全球能源互联网对半波长输电技术的需求：目前世界能源面临巨大的挑战，从以化石能源为主转变到以清洁能源为主的能源结构将成为未来世界能源可持续发展的必由之路。全球能源互联网计划构建连接北极地区风电基地、赤道地区太阳能发电基地和各洲大型可再生能源基地与主要负荷中心，由于大规模远距离输电和跨国跨洲联网的需求，目前亟需发展远距离、大容量的输电技术。
半波长输电线路（Half-wavelengthTransmissionLines，HWTL），是一种新型的输电方式，在超远距离输电方面具有非常好的应用前景。它是当输电线路的距离接近或者等于半个工频波长，即3000km（50Hz）或2500km（60Hz）的一种超远距离交流输电方式。与常规交流输电线路相比，半波长输电线路具有十分显著的技术与经济优势，主要体现在：
1）沿线无需安装无功补偿设备，线路电容发出的无功会被线路本身的电感所消耗。
2）首末端的电压稳定性极好。若采用半波长输电方案，即使发生严重的三相永久性故障，系统仍可保持较好的稳定运行。
3）从功率传输角度而言，等同于一条短距离线路，其极限传输功率值很大。
4）经济特性优异。因无需安装无功补偿设备，且全线没有开关站，输电设备数量大幅度减少，因而造价较低，使得超/特高压半波长交流输电的经济性比常规超/特高压交流输电线路大幅提高，甚至优于长距离的特高压直流输电。
5）可靠性较高。半波长交流输电系统和特高压直流输电系统的可靠性水平相当，甚至比特高压直流系统更为可靠。
随着全球能源互联网的建设和未来特高压线路的发展，半波长交流输电技术目前来看是解决超长距离输电问题的最好方案。国家电网公司在2015年度对半波长输电项目进行了一系列立项，将重点针对其输电系统构建技术、电磁暂态特性及控制措施、系统运行特性分析与控制技术、继电保护理论关键技术、波传输特性分析及柔性控制技术、工程实验方案等若干问题展开系统研究。目前对半波长输电技术的研究，对将来超远距离输电工程的实际运用和全球能源互联网的构建有着重要的科学意义。
半波长输电技术及未来发展
1.人工调谐技术及其优化
半波长交流输电线路的自然长度为3000km（50Hz）或2500km（60Hz），当线路长度不足或过长时，需要人工将实际线路调谐成半波长线路。现有的调谐方法有两种：在线路中增加串联电感和并联电容（π型或T型）；仅增加并联电容。以上两种调谐方式均可将不足半波长的线路从电气上调谐为半波长。其中电容调谐能够减小线路的波阻抗，使得线路的自然功率值增加，即对于给定的过电压限值，电容调谐线路上可以传输更大的功率，同时，在过负载或功率因数变化引起工频电压升高时，电容调谐线路上的整体过电压水平较之T型、π型调谐线路要低。而在故障条件下，π型、T型调谐线路中的工频过电压相对较小，有功损耗相对较小，比电容调谐线路的传输效率更高。
在双回线路上增加π型或T型调谐网络，可采用共用调谐或单独调谐方式。若使用电容调谐，宜采用单独的调谐网络来实现。采用共用调谐的π型网络时，当某单回线路发生故障而切除时，健全回路将会失去半波长的特性，从而使得系统失稳。如何增加该类系统的稳定性还有待进一步研究。而采用单独调谐的π型网络，系统的稳定性较好，但当线路发生故障而切除时，应当连同其对应的调谐网络一并切除，否则可能在调谐设备的电抗器上产生很高的过电压。电容调谐系统的暂态稳定性较好，在发生故障将整条线路切除时都可保持暂态稳定性。
综合来看，现有半波长输电的人工调谐方案仍需要进一步完善，综合考虑经济性、对系统传输功率和沿线过电压等的影响，进一步加以改进。
相关阅读：
2.功率传输与系统稳态特性
半波长输电线路的传输功率和对应的沿线电压分布与常规短线路有着显著不同，理论上半波长输电线路输送功率的极限值可为无穷大。但在实际运行中，随着传输功率的增加，半波长输电线路中点附近会出现很大的工频过电压，同时，线路上的电晕损耗也增加，这两者都将限制半波长输电线路的传输功率值。因此在实际半波长输电线路传输功率的极限值是存在的，主要限制因素有负荷功率因数、线路绝缘水平和设备的耐热性能等。
半波长输电线路不具备典型短线路的空载容升效应。离半波长输电线路中点越近，线路电压受传输功率的影响越大，半波长输电线路中点电压与输电线路传输功率成比例关系为1的正比例关系，线路首、末端电压几乎不受传输功率的影响；离半波长线路两端越近，线路电流受传输功率的影响越大，且首、末端电流与传输功率成正比例关系，但线路中点电流几乎不受传输功率影响。
半波长输电线路的输送功率对沿线电压分布、输电网潮流分布和线路线损率存在较大影响。研究发现，半波长线路为输送功率时，沿线电压基本上呈平坦分布；输送功率大于自然功率时，线路电压分布呈两端低、中部高；输送功率小于自然功率时，线路电压分布呈两端高、中部低。另外，当功率因数变化时，不同输送功率下的沿线电压分布差别更大。当线路传输的有功功率大于自然功率时，半波长输电线路吸收无功功率；当线路传输的有功功率小于自然功率时，线路发出无功功率，且发出的无功功率被两端的系统吸收。线路传输自然功率时，线损率最低，当线路传输的功率大于或小于自然功率时，线损率均上升；相对于送端的最小线损率约为9.8%，相对于受端的最小线损率约为10.8%。
综合来看，现有对半波长线路功率传输与系统稳态特性的分析仅限于理论分析和仿真计算，因此需要结合具体工程，进一步开展功率传输与系统稳态特性的研究。
3.输电线路经济性分析
输电线路的经济性是实际工程中需要考虑的最重要方面之一，在技术可行的情况下，投资成本最小的方案才能够产生较好的经济效益。在全球互联网的发展背景下，目前比较可行的方案有±800kV直流输电、±1000kV直流输电和半波长交流输电方式。
输电系统的经济性通常采用最小年费用法，通过计算输电工程单位容量年费用来评价输电方案的经济性。定量评估结果表明，±800kV直流输电考虑换流站损耗后，其损耗率比特高压半波长输电高，工程造价也较高；±1000kV直流虽然损耗较低，但工程造价高，输电经济性较差。特高压半波长虽然单回线输送容量相对特高压直流较低，但工程造价优势较大，其输电经济性要优于±800kV和±1000kV特高压直流输电。当输送距离为3000km左右时，半波长交流系统输送单位功率综合费用比特高压直流±1000kV输电系统低20.69%。据巴西的规划设计估算，针对800kV、1000kV的半波长交流输电，其输送单位长度、单位功率的费用分别为常规500kV输电线路的37.5％和29.8％。国网经济技术研究院的研究结果表明，半波长交流输电的经济性优于同等条件下的长距离HVDC输电；与800kV、1000kV特高压直流相比，特高压半波长交流输电的年费用最低，损耗费用小，社会综合效益最优，经济性最好。
综合来看，目前对经济性的评估仅限于理论分析计算，仍需要进一步结合具体工程和系统运行特性、可靠性等开展研究。
4.系统运行与维护技术
半波长输电传输功率大，线路长，如何提高系统的稳定性和供电可靠性，是半波长输电技术的一个关键问题，特别是半波长双回输电线路的运行与维护技术，需要重点研究。半波长输电线路较长，为提高系统的运行可靠性，宜采用双回线路输电，当一回线停运时，希望能够通过另一回线来短暂传输全部功率；但受电晕损耗、过电压等的限制，线路的传输功率极限通常不超过1.4至1.5倍的自然功率值。当前推荐的解决方法是在线路中增加开关站，将线路分成数段，两条线路互为备用，如图1所示（60Hz）。
当其中一段因故障切除时，可使用剩余的线路来传输全部功率。而半波长线路线路中不宜装设开关站，因其可能产生极大的过电压以及增大无功需求，并可能导致系统不稳。为解决此问题，可考虑在仅剩一条线路运行的情况下紧急并入相关补偿设备，使得被补偿部分的各个参数与原来双回线并列运行时的参数一致。
图1双回线路开关站布局结构
相关阅读：
由于半波长输电线路具有明显的分布参数特性，其两侧电压、电流与常规输电线路截然不同，因此传统的继电保护原理无法直接在半波长线路上应用。目前有学者提出根据故障点与对端母线的线模反射波和零模透射线模波的顺序关系和极性关系，只需通过线模行波即可判断第二个反向行波的来源（故障点反射波或者对端母线反射波），但上述方法仍存在一定识别死区，即无法判断两端母线均为3回以上线路的情况，上述仿真结果对于半波长线路的实际工程应用仍需进一步研究。另有学者提出了一种基于贝瑞隆模型的新型纵联差动保护原理，可以消除线路分布电容电流的影响，提高保护的灵敏度和可靠性，但上述方法在线路发生单相接地故障时非故障相不平衡差动电流可能会导致判据的灵敏度变弱，仍需要进一步改进完善。此外，有学者提出在半波长线路上每隔一段短距离设置一个信息采集装置，将采集的三相电流、电压送往线路两侧，进而将现有成熟的短距离继电保护技术应用到半波长线路上，实现全线路的继电保护，但上述保护方案可行性仍需要进一步研究。
5.潜供电弧物理特性及抑制方法
潜供电弧在电力系统中广泛存在，由于特高压半波长输电线路的电压等级高，输电距离超长，传输功率大，线路结构特殊，其潜供电弧问题非常突出，倘潜供电弧不能及时熄灭，将使断路器重合于弧光接地故障，造成重合闸失败。因此关于潜供电弧物理机制及抑制方法的研究，是特高压半波长输电技术赖以发展的重要理论基础之一。
半波长线路潜供电弧同时具有许多独有的物理特征：①潜供电流和弧道恢复电压的数值很大，严重工况下的潜供电流最大值可超过2kA，恢复电压高达500kV，熄弧困难；②一次短路电流较大，其对潜供电弧影响的物理机理尚不明晰；③潜供电流的电磁感应分量和静电感应分量比重与常规线路不同，含调谐网络的半波长输电线路潜供电流的低频分量以及恢复电压的高频分量，使得潜供电弧燃弧特性发生变化；④半波长输电线路超长，潜供电弧与系统电磁暂态的交互作用过程与常规输电线路有所区别，燃弧特性也可能发生变化；⑤针对特高压半波长输电线路，其特殊结构使得常规的并联电抗器加小电抗等熄弧方法不再适用，而仅在线路两端安装快速接地开关的方法也不能完全满足抑制潜供电弧的具体要求，需要进一步研究。
由于截至现在尚未有实际建成的半波长输电线路，无法进行现场试验，因此针对半波长输电线路潜供电弧问题的研究一般依赖于低压物理模拟实验。通过进行半波长线路参数情况下的实验研究发现，其潜供电弧弧根和弧柱具有明显不同的运动特性：阳极易发生弧根跳跃现象，阴极可能发生二次激发现象；弧柱的运动情况更为复杂，常出现短路、部分消亡等现象，且其在热浮力的作用下向上运动。建立潜供电弧多物理场耦合动力学模型，纳入潜供电弧弧根模型的定量表征。建立了潜供电弧起始位置随机性的电弧仿真方法。
综合来看，目前主要分析潜供电弧宏观物理特性及运动情况，缺乏对潜供电弧内部等离子体微观参量的研究，可进一步建立纳入微观参量的潜供电弧动力学模型，更加准确的分析潜供电弧运动和熄灭特性。通过对潜供电弧物理特性和数学建模的研究，提出能够适用于长距离线路的潜供电弧抑制技术是最终目的，但现有成果还难以为半波长输电线路潜供电弧的物理特性及抑制技术研究提供科学支撑，亟需对上述问题开展进一步研究。
6.过电压及抑制方法
半波长交流输电线路过电压的类型与常规线路基本一致，但其特点却不尽相同；而自然半波长线路和调谐半波长线路过电压的特点也明显不同。对于自然半波长输电线路，最大过电压可能出现在线路中点三相断线时，即使考虑电晕损耗对过电压的限制作用，其幅值也达4p.u.左右。而对于调谐半波长线路，当线路两端的调谐设备内部发生短路时，倘引发谐振，则其过电压幅值会更高，可达十几倍。
短路故障时调谐半波长线路的过电压则更为复杂、严重。对于单相接地过电压，自然半波长线路最大值在2p.u.左右，而调谐线路则可达4p.u.或更高。故障过电压中仍以三相短路过电压最为严重，其最大幅值和出现位置与故障点密切相关。对于自然半波长线路，若考虑电晕损失，其过电压幅值在3p.u.左右，而对于调谐半波长线路，其过电压可达十几倍。输电线路本身的电晕损耗对过电压有一定的抑制效果。
目前过电压的抑制方法主要有沿线安装避雷器、分段安装快速接地开关、通过火花放电间隙在线路上并联大阻抗或采用三相重合闸等几种方法，其中以沿线安装避雷器的方法最为可行。半波长输电线路短路等引起的暂态过电压很高，对避雷器的数量和通流容量提出了很高的要求。同时，为适应线路过负载情况下的工频电压升高，避雷器的持续运动电压要求也高。半波长输电线路所需的避雷器数量多，费用大，避雷器发生故障的风险较大，对此需增加相应的保护设备以防止避雷器的损坏。
综合目前关于过电压的研究来看，其抑制技术的问题是可以解决的，但仍需结合具体工程综合考虑技术和经济指标进行优化配置。
相关阅读：
7.沿线供电技术
半波长输电线路距离超长，在实际运行过程中，很多时候有必要对部分沿线地区进行供电。如果采用变压器等一次设备直接进行变电和供电，将会导致投资过大、引起线路电压不稳定，而通过避雷线进行抽能供电的方法仅能够满足负载极小的用电情况。目前比较可行的有两种方法：一种是基于电力电子变换的方法—高压交流接口（HVACTap），采用有源滤波器结构，获取线路中的有功功率给沿线负载供电；另一种是沿半波长输电线路中心线的正下方平行架设一定长度的抽能导线，通过抽能导线与输电线路之间的静电感应作用产生的电压经过变压器调整后给沿线负载供电。
第一种方法中高压交流接口通常有两种实现方式：串联接口和并联接口，如图2和图3所示。
图2串联接口拓扑结构
图3并联接口拓扑结构
两种接口方式结构基本相同，都包含一个极性电容器，以及分别连接于其两端的整流器和逆变器。沿线可以装设多个接口，以给不同地区的负载供电。两者的主要区别在于整流变压器的连接方式，表1给出了不同高压交流接口方式对半波长线路特性的影响。从表中对比可以看出串联接口是一种更经济的方式。尽管半波长输电线路的一些特征会有小幅度变化，但基本都还能保持。
第二种沿半波长输电线路架设抽能导线的方法，如果不加补偿措施，由于抽能供电系统等效电源的内阻较大，随着所带负荷的增大，负载端电压急剧下降，抽能供电系统的带负载能力较低。通过在变压器二次侧加装补偿电抗器L，使得补偿电抗器与等效电源内阻发生谐振，可以补偿降低系统的阻抗值，提高带负载的能力，如图4所示。其中ES为抽能导线产生的感应电压，ZS为抽能供电系统的等效电源内阻抗，ZL为供电系统的负载，T为变压器。与第一种供电方法相比，该方法抽能成本较低，但仅能满足负载分散且需求较小的情况，另外，其对半波长输电系统的影响以及技术经济性的问题还需进一步研究。
结语
半波长输电技术具有非常好的应用前景，随着全球能源互联网的建设和特高压线路的发展，半波长交流输电技术可能是解决超长距离输电问题的最好方案。目前亟需开展半波长输电技术的相关研究，具体发展建议如下。
1）国家立项重大研发项目，开展半波长输电技术的基础深化研究，结合其经济性进一步深入研究人工调谐技术及其优化、沿线供电技术，结合具体工程进一步深入研究功率传输与系统稳态特性、过电压及抑制技术、潜供电弧物理特性及抑制方法、系统运行与维护技术。
2）国家电网初步建立低压小容量的半波长线路物理示范系统，可采用高频电源，以减少输电线路的长度，同时模拟各种异常和故障情况下的运行特性。
3）未来以半波长线路为骨干输电线路，连接现有特高压区域电网，初步建立国内互联、国际互联的输电互联网络，为进一步实现全球能源互联网的构建奠定基础。
相关阅读：
