输电技术的发展现状和展望

输电技术的发展现状和展望
Present Status and
Prospect of Transmission Technique
【摘要】介绍日本输电技术的发展历程和经验。

着重阐述超高压和特高压输电工程中解决线路走廊、杆塔基础、导线选择、绝缘水平及环保所涉及的电视图像干扰、风噪音和景观等问题的具体措施。

文章最后介绍了日本东京地区500kV 地下输配电工程。

【关键词】超高压输电 特高压(U HV )输电 光纤复合架空地线(OP GW ) 分裂导线
低风噪音导线
1概况
在日本,60kV 电压等级的长距离输电线路始于1907年,6～7年后又实现了100～150kV 电压等级、距离为200～300km 的输电线路。

270kV
的超高压线路在1952年作为关西电力公司的新北陆干线最先投入运行。

在1966年,第一条500kV 线路在
东京电力公司的房总线开始建设。

建设初期以270kV 运行,至1973年升压成为最早运行的500kV 线路。

此后,各电力公司
都以500kV 线路作连络干线。

目前,
东京电力公司正在建设一条1000kV 的特高压(U HV ,Ultra High Voltage )输电线路。

从1992年至1996年建成3个线段,
全长310km ,先以500kV 投入运行。

架空输电线路的历史就是在需求增加、容量加大、电源地点分散、输电距离加长等情况下,相应解决稳定供电问题的历史。

另一方面,最早的地下输电线路是从1903年、铺设在东京市内的一条6kV 电缆开始的。

在
1928年和1958年又分别铺设了60kV 和150kV 的两条充油电缆(Oil Filled Cable )。

东京电力、关
西电力、电源开发等三个公司于1960年和1974年分别铺设了270kV 、500kV 的充油(OF )电
缆。

然而,这些都只局限于在电厂出线,没有中间电缆接头的短距离内使用。

但说明地下输电线路的高压化可以靠充油电缆来实现,但另一方面,也在加快开发不需要油罐等附加设备的、维护方便的交联聚乙烯绝缘(CV )
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电缆(Crosslinked polyethylen in2 sulated poly-vinyl-chloride sheathed cable),目前已推广应用到了270kV的电压。

东京电力公司目前正在进行500kV交联聚乙烯电缆的铺设。

下面介绍的是500kV房总线路建成后的特高压(U HV)架空输电线路技术,以及从城区270kV～500kVCV地下电缆输电技术的应用情况。

2架空输电线路技术的发展和展望
2.1第一条500kV输电线路
由于60年代的用电需求增长率一直维持在8%～15%,因此,寄希望于电厂的容量增加和有效地输电。

所以,提高输电电压和容量已成为当务之急。

在50年代中期曾就下一阶段的输电电压进行了探讨。

东京电力公司为实现升压至500kV的设想,于1966年开始建设房总线路(东东京(变)～房总(变),全长63km)房总线路于1973年5月升压,当时是日本第一条500kV 输电线路。

房总线路的导线采用的是钢心铝绞线(ACSR),截面为410mm2的4分裂导线。

其输送容量相当于过去270kV输电线路的两倍(每回线可输送2700MW)。

2.2大容量输电技术的发展
进入70年代中期,在火电厂、核电站的装机容量不断增加的同时,可选厂址离负荷中心也越来越远。

因此,需要加速开发大容量输电技术。

另外由于输电
线路路径选择受环境的制约,所
以,为适应线路路径山地化的要
求,在输电线路设计、施工方法
上进行了多方面的技术开发。

2. 2.1多导线、大截面
初期的500kV房总线路,福
岛干线所采用的导线均为ACSR
410mm2的4分裂导线,后来又
采用了耐热导线(TACSR)。

这
种导线是铝锆合金线,加锆可以
抑制因长期受热导致的强度下
降,可使导线连续容许温度从
90℃提高到150℃,输送容量提
高60%左右。

其导线截面也由
610mm2、810mm2逐渐扩大到1
520mm2。

1980年7月,TACSR
810mm2的6分裂导线、输送容
量为10000MW级的新秩父木线
路投入运行。

这种6分裂导线的
线间间隔为500mm,排列成正六
边形。

中部电力公司于1986年
在所建的伊势干线上为使线路电
感降低、稳定地增加输送容量,
采用的线间间隔为800mm的6
分裂导线束,其直径为1
600mm。

而支持导线的绝缘子的强度
也在逐渐加大。

房总线使用的绝
缘子抗拉力为21t,从1972年
后,开发使用抗拉力为34t、42t
的高强度绝缘子。

1981年10月
投入运行的新新泻干线(TACSR
1520mm2×4分裂导线)采用的
绝缘子抗拉力为54t。

同时,还
在绝缘子陶磁材料中加入矾土粉
末,开发出了高强度的抗电弧绝
缘子,能耐受闪络时电弧产生的
热量。

在耐张铁塔上的跨接线一般
采用的连接方法是将铁塔上的4
分裂导线在现场加工成绞合式跨
接线。

但由于分裂导线的截面很
大,使得在塔上加工十分困难。

东京电力公司在1972年以后采
取了铝管式的预制跨接线(图
1)。

其方法是在绝缘子串的端部
用线夹固定,吊起的铝管作为跨
接线。

这样不但能使安装作业省
力,而且还能抑制导线的垂度以
及大风引起的侧面振摆。

因此,
有助于铁塔结构的紧凑化。

图1　铝管式预制跨接线
2. 2.2铁塔大型化技术
在铁塔的材料方面,50年代
一般采用强度为41kgf/mm2和
50kgf/mm2的钢材,房总线使用
了55kgf/mm2级的高强度钢材。

由于输电容量增大使铁塔载荷增
大,角钢尺寸也随之增大。

至60
年代中期后,以往在线路上使用
很少的钢管被正式用于500kV铁
塔上。

1981年在新新泻线的铁塔
横担上首次使用了钢管,将其结
构做成三角形断面,这样既可保
证强度、又可减轻杆塔重量。

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铁塔的基础大多采用的是倒T 型基础,但针对500kV 大容量
线路的走廊多在山地这一特点,正式采用了能适应山地斜面的圆筒型深埋基础,在土质较软的农田中,承压层较深的地方开始采用混凝土桩基础。

2. 2.3在山地的施工技术
在施工方面,为适应设备的大型化,从1979年建设的新所泽线起,500kV 工程正式采用了预布线架线方法。

这种方法是用光学测量仪准确地求出铁塔间距离,在精确算出导线的实际长度后,将导线在地面上截断,并进行压接。

与过去在塔上一边观测最大弛度的同时截断导线,
并进行压接的方法相比,这一方法能减轻塔上作业强度,并大大缩短作业时间。

此外,还推广应用直升机运送器材,牵引钢丝绳,应用浮动扒杆组装铁塔(图2)等机械化施工方法。

图2　用浮动扒杆组装铁塔为适应高电压、大容量输电线路的维护,开发了500kV 级的
验电器、接地工具、带电作业服等。

2. 2.4光纤复合架空地线的应
用
随着通信技术的发展,从1979年起,光缆被引入电力通
图3　光纤复合架空地线(OPGW 500mm 2
)
讯。

为了确保传输通道的畅
通,开始研究将光纤装进输电线的架空
地线中。

1981年光
纤复合架空地线(OP GW )(图3),已
达到实用
化程度。

从当初只
装入少量小容量的光纤芯线,发展到了目前装入几十根大容量的光纤芯线,不仅能用于监视、测量,还可用于保护、控制等,担当起了高速信息公路的部分任务。

此外,U HV 输电线路投运以后,安装有OP GW 的输电线
上的安全监视系统也正式起用。

它可以对山区地带难以靠近的地方进行监视,测量线路周围的气象参数及设备状况,同时还能把信息传输给维护部门。

2.3市区的输电线路建设技术
输电干线的走廊向山区扩展
的同时,输电线的改建、扩建也
因周边城市化而变得越来越困难。

被迫在狭小空间进行施工的情况越来越多。

针对这个问题,正在开发能有效地利用原有设备
和扩充新设备的技术。

2. 3.1各种改建方法
一般来说,在原有位置更换铁塔时,由于要将现有的铁塔、导线全部拆除,必须进行改建用的临时工程,必须有架设临时线
路和相应的施工用地。

在改建工程中达不到这点的情况下多采用典型的包围方法。

就是把现有塔
身包起来作为新塔的部分塔体,导线临时就位,或是把现有铁塔图4　杆塔倒装法施工原封不动地抬高,连接下部新塔身或是拆去旧
塔用新塔替换。

为使施工用地更加减小,最近又开发出了用千斤顶倒装铁塔法,或是在现有
铁塔的内部竖起管
柱式铁塔的方法(图4)
等。

使用时可根据施工条件适当加以改良。

2. 3.2铸铁块基础施工法
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对在施工期间要求继续供电的系统来说,要进行临时架线。

市区临时架线工程中最需要注意的是在拆除混凝土基础时产生的噪音、振动、尘土等问题。

针对这些问题,目前正在开发将铸铁块(CIB )用于基础施工的方法(图5)。

这种方法在组装、拆除
时都很方便,还能防止拆除时产生的振动和噪音等问题。

而且铁块还可以重复利用,减少工业废弃物,还有利于缩短工期、降低成本。

2. 3.3增容导线的开发
为适应城市周围的输电线路增容的需要,开发出了一种增容导线,既不用更换,也不用加高现有铁塔。

这种导线用铁镍合金芯线代替以往的钢芯线,在其外层使用超级耐热铝合金绞线。

这一铁镍合金中含镍36%～38%,线膨胀系数比钢低1/3～1/4。

通电后导线温度升高时,其延伸率也很小。

因而可起到控制输电线路弛度的作用。

由于铁镍合金芯铝绞线具有上述特性,以同样的导线截面,其输送容量可比钢芯铝绞线高两倍。

前述的500kV 房总线目前正在用这种导线进行增容。

2.4环保技术
图5　铸铁块基础
图6　螺旋形减噪间导线和各种低噪音输电线
2. 4.1防止电视图像被干扰的
措施
导线和铁塔都会使电视波产生反射,以及由于屏蔽所带来的电视接收性能变差的问题,早在1956年下半年就已发现。

因此,
从1964年起,便开始了理论分
析和实测检验。

探明了电视波干扰的发生及衰减的机理,并且开发出了预测障碍范围的计算方法。

在初期阶段,为防止电视波被干扰,将每户的电视接收天线都换成高性能的,并改变天线的高度及位置,但由于城市高层建筑的发展,以及大型输电铁塔和分裂导线的增加,使干扰范围不断扩大。

因此,进入70年代以后,防干扰措施也由单一化向多元化转变。

目前能有效防止干扰的城市有线电视(CA TV )事业正在不断发展。

2. 4.2防止风噪音的措施
随着输电线路截面的加大、线分裂的根数增多,从1965年下半年开始,对输电线路的风噪音问题倍加重视。

风噪音是由于强风与导线迎面相遇时,在风下方产生空气压力波动后转变成声波传播而产生的。

所以这种噪音和配电线遇风时发出的声音不一样,而是类似喷气式飞机的那种低频噪音。

直至1978年左右,探明了风噪音发生的机
理,同时提出了防范措施,即在铝导线周围缠绕螺旋形铝线(图6)。

就是靠绕在外表的螺旋形铝线来扰乱导线周围的风向,消除造成噪音的均匀的
压力波动。

目前,
这一措施仍在输电线路上使用。

由于探明了风噪音发生的机理,同时也有预测的方法。

因而开发出了加有抑制风噪音线股的低风噪音导线。

1978年关西电力公司第一次将810mm 2的这种导线用于西京都新生驹线路。

目前已使用的有410～1160mm 2的各种截面的这种导线。

2. 4.3保护景观的措施
随着输电系统的扩大,占用一些自然风景区、观光胜地等作为输电线路走廊的情况时有发生。

为妥善解决影响景观问题,目前正在开发能将这种影响控制
在最小范围的技术。

主要内容
是:按照地形数据描绘出三维图像,然后在其上加入输电线路图
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形成复合图像加以评价。

而最近利用计算机成像(CG )使绘画技术进一步提高。

它可假设各种情况构成图像,对完工后的景观进行预测。

(图7)。

为使输电线路与景观协调,过去采取的措施是给铁塔涂上茶色或绿色。

从各方面调查结果表明,减小不协调感的办法是以钢材的灰色为基调,使输电线路的设施融合于背景之中,其主要措施应放在表面处理技术上,以便抑制阳光的反射,这种技术目前已在使用。

对导线和铁塔表面分别用热水、蒸汽或磷酸进行化学处理,以减少表面光泽度等措施还在继续开发。

2.5特高压输电线路
图7　用计算机成象预测景观
作为下一代输电干线,东京电力公司正加快建设1000kV 输电线路。

在电源远离负荷中心的情况下,要想从相距200多km 电厂稳定地送出10000MW 左右的电力,就必须建设3～4回500kV 输电线路。

而在国土面积
狭小的日本,如果同时建设多条平行的输电线路,除了需要巨额
投资外,在选择输电走廊和环保方面也是非常困难的。

鉴于这种情况,在努力减少线路回数的同时,还在研究解决远距离、大容量输电所带来的系统稳定性和短路电流等技术问题的有效方法。

实现U HV 输电的又一大课题是设备紧凑化问题。

由于在U HV 情况下,空气绝缘的耐压
水平已呈饱和趋势,因此担心绝缘间隔会显著扩大,随着电压增加,铁塔的规模也要加大。

此外,还有山地施工问题。

能否紧凑化,已成为关系到该项目成败的大问题。

因此,在输电线路两端的变电所安装高性能氧化锌避雷器的同时,还利用断路器的电阻投切方式将对地开关冲击电压水平从500kV 的210pu (最高运行电压的倍数)降到116～117pu 。

为此,用实际规模的电
极返复进行放电实验。

结果表明,导线-铁塔间距离原要求
9m 以上的,可减小到6m 左右。

对于500kV 的铁塔,其高度原要求为143m 的可减低到110m 。

在选定1000kV 输电线路的导线型式时,在导线表面因雨天电晕放电产生的可听噪音是决定因素。

而电晕放电噪音水平,从国内外实际情况和在电晕放电室的试验结果看,可认为50dBA 的噪音对环境几
乎没有影响。

以此噪音为基准,讨论了输电线
路的机械特性和经济
性。

将ACSR 810mm 2
型的或ACSR 610mm 2型的8分裂导线
作为标准型式。

当初计划采用10分裂导线,通过实际规模的试验,弄清了电晕放电噪音水平明显降低的途径。

最近,为降低风噪音同时又能抑制电晕放电噪声水平,开发出了表面带凸起螺形线的低噪音导线(图8),现已用于平原地区。

图8　低噪音特高压输电线
在工程建设方面,迄今为止已建成的西群马干线及南新泻干线(柏崎刈羽核电站-东山梨变
电所间的250km )、北木干线
(西群马开关站-新今市开关站
间110km )都是以500kV 运行。

而第4条线即南岩木干线(南岩木开关站-新今市开关站间130km )目前正在加快建设,将
于1999年投入运行。

2.6对架空输电技术的展望
目前,随着电力系统的不断扩大,架空输电线正向着大容量、高电压方向加快其技术开发。

并且为克服山区线路走廊等困难条件正不断加大研究、改进设计、施工技术的力度。

这方面的技术在U HV 输电线路建设上
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反映出许多例子。

另一方面,线路的走廊已经面临较困难的时代。

要靠输电设施紧凑化将其对周围环境的影响控制在最低限度,同时还要将降低造价作为今后要解决的首要课题。

因而目前正加快紧凑型输电线路(图9)的开发。

努力将60kV 输电线路升压为150kV 输
电线路。

使用绝缘子作为横担,用相间间隔棒抑制档距内导线的横向摆动
,以此来确保绝缘间距。

目前,正在用实际规模的试验线路进行强风验证试验。

图9　紧凑型输电线
对于500kV 输电干线来说,今后要确保在平原居民生活区的线路顺利通过和改造,所以要求有灵活的设计技术以适应各种线路走廊条件。

为了加强这一适应性,最重要的是使线路更紧凑,与环境更加协调。

3地下输电技术的发展及展
望
3.1270kV 市区线路的建设
1965年,东京电力公司铺设
了第一条市区超高压270kV 长距离地下输电线路。

此后,各电力公司也相继铺设了一批长距离超高压地下输电线路。

早在40年代初,东京电力公司就完成了60kV 系统,至40年代中期又完成了150kV 系统,于60年代中期又完成了东西横跨市中心的270kV 新宿线(POF 电缆)、新宿城南线、城南线(全部为OF 电缆),以便在满足
不断增加的用电需求量的同时,进一步提高供电可靠性。

因东京地区线路密度加大,难以保证地下线路的建设。

同时,估计到电力需求还会不断增大,因此,确定了超高压线路引入市中心的计划(拟建设13条线路)。

根据此计划推动了地下输电设备的发展,建成了目前的超高压地下输电系统。

这一系统以围绕市区的500kV 外环系统为起点,建设尽可能靠近市中心的270kV 地下输电线路。

同时使各
处的地下系统相互连接,确保供
电的高度可靠性。

在不断加快建设地下超高压输电线路时,因地下管线越来越
多,给线路建设带来一定困难。

加之又从降低成本的角度考虑,
要求逐步实现输电大容量化。

1987年投运的纵贯市区南北的线
路,即从高滨变电所-南川崎变电所的南川崎线路(OF 电缆),导线截面为2000mm 2,电缆采用间接水冷,分相铺设,每一条电缆的输送容量为660MW (3条电缆共2000MW )。

各电力公司采用的输电电缆最初都是采用油、纸绝缘的OF 、POF 电缆。

但这种电缆必须附带
油槽等设备,存在占地和维修方面的问题。

为解决这些问题,开发了固体绝缘的CV 电缆。

东京电力公司在南川崎变电所至池上变电所的南池上线采用了CV 电缆(1988年投运),在当时这是世界上第一次将CV 电缆用于270kV 长距离线路。

在此以后,日本的超高压地下输电线路基本上都采用CV 电缆。

目前已有9条线路(20条电缆,线路总长277km )投入运行。

计划到2000年再建6条(12条电缆,全长115km )。

目前
其它国家也计划把CV 电缆用于地下输电线。

312500kV 地下输电技术的开发
图10　500kV 的CV 电缆
东京电力公司为保证在21世纪初稳定地向市内供电,计划采用500kV 地下输电系统。

另外,中部和关西电力公司今后也打算采用这一电压等级地下输电系统,所以这3家电力公司以及一家电缆制造厂正在共同进行500kV 的CV 电缆(图10)和电
缆头的开发。

此次开发并不是现有270kV
电缆的改进,而是新设计电缆。

也就是说,270kV 电缆是在原有的低压
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电缆的基础上加厚绝缘而成的。

如果将这种加厚绝缘的方法用于500kV 的话,电缆就会过粗而难
以实用。

因此,从绝缘材料的选择到制造工艺都在重新研究。

对用作绝缘的聚乙烯来说,混进其中的微小金属异物会对绝缘性能产生不良的影响,首先研究清除有害异物的方法,使生产的聚乙烯具有极高的绝缘性能。

另外,就电缆头来说,与270kV CV 电缆采用的方法相同,
在现场将聚乙烯压进模具内,就可形成绝缘的模压定型电缆头(EMJ )。

为改进防止异物进入的
措施和彻底检测聚乙烯中异物含量,采用了X 光聚焦透视的精确检测方法,可彻底查出电缆头绝缘材料中有害异物和气泡的有无。

图11　东京电力公司地下输电系统利用上述研究成果可制造出与270kV 、截面几乎相等而能承
受500kV 电压的紧凑型电缆。

1994年在日本中央电力研究所完
成了现场试验,成功研制出世界上第一条500kV CV 电缆及其电
缆头。

东京电力公司把500kV CV 电缆用于新京叶变电所和新丰洲变电所的新京叶丰洲线,全长约40km 。

新京叶丰洲线为两回线,输送容量为1800MW (最终为3回线3600MW )的输电线路。

此工程完工后,将成为世界上第一条长距离的500kV CV 电缆地下输电线路。

3.3电缆通道建设技术的发展
东京电力公司的地下输电系统(图11)的隧道工程是在1964年东京奥林匹克运动会前后
开始的。

目前施工长度已达2800km 左右。

由于地下埋设物较多,因此,施工方法以盾构掘进法为主,并采用了一些新技术、新工艺。

以下是几个具有代表性的方
法。

(1)两段式盾构掘进法
两段式盾构掘进法是用一台
隧道挖掘机对不同直径的隧道进行施工。

用内装小直径挖掘机的大挖掘机挖出大断面后,再将小挖掘机分开,挖掘小断面。

(2)新型拼装衬块
主要是采纳施工单位提出的V E (Value Engi 2neering )方案,使用了
有新接头构造的新型拼装衬块。

目前用于施工
的有蜂窝式、榫接式、
螺栓快接式、调芯销接式、楔型销接式、螺栓式等各型拼装衬块。

(3)高流动性混凝土拼装衬
块
使用比过去混凝土流动性好的混凝土制造拼装衬块。

这种衬块的制作是用高流动性的混凝土在密闭式型箱内流动填充成形。

因此,可以省略振动捣实和表面精加工,所用型箱结构也较简易。

3.4地下输电技术的展望
由于500kV CV 电缆及电缆头已达到实用程度,可以说地下输电线的高电压化的努力已告一段落,今后的课题是如何有效地利用地下狭小的空间,使电缆的铺设更紧凑。

在电缆隧道建设方面,今后将继续努力降低成本,加快新技术、新工艺的开发、扩大其使用范围。

例如,挖掘机合理的设计及盾构形状的优化,准确测定地下埋设物位置,以及测定施工对近傍建筑物影响的方法等的开发。

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作者:
中岛立生
—东京电力公司理事　输变电建设本部部长
文章编号:A06
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