特高压输变电电磁兼容测试与研究现状

  Belle ·  2011-04-13 22:14  ·  24254 次点击
国家电网自动化设备电磁兼容实验室张梅
一、特高压输变电发展状况
我国地域辽阔.能源和负荷分布极不均衡。在电网建设中,能源分布和电力传输始终是一个需要综合考虑的问题。随着我国经济发展。建立长距离、大容量、低损耗的输电系统已成为我国电网发展的必然趋势。按照国际标准,特高压(UHV)指的是l000kV及以上电压等级。在我国,特高压指的是1000kV交流和±800kV直流电压等级。
特高压交流输电技术的研究始于20世纪60年代后半期:前苏联从8O年代开始建设西伯利-哈萨克斯坦-乌拉尔1150kV输电工程,输送容量为5000MW,全长2500km,从1985年起已有900km线路按115OkV设计电压运行。1988年,日本开始建设福岛和柏崎一东京lO00kV400余km线路,意大利也保持了几十公里的无载线路作特高压输电研究,美国AEP则在765kV的基础上研究1500kV特高压输电技术,而瑞典也于2006年底在路得维克建立了特高压试验中心,对±800kV的直流输电技术进行长期测试。
我国首个1000千伏交流特高压交流工程,是我国自主研发、设计和建设的具有自主知识产权的1000千伏交流输变电工程:晋东南一南阳一荆门交流特高压交流试验示范工程,全长640公里,纵跨晋豫鄂三省,其中还包含黄河和汉江两个大跨越段。线路起自山西1000kV晋东南变电站,经河南1000kV南阳开关站,止于湖北1000kV荆门变电站。2008年12月30日22时,工程投入试运行,2009年1月6日22时,顺利通过168小时试运行。交流特高压在远距离、大容量输电中具有明显的经济效益。同时,在武汉,建立了特高压试验研究基地,具备各项特高压试验的条件和能力,进行各项特高压的专题研究。
1954年,世界上第一个基于汞弧阀的高压直流输电系统在瑞典投入商业运行随着电力系统的需求和电力电子技术的发展,高压直流输电技术取得了快速发展。1972年.基于可控硅阀的新一代高压直流输电系统在加拿大伊尔河流域的背靠背直流工程中使用;1979年,第一个基于微处理器控制技术的高压直流输电系统投入运行;1984年,巴西伊泰普水电站建造了电压等级最高(±60okV)的高压直流输电工程。
我国高压直流输电起步相对较晚.但近年来发展很快。1987年底,我国投运了自行建成的舟山100KV海底电缆直流输电工程。随后葛洲坝一上海±5OOKV、1200MW的大功率直流输电投运,大大促进了我国高压直流输电水平的提高。2000年以后,我国又相继建成了天生桥-广州、三峡-常州、三峡-广州、贵州-广州等±500KV容量达3000MW的直流输电工程,现在正在进行向家坝-上海±800KV的建设。特高压直流试验基地位于北京中关村科技园区昌平园,占地约80000m2,包括特高压直流试验线段、电晕笼、户外试验场、试验大厅、污秽及环境实验室、电磁环境模拟场、绝缘子实验室、避雷器实验室以及设备带电考核场。2009年2月22日,国家电网公司特高压直流试验基地建设和国家电网公司西藏高海拔试验基地建设项目顺利通过验收。特高压直流试验基地的设备参数和性能指标取得了l5项世界第一,综合试验能力达到国际同类试验基地的领先水平,可以满足中国超/特高压直流输电发展的需要;西藏试验基地的高海拔高压试验能力达到了国际领先水平。
二、特高压输变电电磁兼容测试与研究发展状况
由于交、直流特高压输电电压高、分裂导线多等特点,使得特高压线路的无线电干扰、合成场强、可听噪声等环境问题一直为人们关注。
(1)特高压输电线路的无线电干扰
美国BPA对选择的分裂导线结构进行大量研究表明,1150kV的线路无线电干扰水平与已运行的500kV输电线路的指标接近,有的甚至还偏低一些。原苏联对1150kV线路运行情况进行测试证明,采用间距为0.4m的Ac330/43型导线组成的8分裂导线运行中的情况与750kV线路没有区别。这表明,特高压输电线路的无线电干扰控制指标或预计的干扰水平可以达到与现有实际运行的最高电压等级的线路的干扰指标相当。
国内研究情况表明,对于采用多分裂导线的交流特高压送电线路,增加导线根数比增大每根子导线截面,对降低无线电干扰水平具有更明显效果;三相导线采用倒三角布置比水平排列或正三角排列干扰水平略低,而且可以压缩线路走廊等降低无线电干扰的措施;同时提出了我国交流特高压线路无线电干扰控制指标为55~58dB。特高压直流输电直流线路单极运行时的电磁环境影响比双极运行时小。
(2)特高压输电线的合成场强
表征输电线路电场环境问题主要是工频电磁场。特高压输电具有高电压、大电流的特点,由于电磁感应,输电线路周围必然产生较强的电磁场,持续或变化的电场对所处场内的生物体产生感应电流,当感应电流密度超过一定限值时,人体将产生不适感,甚至对人体细胞和组织造成刺激及其他影响。
欧美和日本等国对400~700kV交流输电线路线下最大地面场强大多数取值为1O~12kV/m,没有发现在这样的线路下对人体健康危害的报告。国内研究结论表明,交流特高压输电线路下的工频电场,最大值出现的地点与500kV的一样,位于边相导线外约lm处(水平排列),但交流特高压线路下的高场强区域比500kV线路的要大。特高压直流线路由于离子流现象的存在,线路下方的合成电场强度随距地面高度的增加而减小,±800kV直流线路下地面合成电场强度为28.85kV/m,接近限值(人们感受到的是合成电场,国内外电场感受试验表明.电场强度为3OkV/m时,人会感到电场的存在)。特高压直流±800kV线路磁场强度在45uT以下,远远低于国际标准的公众暴露限值40mT;
(3)电晕及可听噪声
对特高压输电线路因电晕而产生可听噪声问题的重视,是从美国采用500kV和765kV超高压输电开始的。美国在实施超高压输电过程中,先后在弗吉利亚电力公司和美国电力公司的部分输电线路上,出现过可听噪声引起居民抱怨并诉诸法律的问题,后来这些超高压输电线路不得不采取降压运行或停止运行的措施。因此,电晕噪声作为实现交流特高压交流输电的一种限制因素,更引起各国科研人员的高度重视,并把它列为交流特高压输电基础研究的一项重要内容。
美国、日本、意大利和加拿大等发达国家,经过各自长期的实测数据和分析,提出了预测交流特高压线路对称分裂线可听噪声的预测公式。但到目前为止,各国并未正式制订交流特高压线路可听噪声的限制标准,而只是在各自交流特高压线路设计规范中提出了一个控制值。
国内以美国BPA推荐的交流特高压线路的可听噪声的预测公式为基础,对1150kV线路的可听噪声进行了计算预测,并结合我国现行的“城市区域环境噪声标准”,提出将交流特高压线路走廊边缘的可听噪声限制在57dB的结论。同时,通过对试验线段为期一年半的可听电晕噪声实测研究得出:1100kV试验线段的三相等效声级为48.5dB,1100kV交流特高压输电采用8xLGJQ400对称分裂导线是可行的,噪声水平比较低;提出了采用非对称分裂方式,以达到降低电晕噪声的目的。特高压直流输电线路,增大极间距会导致地面合成电场的增大,但无线电干扰和可听噪声减小。在确定极间距时,需综合考虑其对各电磁环境参数的影响。
三、特高压电磁环境测试研究现状及局限
(1)特高压电磁兼容测试研究的局限性
由以上所述,可以明显看到,国内外对特高压输变电的研究广泛局限在电磁环境的测试与研究上,一方面这是因为公众对环境的关心所影响,另一方面,在测试与研究的可行性上,都较为成熟。
输电线路在软件仿真上,模型较为简单,影响参数主要为分布电容、电抗等,同时具有经过实践验证的校正参数和公式利用,在超高压输变电运行多年经验的基础上,对特高压电压等级的输电线路进行软件仿真和计算具有比较高的参考性和实践性。
在测试手段上,工频电磁场、稳态高频电磁场以及可听噪声的测试探头、接收机等仪器,完全能够满足其测试的技术要求。同时,在测试的客观条件上,限制不多,可操作性及实践性比较强。
综述,目前特高压电磁兼容的测试、计算和研究方向主要集中在稳态电磁干扰上,而对于暂态干扰的测试研究则显得相对比较贫乏。而对于基于微电子技术的自动化产品而言,影响更大的多为由于各种原因造成的暂态干扰。
电力系统暂态干扰由于是突发事件,同时大多以脉冲形式呈现,高频含量丰富,在传导和辐射的过程中由于受到分布电容、电感量的影响而畸变很大,工作在敏感空间的微电子自动化设备受到的干扰千差万别。所以,在暂态干扰的测量和研究上,从一开始就受到诸多限制而不能快速发展。
首先,暂态干扰包括各种开关操作、雷击、拉合负载等所引起的各种脉冲干扰,受本身硬件特性影响较大,不同生产厂家、不同型号的产品,其操作产生的暂态干扰都有较大差别,在经过空间和导线传导,在敏感设备处的干扰波形千差万别。加之不同的位置分布、导线走向等等,进行软件建模计算基本没有实际参考性,唯一的途径只能是大量测试数据的积累和提炼。早在六七十年代,国外就针对变电站等进行暂态干扰的测量,监测周期都在数十年以上,在大量测试数据的基础上,提出代表意义的测试干扰波形,生产干扰信号发生器,对敏感设备进行投运前的电磁兼容测试,提高其在现场的可靠性。同时,建立相关电磁兼容标准,电磁兼容测试和研究得到不断完善和发展。1997年12月底国际大电网会议36.04工作组编写了《发电厂和变电站电磁兼容导则》,总结并概括了有关电磁骚扰源、骚扰耦合途径和抑制骚扰的措施等各方面的研究成果和实践经验,比较全面的论述了发电厂和变电站的电磁兼容问题,尤其是在各类暂态干扰上,在大量国外测量数据的基础上进行了总结分析和说明。
我国在输变电电磁暂态干扰测试和研究上,起步比较晚,武高院利用自身优势和条件获得了较多电磁场环境的现场测试数据,但在暂态干扰的测试上,国内的积累数据并不是很多。因为,暂态干扰的测量面临的困难相对比较多,开关操作需要各方面的配合和支持,机会不多;测试仪器性能指标要求比较高;测试方法的科学合理性以及测试结果的一致性都需谨慎实施和考核。国网自动化设备电磁兼容实验室主要进行输变电自动化设备的电磁兼容测试,积累了丰富的电磁兼容测试资料,同时,参与现场的暂态干扰测试,为输变电自动化设备电磁兼容测试的一致性提供了良好的数据支持。电科院和地方电力研究所也积极进行输变电暂态干扰的测试,最近,西北电网公司在750千伏示范工程官亭变电站,成功进行了国内首次750千伏GIS设备快速暂态过电压(VFTO)测试,主要测试了750千伏GIS中隔离开关带电操作引起的VFTO幅值及波形等参数与GIS外壳地电位瞬态升高情况,刀闸分合操作测试共计39次,操作200多项,为750千伏GIS设备操作和运行维护提供了有力依据,也为后续750千伏及特高压GIS设备设计、选型积累了经验和数据,更为特高压操作开关暂态冲击干扰提供了最有力的数据支持。
(2)特高压电磁兼容标准制定与实施的局限性
电磁兼容技术是由过去的电磁干扰研究发展起来的。国际上,欧盟89/336/EEC电磁兼容指令从1996年1月1日开始强制执行,大大推动了全球的电磁兼容标准的强制执行和电磁兼容认证工作,使其向更加规范化和法制化方法发展。2004年12月15欧洲议会、欧共体理事会通过了一个新的电磁兼容指令:2004/108/EC。
我国的EMC测试及标准化工作起步于20世纪60年代,当时国内一些研究所筹建了条件相对简陋的实验室,开展无线电干扰的测试、科研工作,同时参考了前苏联和欧美国家的标准来制定自己的标准和测试方法。
1986年成立全国无线电干扰标准化技术委员会,并对应CISPR设立了A、B、C、D、E、F、G分会,根据我国的国情设立了S分会-系统间电磁兼容,主要研究无线电系统和无线电系统之间的电磁兼容问题。
对于继电保护装置产品,国际电工委员会IEC标准TC95技术委员会成立了专门电磁兼容研究的工作组,在研究电磁兼容技术的基础上,结合量度继电器及装置自身工作的特点和国际电工委员会IEC标准TC77技术委员会及CISPR技术委员会制定基础标准发展的动向,编制了适用于继电保护产品的电磁兼容标准体系并不断进行更新标准的内容。我国相应的继电保护标准化组织已将相应的国际标准转化为国家标准。由此,也能看出我国在电磁兼容的制定上,基本上以引用国际相关标准为主要方式。所以,在进行具体实施过程中,不免有不适应的局限性。
在产品进行相关电磁兼容测试和认证的具体实施时,EMC测试人员及产品工程人员接触到的一般为产品类标准,产品类标准数量最多,但却仍然不能为产品EMC测试提供清晰明确的指导细则。这主要由产品类标准中产品范围定义宽泛、专用产品标准的缺失、企业对产品测试理解不深刻等原因所引起,造成试验方法不有误差甚至不正确、试验结果判定不合理或不确定等结果。由此,在根本上重视产品的电磁兼容考核,深刻理解电磁兼容标准的实施内容,并针对自身产品的特性制定企业标准和专用产品标准,积极发展基础测试研究,获取符合我国实际情况的各种干扰类型及数据,开发测试仪器,提出合理规范的试验方法,是我国电磁兼容标准体系中的一项重要补充内容。
对于特高压继电保护产品的相关电磁兼容测试标准,在没有大量数据支撑的情况下,目前还没有具体的国际参考标准。国网自动化设备电磁兼容实验室依据原有的考核数据和有限的现场测试数据,对工作在特高压输变电电磁环境下的产品,依据其工作电磁恶劣环境,进行了电磁兼容测试要求划分,并进行了相关测试考核,相关产品在实际特高压输变电环境下工作正常,未发生相关因干扰产生错误操作及故障的案例。
四、特高压电磁兼容未来发展
NIST的计量专家建议,EMC需要在三个应用方面改进测量能力,即抗扰度测试、骚扰测试、电磁环境的评价和相关标准的制定,测量的频率范围要覆盖0~300GHz。
由此,对于特高压输变电电磁兼容测试和研究来讲,获取大量的现场数据支撑以支持制定合适的抗扰度标准;研制更大场强和传导干扰的抗扰度测试设备以模拟越来越恶劣的电磁环境;研究适用于现代数字电子系统的脉冲电磁辐射测量方法;研究科学严谨的实验室测试方法以改善电磁兼容测量的不确定度和可重复性等,是我国相关电磁兼容测试和研究机构的着重发展方向。

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