特高压直流输电的重要性-电力

1、特高压直流输电重要性孟令彬摘要:近几年来，随着环境问题日益受到重视，随之而来的减少污染，改善环境的方案与设 想不断出现，如何保持可持续发展，在在增强环境保护的同时尽量减少对经济的影响呢？从现状看，我国地域辽阔，能源储备和电力负荷分布极不均衡，在经济的发展中，能源永 远是基础动力，能源的分配严重影响着环境与经济，如何优化能源分配，合理实现能源配置， 解决能源运输问题成为核心问题？在过去的30年中，特高压直流输电经过了长足的发展，技术 日趋成熟，成为了能源优化分配的重要最新、最优方式。In recent years, as environmental issues have received in

2、creasing attention, follow pollution reduction, environmental improvement schemes and ideas emerge, how to keep sustainable development in environmental protection while minimizing the economic impact? From status see, China geographical vast, energy reserves and power load distribution very not bal

3、anced, in economic of development in the, energy forever is based power, energy of distribution serious effect with environment and economic, how optimization energy distribution, reasonable achieved energy configuration, solution energy transport problem became core problem? in past of 30 years in

4、the, special high pressure DC transmission after has great of development, technology increasingly mature, became has energy optimization distribution of important latest, and optimal way.关键词：特高压直流;特高压交流;重要性；合理性；前 言我国是世界上最大的能源消费国，但能源资源相对匮乏， 石油、天然气对外依存度达到60%和30%左右。面向未来，要实现党的 十八大提出的“两个一百年”宏伟目标，打造“中国经济

5、升级版”，我 国能源需求将保持刚性增长。根据我国电力发展规划，到2020年我国电力装机容量将达到18 亿千瓦。“能源是现代化的基础和动力能源供应和安全事关我国现 代化建设全局。”在国家能源委员会会议上，李克强总理重申了保障能 源供应安全的极端重要性，解决我国能源分布的严重不均问题，打破 制约经济发展的瓶颈。强调加快推进特高压输电通道在内的重大项目， 以此作为稳增长、提高能源保障能力的重要举措。几年前，正是经济社会发展的实际需求催生了特高压输电技术,而 国家电网公司陆续建成投运的五条特高压输电线路也不负众望，在保 障国家能源安全、促进经济增长等方面发挥出日益重要的作用。当前特高压正步入加速发展的

6、快车道，这是民心所向、大势所趋。1特高压输电技术与我国能源分布现状1.1我国能源现状1.1.1我国各种能源资源在地域分布上都具有不同程度的不平衡性。煤炭资源分布的面较广，但90%的储量分布在秦岭-淮河以北地区，尤 其是晋陕蒙三省区，占到全国总量的63.5%。从东西方向看，煤炭85%分 布于中西部，沿海地区仅占15%。石油、天然气资源集中在东北、华北（包括山东）和西北，合占全国 探明储量的86%，集中程度高于煤炭。水能资源的分布主要在西部和中南部，在全国技术可开发资源量（3.7 亿千瓦）中合计占到93.2%，其中西南占67.8%，与燃料资源主要分布在 北方相比，水能资源与之在空间上有较强的区域互

7、补性。全国能源资源结构是以煤为主（占75.2%），水力居次（22.4%）， 油气为辅（2.4%）。各地区呈现明显的差异。就省区而言，北方大多数省 份以煤炭为主，而南方一些省份则以水力资源为主。1.2能源的配置方式。过去的很长一段时间，国家采取输煤和输电两个策略。一是采取把西 部的部分煤炭通过铁路运到港口（大同一秦皇岛）再装船运到江苏、上海、 广东等地，简称输煤;二是用西部的煤炭、水力资源就地发电，再通过输电 线路和电网把电送到中东部地区，简称输电。1.2.1输煤：我们先来看看输煤的策略。先要把煤矿挖出来的煤装上火车，长途奔 袭上千公里到达港口，卸在码头上临时储存。再装到万吨级的轮船上， 从海上

8、长途运输到目的地港口，又要卸煤、储存。最后再装上火车等 运输工具才运到当地的火电厂储煤场，卸下储存待用。整个输煤过程 要经过三装三卸，中途还要储存，要借助火车、轮船这些运输工具， 所以运输成本很高，往往运输成本比在煤矿买煤的费用都要高。经过 专家们的技术经济计算比较，在中国，如果煤矿与发电厂的距离超过 一千公里，采取输煤策略就不大合算了。1.2.2输电既然输煤不合理，那么输电呢?用西部的煤炭、水力就地发电，只 要在当地建火电厂或水电厂就行了。然后就是要建输电线路，把电送 到中东部地区。建什么样的输电线路才能高效率地输送大量电能到一千多公里以 外呢?专家们的回答是，要实现长距离大容量传输电能，特

9、高压输电最 有技术经济优势。特高压输送容量大、送电距离长、线路损耗低、占 用土地少。100万伏交流特高压输电线路输送电能的能力（技术上叫输送容量） 是50万伏超高压输电线路的5倍。所以有人这样比喻，超高压输电是 省级公路，输煤顶多就算是个国道，而特高压输电是“电力高速公路”。大家都知道，中国的高速公路经过近几年的快速发展，已经基本 成网，四通八达。而中国的特高压输电这个“电力高速公路” 2008年 底才刚刚建成一个试验示范工程，线路全长只有640公里。但是其优 越性已经展露，特高压作为全国范围内方便、快捷、高效地配置能源资源平台成为了必然。在电力工程技术上有一个名词叫“经济输送距离”，指的是某

10、一电压等 级输电线路最经济的输送距离是多少，因为输电线路在输送电能的同时本 身也有损耗，线路太长损耗太大经济上不合算。50万伏超高压输电线路的经济输送距离一般为600800公里，而100 万伏特高压输电线路因为电压提高了，线路损耗减少了，它的经济输送距 离也就加大了，能达到10001500公里甚至更长，这样就能解决前面说到 的把西部能源搬到中东部地区使用的问题。建设输电线路同样也要占用土地，工程上叫“线路走廊”。前面说过， 建一条100万伏特高压输电线路能顶5条50万伏超高压输电线路，而线路 走廊所占用的土地只相当于2条50万伏输电线路，所以相对来说，建特高 压输电线路能少占土地，这对土地资源

11、稀缺的中东部地区来说尤其有利。当然，特高压输电，特别是建设特高压电网，还有很多好处。它能把 中国电网坚强地连接起来，使建在不同地点的不同发电厂（比如火电厂和水 电厂之间）能互相支援和补充，工程上叫“实现水火互济，取得联网效益”； 能促进西部煤炭资源、水力资源的集约化开发，降低发电成本;能保证中东 部地区不断增长的电力需求，减少在人口密集、经济发达地区建火电厂所 带来的环境污染;同时也能促进西部资源密集、经济欠发达地区的经济社会 和谐发展。所以，我认为应该这样说，建设特高压电网功在当代，利在千秋。1.3特高压输电我国，能源供应能力的提升受到“两个不均衡”的制约。过去“过度依 赖输煤”的能源配置方

12、式和“就地平衡”的电力发展方式成为了经济 发展的瓶颈,大力发展特高压电网，让“电从远方来”，变得越来越急迫。尤其是近年来，我国能源开发加速向西部和北部转移，能源基地与 负荷中心的距离越来越远。预计到2020年，我国13个大型水电基地、 15个大型煤电基地、9个大型风电基地的开发规模将分别达到2亿、4 亿、1.7亿千瓦。这些大型能源基地与东中部负荷中心的距离一般都在 800公里4000公里。若仍依赖传统的超高压电网，无论从技术经济性 还是安全性的角度看，都不是科学合理的选择。对此，原国家电网公司董事长、党组书记刘振亚明确指出：“我国 能源开发重心西移北移、负荷中心在东中部地区的基本格局长期不会

13、改变，能源大规模、远距离输送和大范围优化配置是历史必然。发展特 高压是重中之重。这是解决能源和电力发展深层次矛盾的治本之策是 满足各类大型能源基地和新能源大规模发展的迫切需要。”但是普通电压等级电网输送能力有限，如果要达到跨区域输电， 同时减少各区域电网间相互影响，就必须在提高电压等级的同时增强 电网的稳定性，采用特高压输电，对实现更大范围的资源优化配置、 提高输电走廊的利用率和保护环境，都具有十分重要的意义。近年来面对各种复杂用电情况，国家电网经营区域电力供需形势 仍然能保持总体平衡，究其原因，特高压工程和跨区电网功不可没。自 西南水电基地直达华东负荷中心的两条特高压直流输电工程（向家坝 一

14、上海、锦屏一苏南）送出的电力,约占华东区外受电的一半，占四川最 大外送电力的71%，极大缓解了华东地区用电紧张状况。结合我国国情， 现在我国建设的特高压电网是世界上电压等级最高、输送容量最大、输送 距离最长的直流输电工程。2特高压电网现在的特高压电网包括特高压交流与特高压直流，哪一种方式更适合 远距离跨区域输电？成为能源优化分配的平台呢？ 2.1特高压交直流输电的优缺点对比 2.1.1直流输电的优点： 2.1.1.1经济方面：（1）线路造价低。对于架空输电线，交流用三根导线，而直流一般用 两根，采用大地或海水作回路时只要一根，能节省大量的线路建设费用。 对于电缆，由于绝缘介质的直流强度远高于交

15、流强度，如通常的油浸纸电 缆，直流的允许工作电压约为交流的3倍，直流电缆的投资少得多。（2）电能损失小。直流架空输电线只用两根，导线电阻损耗比交流输 电小；没有感抗和容抗的无功损耗；没有集肤效应，导线的截面利用充分。 另外，直流架空线路的“空间电荷效应”使其电晕损耗和无线电干扰都比 交流线路小。所以，直流架空输电线路在线路建设初投资和年运行费用上 均较交流经济。2.1.1.2技术方面：（1）不存在系统稳定问题，可实现电网的非同期互联。由此可见，在 一定输电电压下，交流输电容许输送功率和距离受到网络结构和参数的限 制，还须采取提高稳定性的措施，增加了费用。而用直流输电系统连接两 个交流系统，由于

16、直流线路没有电抗，不存在上述稳定问题。因此，直流 输电的输送容量和距离不受同步运行稳定性的限制，还可连接两个不 同频率的系统，实现非同期联网，提高系统的稳定性。（2）限制短路电流。如用交流输电线连接两个交流系统，短路容 量增大，甚至需要更换断路器或增设限流装置。然而用直流输电线路 连接两个交流系统，直流系统的“定电流控制”，将快速把短路电流 限制在额定功率附近，短路容量不因互联而增大。（3）调节快速，运行可靠。直流输电通过可控硅换流器能快速调 整有功功率，实现“潮流翻转”（功率流动方向的改变），在正常时 能保证稳定输出，在事故情况下，可实现健全系统对故障系统的紧急 支援，也能实现振荡阻尼和次同

17、步振荡的抑制。在交直流线路并列运 行时，如果交流线路发生短路，可短暂增大直流输送功率以减少发电 机转子加速，提高系统的可靠性。（4）没有电容充电电流。直流线路稳态时无电容电流，沿线电压 分布平稳，无空、轻载时交流长线受端及中部发生电压异常升高的现 象，也不需要并联电抗补偿。（5）节省线路走廊。按同电压500kV考虑，一条直流输电线路的 走廊40m，一条交流线路走廊50m，而前者输送容量约为后者2倍， 即直流传输效率约为交流2倍。2.1.2直流输电缺点：2.1.2.1直流输电技术的不足：（1）消耗无功功率多。一般每端换流站消耗无功功率约为输送功 率的40%60%,需要无功补偿。产生谐波影响。换流

18、器在交流和直流侧都产生谐波电压和谐波电 流，使电容器和发电机过热、换流器的控制不稳定，对通信系统产生干扰。不能用变压器来改变电压等级。直流输电主要用于长距离大容量 输电、交流系统之间异步互联和海底电缆送电等。2.1.2.2直流输电经济方面：(1)换流装置较昂贵。这是限制直流输电应用的最主要原因。在输送 相同容量时，直流线路单位长度的造价比交流低;而直流输电两端换流设备 造价比交流变电站贵很多。这就引起了所谓的“等价距离”问题。2.1.2.3直流输电环境方面：(1)从运行维护来说，直流线路积污速度快、污闪电压低，污秽问题 较交流线路更为严重。与西方发达国家相比，目前我国大气环境相对较差， 这使直

19、流线路的清扫及防污闪更为困难。设备故障及污秽严重等原因使直 流线路的污闪率明显高于交流线路。2.1.3特高压交流输电的主要优点：有利于连网，简化网络结构。2.1.4特高压交流输电的主要缺点：特高压交流输电的主要缺点是系统的稳定性和可靠性问题不易解决。自1965-1984年世界上共发生了 6次交流大电网瓦解事故，其中4次发生 在美国，2次在欧洲。这些严重的大电网瓦解事故说明采用交流互联的大电 网存在着安全稳定、事故连锁反应及大面积停电等难以解决的问题。特别 是在特高压线路出现初期，不能形成主网架，线路负载能力较低，电源的 集中送出带来了较大的稳定性问题。下级电网不能解环运行，导致不能有 效降低受

20、端电网短路电流，这些都威胁着电网的安全运行。另外，特 高压交流输电对环境影响较大。输电线路的建设主要考虑的是经济性，而互联线路则要将系统的 稳定性放在第一位。在超高压交流输电方面，若在500kV电压等级上 采用750kV （最高运行电压800kV），有可能因两级电压相距太近，会 造成电磁环网多、潮流控制困难、电网损耗大等问题，而且，即使今 后采用灵活交流输电技术或紧凑型输电技术，输电容量的有限增加仍 难以满足电力系统长远发展的需要。与直流输电比较，现有的交流 500kV输电（经济输送容量为1000 kW，输送距离为300500 km）已不 能满足需要，只有提高电压等级，采用特高压输电方式，才能

21、获得较 高的经济效益2.3直流架空线路与交流架空线路相比；在机械结构的设计和计算方面，并没有显著差别。但在电气方面， 则具有许多不同的特点，需要进行专门研究。对于特高压直流输电线 路的建设，尤其需要重视以下三个方面的研究：2.3.1电晕效应。直流输电线路在正常运行情况下允许导线发生一定程度的电晕放 电，由此将会产生电晕损失、电场效应、无线电干扰和可听噪声等， 导致直流输电的运行损耗和环境影响。特高压工程由于电压高，如果 设计不当，其电晕效应可能会比超高压工程的更大。通过对特高压直 流电晕特性的研究，合理选择导线型式和绝缘子串、金具组装型式， 降低电晕效应，减少运行损耗和对环境的影响。2.3.2

22、绝缘配合。直流输电工程的绝缘配合对工程的投资和运行水平有极大影响。由于 直流输电的“静电吸尘效应”，绝缘子的积污和污闪特性与交流的有很大不 同，由此引起的污秽放电比交流的更为严重，合理选择直流线路的绝缘配 合对于提高。2.3.3电磁环境影响。与超高压工程相比，特高压直流输电工程具有电压高、导线大、铁塔 高、单回线路走廊宽等特点，其电磁环境与500千伏直流线路的有一定差 别，由此带来的环境影响必然受到社会各界的关注。同时，特高压直流工 程的电磁环境与导线型式、架线高度等密切相关。因此，认真研究特高压 直流输电的电磁环境影响，对于工程建设满足环境保护要求和降低造价至 关重要。我国特高压输电技术研究

23、始于1986年，在过去的30年里，我国的科 研机构在特高压交、直流输电领域相继开展了 “远距离输电方式和电压等 级论证”、“特高压输电前期论证”和“采用交流百万伏特高压输电的可行 性”等研究，在特高压输电系统过电压水平、绝缘配合、输电线路对环境 影响以及设备、线路、铁塔、典型变电站（换流站）的选择与论证方面，取 得了初步成果。综上所述，特高压直流输电与特高压交流输电相比较，特高压直流输 电在大容量远距离输电和建设全国的坚强电网方面具有一定的优势，在技 术和设备上并无不可逾越的技术难题，在建设投资和运行上也较为经济， 发展特高压是合理的。3.特高压直流作为能源优化配置平台3.1向家坝-上海800

24、kV特高压直流输电示范工程展露特高压直流优越性向家坝-上海800kV特高压直流输电示范工程承担着金沙江下游 大型水电基地的送出任务，起于四川宜宾复龙换流站，止于上海奉贤 换流站，途经8省市，四次跨越长江。线路全长1907公里。工程额定 电压800千伏，额定电流4000安培，额定输送功率640万千瓦，最 大连续输送功率720万千瓦。3.1.1技术水平高。是世界直流输电技术的制高点；特高压直流关键设备均为首次研 制，没有可供借鉴的标准和规范，需要对特高压直流工程系统方案、 过电压与绝缘配合、电磁环境控制、成套设计和设备制造等方面进行 全面、系统攻关。3.1.2设备研制难度大。特高压直流设备绝缘水平

25、高，通流能力大，使用的800千伏、30 万千伏安级特高压换流变压器，通流能力4500安培的6英寸晶闸管， 单阀组容量180万千瓦的换流阀，额定电流4000安培的低噪声干式平 波电抗器、直流穿墙套管、直流断路器和隔离开关，基于实时操作系 统的换流站控制保护系统等关键设备均为世界首创，研制难度极大， 是对电力电子技术、电工技术、材料技术、高压试验技术和控制技术 的极限挑战。特别是两大系列、8种型号换流变的研发，涉及电场分布 技术、磁场分布技术、发热和传导计算、谐波分析、油纸兼容和电化 学技术、直流电场和交流电场叠加交互作用分析等技术。每台换流变 涉及上万种物料，物料供应涉及多个国家数十个制造厂，组

26、织和管理难度 极大。3.1.3建设任务繁重。特高压直流工程采用双极、每极两个十二脉动换流器串联接线，输送 容量、送电距离和工程量均是500kV直流工程的两倍以上。工程共需换流 变压器56台，平波电抗器20台，换流阀96个，晶闸管5794只，控制保 护屏柜832面;导地线5.9万吨，铁塔材料23万吨，瓷绝缘子72万片，合 成绝缘子2万支。线路工程途经8个省(市)，56个县(市)、区，房屋拆迁 总计9152户、近250万平米，涉及大型厂矿搬迁195处。工程试验室联调 项目2200项，现场分系统调试超过2万项，站系统调试147项，系统调试 12大类591项。3.1.4可靠性指标先进。特高压直流工程采用对称、模块化设计