长距离输电出现的趣事

岑蓉络阳

今天没事，台风过后天气凉快，心情不错，跟大家聊聊输电的事情。
我国人口分布极不均匀，东部发达人口密集，西部人烟稀少。东部自然资源相对西部要缺乏，比如能源。不管是一次能源还是二次能源，都是西部比较丰富。21世纪以来，西部的风能、太阳能、水力、煤炭都进一步得到开发，就产生了西电东送的工程。
大家知道我国的交流电频率是50赫兹，这频率是够低的了，很多人玩音响，50赫兹的频率不是所有的喇叭都能够发出的，这是题外话。
从新疆的准葛尔盆地到华北的距离是2500千米，从川西或者云南的滇西到上海距离1900千米，从鄂尔多斯到东北1800千米，请注意一下，这些是西电东送的距离，都超过了1500千米。
为什么要提到1500千米？
前面说了50赫兹交流而且是正弦波，它的周期是20毫秒，波长是6000千米，四分之一个波长是1500千米。
那么上述西电东送的线路会出现什么情况呢？
为了叙述方便，我们先说距离刚好1500千米，四分之一波长就是四分之一周期，电角度是90度。这90度很神奇的，这边电源合闸，1500千米之外的用户要等5毫秒才能有电，他从时间上落后了四分之一周期，从波形上落后了90度，那么这条线路对发电机这一端看到用户那一端，就变成了一段落后90度的负荷，即电感性的，而且是纯电感的，这时的电能是在线路末端和发电机这一段消耗着感性无功功率。如果线路长度不足或者超过1500千米，那么也可以从正弦波的波形图上算得出来都是电感性的，一直到了距离达到3000千米，才变为纯电阻性的，超过3000千米后就变为电容性质，我国输电距离不会超过3000千米，这不讨论。
从上面可以看出，输电距离长了，线路输送的功率有一部分就变成无用功。当然，用户端必须接上负荷，这会多多少少改变一部分输电线路的性质，这比较专业，就不去详细计算了。
现在来说一下另外一个问题，线路的分布电容。
假设高压输电的电压有效值是220千伏，这是很普遍的电压等级了，假设导线半径是3厘米，两根导线之间的距离是5米，我们来算一下两根导线之间的电容量是多少？
根据两平行导线间的每米电容计算公式C=πε/（ln（D/R））,其中π=3.14，ε=1exp(-9)/(36π)是真空介电常数，空气的和真空几乎没有差别，D是两导线距离，单位米，R是导线半径，单位也是米。整理得到C=1exp(-9)/(36ln(D/R))。
计算出上述两根导线之间的电容每米是5.43pF。如果线路长度是100千米，那么线路电容将有5.43X100000=0.543μF，其对50赫兹的容抗是1exp6/(2πfC)=5862欧姆。对220kV电压，两导线之间电容电流是220000/5862=37(A)。
该导线对地电容，仿照上面计算，电容为0.427μF，容抗是7451欧姆，对地泄漏电流达到29.5A。
这漏电流也要在线路上形成电压降和功率损耗。
这就是长距离交流输电的两个特点，一个是线路呈电感性，距离越接近1500千米，就越接近纯电感，二是线路的电容电流。
所以如果是长距离输电，用特高压直流的方式就可以避免上述两个方面的损失。
像已经运行的四川宜宾到上海奉贤换流站的±800kV特高压直流输电线路，线路全长1907公里。工程额定电压±800千伏，额定电流4000A，额定输送功率6400兆瓦，最大连续输送功率7200兆瓦，采用6×720平方毫米的大截面、6分裂导线，换流站每极用12脉动换流阀，每个晶闸管为6英寸，多个串联成独立的换流串，可以单独检修和保养、更换。总共需要晶闸管近6000只。
输送电力每千瓦造价1700元，而±500kV的为1680元。其单位造价低的原因主要是800kV线路比500kV的多输送了1.5倍功率。

牛特

看似很简单的问题，经楼主这么一讲解变得很有趣了。

594585057

楼主 见解独特啊

岑蓉络阳

继续进行。
长度达到数百千米的大功率输电线路向着另一个同样是大功率的电网输送电能的时候，如果是并网的一瞬间，由于线路的电感和电容存在，使得并网过程变得比短距离更加复杂，因为两边都是大功率电源，到底服从哪一头？这是需要仔细考虑的，一般是大网拉动小车，即先减少并入的功率，成为小功率的线路先并网，然后再逐步把其他的电源逐一并入，这样就能够减小对电网的冲击，以免发生振荡。
而直流输电就没有这个问题，那么直流电在换流站逆变为交流电的时候会不会造成冲击呢，答案是不会，因为把直流逆变成交流电是可以依托电网的交流电进行同步的，只要保证换流阀中的可控硅用电网的电压同步触发，就可以大大降低冲击效应，这对远方的大功率电源并网是相当有利的。

shadow

就是变成了50Hz的“微波"传输线？

眉间尺

比较关心直流输电末端的逆变输出是纯正弦波的还是修正正弦波.

岑蓉络阳

shadow 发表于 2015-8-12 21:18
就是变成了50Hz的“微波"传输线？

正是这样，微波范围里几厘米的导线不久被称为“长线”吗？这是真正的长线了。

xmd1972

直接激光或是微波传送也不知道，研究成了没

七林哥哥

大学里的专业——输配电专业，就深入系统的学习了这些。

岑蓉络阳

banzhixiezi 发表于 2015-8-13 19:40
传输线损失基本看做与距离成正比，即2000KM传输线损耗是1000KM的2倍。10000KM传输线的损耗就是1000KM的10 ...

如果是短距离，你的看法是对的。但是我说的是长距离，也就是线路长度和四分之一波长的长度相等或者相差不多的情况。也就是说1500km损耗不是1000km的1.5倍。

szywang

学习了，更正一点，如果你说的是三峡的电，是湖北宜昌到上海奉贤，两个换流站我都去过。

szywang

xmd1972 发表于 2015-8-12 23:45
直接激光或是微波传送也不知道，研究成了没

激光和微波传送的最大难点在于，1，激光需要直线，微波要聚集能量，也需要直线传播，2，接收端一下子收到巨大能量，材质是挑战，研究这个，还不如研究高温超导体实在。

岑蓉络阳

szywang 发表于 2015-8-14 10:45
学习了，更正一点，如果你说的是三峡的电，是湖北宜昌到上海奉贤，两个换流站我都去过。

我举例的工程正式名称是向家坝到上海的800kV直流输电线路，因为怕大家不知道向家坝，说以说四川的宜宾，其实换流站是在宜宾的复龙镇。不是三峡的电能，因此不在宜昌。
宜昌送的是葛洲坝的电能。