特高压与智能电网

特高压与智能电网 龙志君 武汉大学电气工程学院 特高压 3 电网的发展历程 1875年，法国巴黎建成世界上第一座发电厂，标志着世界电力时代的到来。 1891年，在德国劳芬电厂安装了世界第一台三相交流发电机：它发出的三相交流电通过第一条 13.8kV输电线将电力输送到远方用电地区，使电力既用于照明，又用于动力，从而开始了高压输电的时代。 1879年，中国上海公共租界点亮了第一盏电灯。 1882年，第一家电业公司 上海电气公司成立。 100多年来，输电电压由最初的 13.8kV逐步发展到 20， 35，66， 110， 134， 220， 330， 345， 400， 500， 735， 750，765， 1000kV。 4 电网的发展历程 输电电压一般分高压、超高压和特高压 高压（ HV）： 35 220kV； 超高压（ EHV）： 330 750kV； 特高压（ UHV）： 1000kV及以上 。 高压直流（ HVDC）： 600kV及以下； 特高压直流（ UHVDC）： 750kV和 800kV。 根据国际电工委员会的定义：交流特高压是指1000kV以上的电压等级。在我国，常规性是指1000kV以上的交流， 800kV以上的直流。 5 电网的发展历程 1908年，美国建成了世界第一条 110kV输电线路；经过 15年，于 1923年，第一条 230kV线路投入运行；1954年建成第一条 345kV线路。从 230kV电压等级到345kV电压等级经历了 31年。在 345kV投运 15年后，1969年建成了 765kV线路。 1952年，瑞典建成世界上第一条 380kV超高压线路。 1965年，加拿大建成世界第一条 735kV超高压线路。 6 电网的发展历程 1952年，前苏联建成第一条 330kV线路； 1956年建成400kV线路； 1967年建成 750kV线路。从 330kV电压等级发展到 750kV电压等级用了 15年时间。 欧洲和美国，在超高压输电方面，主要发展 345kV、380kV和 750kV电压级， 500kV线路发展比较慢。 1964年，美国建成第一条 500kV线路，从 230kV到 500kV输电，时间间隔达 36年。前苏联的 500kV电压等级是在 400kV基础上升级发展起来的， 1964年，建成完善的 500kV输电系统。 1985年，前苏联建成世界上第一条 1150kV特高压输电线路。从 500kV电压等级到 1150kV电压等级用了 20年时间。 7 我国发展特高压的背景 我国在 2020年发电量将达 50005400TWh，发电装机容量将达到 11001200GW，与美国 2020年的预计发电量（ 5500TWh），发电装机容量（ 1250GW）大体相近。 我国电力工业存在的主要问题是 能源与负荷地理分布不均衡 ：约 68%的水力资源分布在西南地区，约 76%的煤炭资源分布在华北、西北地区； 70%的负荷则主要集中在东部沿海。 我国电网发展战略 西电东送，南北互供，全国联网。 目前的 500KV电网在传输长度、传输能量、和限制短路电流等方面均不能满足要求。 8 我国电网的发展历程 中国， 1949年前，电力工业发展缓慢，输电电压按具体工程决定，电压等级繁多： 1908年建成 22kV石龙坝水电站至昆明线路； 1921年建成 33kV石景山电厂至北京城的线路； 1933年建成抚顺电厂的 44kV出线； 1934年建成 66kV延边至老头沟线路； 1935年建成抚顺电厂至鞍山的 154kV线路； 1943年建成 110kV镜泊湖水电厂至延边线路。 9 我国电网的发展历程 中国， 1949年新中国成立后，按电网发展统一电压等级，逐渐形成经济合理的电压等级系列： 1952年，用自主技术建设了 110kV输电线路，逐渐形成京津唐 110kV输电网。 1954年，建成丰满至李石寨 220kV输电线路，随后继续建设辽宁电厂至李石寨，阜新电厂至青堆子等 220kV线路，迅速形成东北电网220kV骨干网架。 10 1972年建成 330kV刘家峡 关中输电线路，全长534km，随后逐渐形成西北电网 330kV骨干网架。 1981年建成 500kV姚孟 武昌输电线路，全长595km。为适应葛洲坝水电厂送出工程的需要，1983年又建成葛洲坝 -武昌和葛洲坝 -双河两回500kV线路，开始形成华中电网 500kV骨干网架。 1989年建成 500kV葛洲坝 -上海高压直流输电线，实现了华中 -华东两大区的直流联网。 我国电网的发展历程 11 2005年 9月，中国在西北地区（青海官厅 兰州东）建成了一条 750kV输电线路，长度为 140.7 km。输、变电设备，除 GIS外，全部为国产。 我国电网的发展历程 2008年 12月，晋东南 南阳 荆门1000KV特高压交流试验示范工程是我国首条跨区域特高压交流输电线路，始于山西长治晋东南变电站，经河南南阳开关站，止于湖北荆门变电站。 12 国外发展概况 13 国外发展概况 前苏联 1985年建成埃基巴斯图兹 科克切塔夫 库斯坦奈特高压线路，全长 900km，按 1150kV电压投入运行，至 1994年已建成特高压线路全长 2634km 。 运行情况表明：所采用的线路和变电站的结构基本合理。特高压变压器、电抗器、断路器等重大设备经受了各种运行条件的考验。 在 1991年，由于前苏联解体和经济衰退，电力需求明显不足，导致特高压线路降至 500KV运行。 14 前苏联 1150kV输电线路地理接线图 15 国外发展概况 日本 日本是世界上第二个采用交流百万伏级电压等级输电的国家，从 1973年开始特高压输电的研究。 1988年为了将福岛、伯崎 6000至 8000MW的核电向东京输送，开始建立 1000kV线路。上世纪九十年代日本已建成全长 426公里的东京外环特高压输电线路。 日本建设了盐原、赤城两个特高压试验研究基地，对由多家制造商研制的特高压输变电设备在新近名特高压变电站进行了长达 8年的全电压运行考核。运行情况良好，证明特高压输变电设备可满足系统的可靠运行。 16 日本东京电力公司建成的 1000KV线路 17 国外发展概况 美国 1967年，美国通用电气公司（ GE）与电力研究协会（ EPRI）开始执行特高压研究计划，并在匹兹费尔德市建立了特高压试验中心。 1974年将单相试验设备扩建为1000 15000kV三相系统。 美国邦维尔电力局（ BPA）有 2处特高压试验站。 18 美国 AEP-ASEA 特高压试验基地 19 国外发展概况 全国各地参加 1000kV科研规划的单位共有 7个试验场和2个雷电记录站 。 意大利 1000kV工程雷电冲击试验 意大利 20 国外发展概况 瑞典 查麦斯大学高电压试验场可进行交流 1000kV电气试验，试验场内建有 240m特高压试验线段。另有 180m的绝缘子试验线段 原西德 当时对 420、 800及 1200kV 3种电压的输电工程的研究进行比较，结果表明：输电电压越高，线路走廊面积越小。随着输电距离的增加，1200kV输电的优越性更为突出 21 国内现状 技术借鉴 前苏联早在 1985年就设计制造了全套特高压输变电设备，在投入 1150kV全电压运行后，变压器、断路器、电抗器、避雷器等变电设备运行情况正常 从 1995年以来，日本的特高压输变电设备包括变压器、断路器、隔离开关、高速接地开关、避雷器、 CT、 PT等在新近名特高压变电站进行了长达 8年的全电压运行考核，不曾出现运行故障 22 国内现状 技术创新 我国是从 1986年开始立项研究交流特高压输电技术 。 在武汉建立了特高压试验研究基地，试验设备完全具备进行各项特高压试验的条件和能力。 我国的设计和制造单位通过西北 750kV工程，进一步具备了制造特高压设备的条件和基础。 我国特高压输电技术还需在无功平衡措施、消除潜供电弧措施、限制过电压的措施及绝缘配合、串联电容补偿装置、外绝缘、特高压设备等问题上进行重点技术研究。 23 武汉特高压交流试验基地 位于武汉市江夏区，规模为 220kV/120MVA降压变压器一台， 1000kV/3 40MVA升压变压器一台， 1000kV/1km单回 8分裂输电线路一条， 1000kV/1km同塔双回 8分裂输电线路两条。该基地担负着我国特高压交流输变电工程多项试验任务，将为特高压工程提供试验数据，为制定我国特高压相关技术标准提供科学依据，同时也为特高压线路带电作业方式研究提供平台。 24 国内现状 技术创新 2003年 9月， 中国第一个 750千伏输变电示范工程 （兰州东 青海官亭）在西北开工建设，线路全长 140千米。至 2005年 9月，仅用了两年时间，世界上海拔最高、中国运行电压等级最高的 750千伏输电线路正式建成投运。 25 1000kV晋东南 南阳 荆门特高压交流试验示范工程 26 1000kV晋东南 南阳 荆门特高压交流试验示范工程 1000kV晋东南 南阳 荆门特高压交流试验示范工程起于山西晋东南（长治）变电站，经河南南阳开关站，止于湖北荆门变电站。全线单回路架设，全长 640公里，跨越黄河和汉江。变电容量600万千伏安。系统标称电压 1000千伏，最高运行电压 1100千伏。 工程于 2006年 8月取得国家发展和改革委员会下达的项目核准批复文件，同年底开工建设， 2008年12月全面竣工， 12月 30日完成系统调试投入试运行， 2009年 1月 6日 22时完成 168小时试运行投入商业运行，目前运行情况良好。 27 1000kV晋东南 南阳 荆门特高压交流试验示范工程 工程全面实现了预期建设目标，里程碑计划如期完成，安全实现了零事故目标，质量达到了优良级标准，文明施工和环境保护目标圆满实现，工程投资得到了有效控制，科技创新取得了丰富成果，设备国产化研制取得了历史性突破。 从 2004年底开始前期工作以来，我国仅用四年时间，建成了目前世界上运行电压最高、技术水平最先进、我国拥有自主知识产权的交流输电工程，标志着我国在远距离、大容量、低损耗的特高压输电核心技术和设备国产化上取得重大突破，是我国能源基础研究和建设领域取得的世界级重大创新成果，是世界电力发展史上的重要里程碑。工程的成功建设对保障国家能源安全和电力可靠供应具有重要意义。 28 1000kV晋东南 南阳 荆门特高压交流试验示范工程 通过工程实践，我国全面建成了世界一流的特高压试验研究体系，全面掌握了特高压交流输电核心技术，全面建立了特高压交流输电标准体系，全面实现了国内电工装备制造的产业升级，全面验证了特高压交流输电的技术可行性、设备可靠性、系统安全性和环境友好性，全面培养锻炼了技术和管理人才队伍。特高压交流输电在我国已具备大规模应用条件。 29 这是世界上首条投入商业运行的1000KV特高压线路。 1000kV晋东南 南阳 荆门特高压交流试验示范工程 30 31 我国 800kV直流输电项目建设规划 32 云广直流工程 33 34 35 36 37 向家坝 上海 800千伏特高压直流输电示范工程 38 39 向家坝 上海 800千伏特高压直流输电示范工程 40 41 42 43 我国交流 1000kV特高压线路建设规划 44 特高压输电的优点 提高输送容量 缩短电气距离 提高稳定极限 降低线路损耗 减少工程投资 提高单位走廊输电能力 节省走廊面积 改善电网结构 降低短路电流 加强联网能力 45 特高压输电的优点 提高输送容量 交流线路的自然功率是表征其送电能力的一项指标，其计算公式如下： 一回 1000kV特高压输电线路的自然功率接近 500万千瓦，约为 500kV输电线路的 五倍 左右。 800kV直流特高压输电能力可达到 640万千瓦，是 500kV高压直流的 2.1倍，是 620kV高压直流的 1.7倍 . 46 特高压输电的优点 提高输送容量 单 回 线 路 的 输 送 能 力 47 特高压输电的优点 缩短电气距离 提高稳定极限 交流线路的输送功率可按下式计算： 1000千伏线路的电气距离相当于同长度 500千伏线路的 1/4 1/5。换句话说，在输送相同功率的情况下， 1000kV特高压输电线路的最远