其占居的线路走廊宽度，仅有原三相线路的8.5（即16×0.53=8.48）回宽。而且杆塔数目减少，杆塔结构也变得更加轻巧简单，其经济效益与社会效益是非常显著的。如果进一步采用同杆并架双列逆序布置的双回四相线路，则出线走廊再减小一半，完全可以解决三峡电站出线走廊不足的问题。又根据前面比较四相水平排列与三相水平排列线路宽度的结论，其杆塔高度（导体部分）也只有同杆并架垂直布置双回三相线路高度（导线部分）的0.0945倍。当然，以上分析并没有考虑负荷点的具体分布情况。可以设想，四相输电的研究与应用，将会在我国的国民经济建设中产生深远的影响。

据资料表明，至1999年止，我国330~500kv超高压线路已达到2.4万km，预计今后10a内新增的交、直流超高压线路的数量将会超过以住20a间所建线路总长度的2倍，这为新型输电方式的研究与应用提供了前所未有的契机。特别是在西北电网新的电压等级即将出现之前，要抓紧对四相输电方式进行前期的理论研究与技术论证。如果理论与技术证明四相输电可行，并不失时机地在更高一级电压中得到应用，还可以进一步完全避免同一等级电压下三相与四相混合输电系统运行所需要增加的兼容成本。例如，避免同一电压等级的三相母线与四相母线并存，可以简化变电所的电气主接线，节省占地面积及设备投资；避免增加同一电压等级的三相母线与四相母线之间的联络变压器，节省变压器的重复变电容量。

4．结论与建议

四相架空输电线路对称性好，线路及杆塔结构简单，在多相输电线中具有独特的优势。四相线路与同参数的三相线路比较，可以提高输送容量33.3。由于线路走廊宽度反而减小，单位走廊宽度输送容量可以提高41~88.7，经济及环境效益十分显著。21世纪输电系统的发展，为新型四相输电系统的应用提供了前所未有的契机。

四相输电的最大特点是，虽然输电方式新颖，但是所采用的技术却与现有的三相输电系统基本一致，从技术上看，并不存在较大的困难，可以及时地开发与应用。如果四相输电方式在四北电网即将出现的更高一级电压中及时地得到应用，还可以进一步完全避免同一等级电压下三相与四相混合输电系统运行所需要增加的兼容成本。建议尽快在西北地区建设一条四相输电试验线路，首先降低电压为330kv（四相线路的相对地电压为330/√3kv）运行，一旦时机成熟，则可以灵活地升级为750kv（四相线路的相对地电压为750/√3kv）运行。这样，既抓住了机遇，又不会有较大的风险。

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