特高壓直流輸電的重要性-電力

1、特高壓直流輸電重要性孟令彬摘要:近幾年來，隨著環(huán)境問題日益受到重視，隨之而來的減少污染，改善環(huán)境的方案與設 想不斷出現(xiàn)，如何保持可持續(xù)發(fā)展，在在增強環(huán)境保護的同時盡量減少對經(jīng)濟的影響呢？從現(xiàn)狀看，我國地域遼闊，能源儲備和電力負荷分布極不均衡，在經(jīng)濟的發(fā)展中，能源永 遠是基礎動力，能源的分配嚴重影響著環(huán)境與經(jīng)濟，如何優(yōu)化能源分配，合理實現(xiàn)能源配置， 解決能源運輸問題成為核心問題？在過去的30年中，特高壓直流輸電經(jīng)過了長足的發(fā)展，技術(shù) 日趨成熟，成為了能源優(yōu)化分配的重要最新、最優(yōu)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.關(guān)鍵詞：特高壓直流;特高壓交流;重要性；合理性；前 言我國是世界上最大的能源消費國，但能源資源相對匱乏， 石油、天然氣對外依存度達到60%和30%左右。面向未來，要實現(xiàn)黨的 十八大提出的“兩個一百年”宏偉目標，打造“中國經(jīng)濟

5、升級版”，我 國能源需求將保持剛性增長。根據(jù)我國電力發(fā)展規(guī)劃，到2020年我國電力裝機容量將達到18 億千瓦?！澳茉词乾F(xiàn)代化的基礎和動力能源供應和安全事關(guān)我國現(xiàn) 代化建設全局?！痹趪夷茉次瘑T會會議上，李克強總理重申了保障能 源供應安全的極端重要性，解決我國能源分布的嚴重不均問題，打破 制約經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。強調(diào)加快推進特高壓輸電通道在內(nèi)的重大項目， 以此作為穩(wěn)增長、提高能源保障能力的重要舉措。幾年前，正是經(jīng)濟社會發(fā)展的實際需求催生了特高壓輸電技術(shù),而 國家電網(wǎng)公司陸續(xù)建成投運的五條特高壓輸電線路也不負眾望，在保 障國家能源安全、促進經(jīng)濟增長等方面發(fā)揮出日益重要的作用。當前特高壓正步入加速發(fā)展的

6、快車道，這是民心所向、大勢所趨。1特高壓輸電技術(shù)與我國能源分布現(xiàn)狀1.1我國能源現(xiàn)狀1.1.1我國各種能源資源在地域分布上都具有不同程度的不平衡性。煤炭資源分布的面較廣，但90%的儲量分布在秦嶺-淮河以北地區(qū)，尤 其是晉陜蒙三省區(qū)，占到全國總量的63.5%。從東西方向看，煤炭85%分 布于中西部，沿海地區(qū)僅占15%。石油、天然氣資源集中在東北、華北（包括山東）和西北，合占全國 探明儲量的86%，集中程度高于煤炭。水能資源的分布主要在西部和中南部，在全國技術(shù)可開發(fā)資源量（3.7 億千瓦）中合計占到93.2%，其中西南占67.8%，與燃料資源主要分布在 北方相比，水能資源與之在空間上有較強的區(qū)域互

7、補性。全國能源資源結(jié)構(gòu)是以煤為主（占75.2%），水力居次（22.4%）， 油氣為輔（2.4%）。各地區(qū)呈現(xiàn)明顯的差異。就省區(qū)而言，北方大多數(shù)省 份以煤炭為主，而南方一些省份則以水力資源為主。1.2能源的配置方式。過去的很長一段時間，國家采取輸煤和輸電兩個策略。一是采取把西 部的部分煤炭通過鐵路運到港口（大同一秦皇島）再裝船運到江蘇、上海、 廣東等地，簡稱輸煤;二是用西部的煤炭、水力資源就地發(fā)電，再通過輸電 線路和電網(wǎng)把電送到中東部地區(qū)，簡稱輸電。1.2.1輸煤：我們先來看看輸煤的策略。先要把煤礦挖出來的煤裝上火車，長途奔 襲上千公里到達港口，卸在碼頭上臨時儲存。再裝到萬噸級的輪船上， 從海上

8、長途運輸?shù)侥康牡馗劭?，又要卸煤、儲存。最后再裝上火車等 運輸工具才運到當?shù)氐幕痣姀S儲煤場，卸下儲存待用。整個輸煤過程 要經(jīng)過三裝三卸，中途還要儲存，要借助火車、輪船這些運輸工具， 所以運輸成本很高，往往運輸成本比在煤礦買煤的費用都要高。經(jīng)過 專家們的技術(shù)經(jīng)濟計算比較，在中國，如果煤礦與發(fā)電廠的距離超過 一千公里，采取輸煤策略就不大合算了。1.2.2輸電既然輸煤不合理，那么輸電呢?用西部的煤炭、水力就地發(fā)電，只 要在當?shù)亟ɑ痣姀S或水電廠就行了。然后就是要建輸電線路，把電送 到中東部地區(qū)。建什么樣的輸電線路才能高效率地輸送大量電能到一千多公里以 外呢?專家們的回答是，要實現(xiàn)長距離大容量傳輸電能，特

9、高壓輸電最 有技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。特高壓輸送容量大、送電距離長、線路損耗低、占 用土地少。100萬伏交流特高壓輸電線路輸送電能的能力（技術(shù)上叫輸送容量） 是50萬伏超高壓輸電線路的5倍。所以有人這樣比喻，超高壓輸電是 省級公路，輸煤頂多就算是個國道，而特高壓輸電是“電力高速公路”。大家都知道，中國的高速公路經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，已經(jīng)基本 成網(wǎng)，四通八達。而中國的特高壓輸電這個“電力高速公路” 2008年 底才剛剛建成一個試驗示范工程，線路全長只有640公里。但是其優(yōu) 越性已經(jīng)展露，特高壓作為全國范圍內(nèi)方便、快捷、高效地配置能源資源平臺成為了必然。在電力工程技術(shù)上有一個名詞叫“經(jīng)濟輸送距離”，指的是某

10、一電壓等 級輸電線路最經(jīng)濟的輸送距離是多少，因為輸電線路在輸送電能的同時本 身也有損耗，線路太長損耗太大經(jīng)濟上不合算。50萬伏超高壓輸電線路的經(jīng)濟輸送距離一般為600800公里，而100 萬伏特高壓輸電線路因為電壓提高了，線路損耗減少了，它的經(jīng)濟輸送距 離也就加大了，能達到10001500公里甚至更長，這樣就能解決前面說到 的把西部能源搬到中東部地區(qū)使用的問題。建設輸電線路同樣也要占用土地，工程上叫“線路走廊”。前面說過， 建一條100萬伏特高壓輸電線路能頂5條50萬伏超高壓輸電線路，而線路 走廊所占用的土地只相當于2條50萬伏輸電線路，所以相對來說，建特高 壓輸電線路能少占土地，這對土地資源

11、稀缺的中東部地區(qū)來說尤其有利。當然，特高壓輸電，特別是建設特高壓電網(wǎng)，還有很多好處。它能把 中國電網(wǎng)堅強地連接起來，使建在不同地點的不同發(fā)電廠（比如火電廠和水 電廠之間）能互相支援和補充，工程上叫“實現(xiàn)水火互濟，取得聯(lián)網(wǎng)效益”； 能促進西部煤炭資源、水力資源的集約化開發(fā)，降低發(fā)電成本;能保證中東 部地區(qū)不斷增長的電力需求，減少在人口密集、經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)建火電廠所 帶來的環(huán)境污染;同時也能促進西部資源密集、經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)的經(jīng)濟社會 和諧發(fā)展。所以，我認為應該這樣說，建設特高壓電網(wǎng)功在當代，利在千秋。1.3特高壓輸電我國，能源供應能力的提升受到“兩個不均衡”的制約。過去“過度依 賴輸煤”的能源配置方

12、式和“就地平衡”的電力發(fā)展方式成為了經(jīng)濟 發(fā)展的瓶頸,大力發(fā)展特高壓電網(wǎng)，讓“電從遠方來”，變得越來越急迫。尤其是近年來，我國能源開發(fā)加速向西部和北部轉(zhuǎn)移，能源基地與 負荷中心的距離越來越遠。預計到2020年，我國13個大型水電基地、 15個大型煤電基地、9個大型風電基地的開發(fā)規(guī)模將分別達到2億、4 億、1.7億千瓦。這些大型能源基地與東中部負荷中心的距離一般都在 800公里4000公里。若仍依賴傳統(tǒng)的超高壓電網(wǎng)，無論從技術(shù)經(jīng)濟性 還是安全性的角度看，都不是科學合理的選擇。對此，原國家電網(wǎng)公司董事長、黨組書記劉振亞明確指出：“我國 能源開發(fā)重心西移北移、負荷中心在東中部地區(qū)的基本格局長期不會

13、改變，能源大規(guī)模、遠距離輸送和大范圍優(yōu)化配置是歷史必然。發(fā)展特 高壓是重中之重。這是解決能源和電力發(fā)展深層次矛盾的治本之策是 滿足各類大型能源基地和新能源大規(guī)模發(fā)展的迫切需要?！钡瞧胀妷旱燃夒娋W(wǎng)輸送能力有限，如果要達到跨區(qū)域輸電， 同時減少各區(qū)域電網(wǎng)間相互影響，就必須在提高電壓等級的同時增強 電網(wǎng)的穩(wěn)定性，采用特高壓輸電，對實現(xiàn)更大范圍的資源優(yōu)化配置、 提高輸電走廊的利用率和保護環(huán)境，都具有十分重要的意義。近年來面對各種復雜用電情況，國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)域電力供需形勢 仍然能保持總體平衡，究其原因，特高壓工程和跨區(qū)電網(wǎng)功不可沒。自 西南水電基地直達華東負荷中心的兩條特高壓直流輸電工程（向家壩 一

14、上海、錦屏一蘇南）送出的電力,約占華東區(qū)外受電的一半，占四川最 大外送電力的71%，極大緩解了華東地區(qū)用電緊張狀況。結(jié)合我國國情， 現(xiàn)在我國建設的特高壓電網(wǎng)是世界上電壓等級最高、輸送容量最大、輸送 距離最長的直流輸電工程。2特高壓電網(wǎng)現(xiàn)在的特高壓電網(wǎng)包括特高壓交流與特高壓直流，哪一種方式更適合 遠距離跨區(qū)域輸電？成為能源優(yōu)化分配的平臺呢？ 2.1特高壓交直流輸電的優(yōu)缺點對比 2.1.1直流輸電的優(yōu)點： 2.1.1.1經(jīng)濟方面：（1）線路造價低。對于架空輸電線，交流用三根導線，而直流一般用 兩根，采用大地或海水作回路時只要一根，能節(jié)省大量的線路建設費用。 對于電纜，由于絕緣介質(zhì)的直流強度遠高于交

15、流強度，如通常的油浸紙電 纜，直流的允許工作電壓約為交流的3倍，直流電纜的投資少得多。（2）電能損失小。直流架空輸電線只用兩根，導線電阻損耗比交流輸 電??；沒有感抗和容抗的無功損耗；沒有集膚效應，導線的截面利用充分。 另外，直流架空線路的“空間電荷效應”使其電暈損耗和無線電干擾都比 交流線路小。所以，直流架空輸電線路在線路建設初投資和年運行費用上 均較交流經(jīng)濟。2.1.1.2技術(shù)方面：（1）不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問題，可實現(xiàn)電網(wǎng)的非同期互聯(lián)。由此可見，在 一定輸電電壓下，交流輸電容許輸送功率和距離受到網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和參數(shù)的限 制，還須采取提高穩(wěn)定性的措施，增加了費用。而用直流輸電系統(tǒng)連接兩 個交流系統(tǒng)，由于

16、直流線路沒有電抗，不存在上述穩(wěn)定問題。因此，直流 輸電的輸送容量和距離不受同步運行穩(wěn)定性的限制，還可連接兩個不 同頻率的系統(tǒng)，實現(xiàn)非同期聯(lián)網(wǎng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（2）限制短路電流。如用交流輸電線連接兩個交流系統(tǒng)，短路容 量增大，甚至需要更換斷路器或增設限流裝置。然而用直流輸電線路 連接兩個交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)的“定電流控制”，將快速把短路電流 限制在額定功率附近，短路容量不因互聯(lián)而增大。（3）調(diào)節(jié)快速，運行可靠。直流輸電通過可控硅換流器能快速調(diào) 整有功功率，實現(xiàn)“潮流翻轉(zhuǎn)”（功率流動方向的改變），在正常時 能保證穩(wěn)定輸出，在事故情況下，可實現(xiàn)健全系統(tǒng)對故障系統(tǒng)的緊急 支援，也能實現(xiàn)振蕩阻尼和次同

17、步振蕩的抑制。在交直流線路并列運 行時，如果交流線路發(fā)生短路，可短暫增大直流輸送功率以減少發(fā)電 機轉(zhuǎn)子加速，提高系統(tǒng)的可靠性。（4）沒有電容充電電流。直流線路穩(wěn)態(tài)時無電容電流，沿線電壓 分布平穩(wěn)，無空、輕載時交流長線受端及中部發(fā)生電壓異常升高的現(xiàn) 象，也不需要并聯(lián)電抗補償。（5）節(jié)省線路走廊。按同電壓500kV考慮，一條直流輸電線路的 走廊40m，一條交流線路走廊50m，而前者輸送容量約為后者2倍， 即直流傳輸效率約為交流2倍。2.1.2直流輸電缺點：2.1.2.1直流輸電技術(shù)的不足：（1）消耗無功功率多。一般每端換流站消耗無功功率約為輸送功 率的40%60%,需要無功補償。產(chǎn)生諧波影響。換流

18、器在交流和直流側(cè)都產(chǎn)生諧波電壓和諧波電 流，使電容器和發(fā)電機過熱、換流器的控制不穩(wěn)定，對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。不能用變壓器來改變電壓等級。直流輸電主要用于長距離大容量 輸電、交流系統(tǒng)之間異步互聯(lián)和海底電纜送電等。2.1.2.2直流輸電經(jīng)濟方面：(1)換流裝置較昂貴。這是限制直流輸電應用的最主要原因。在輸送 相同容量時，直流線路單位長度的造價比交流低;而直流輸電兩端換流設備 造價比交流變電站貴很多。這就引起了所謂的“等價距離”問題。2.1.2.3直流輸電環(huán)境方面：(1)從運行維護來說，直流線路積污速度快、污閃電壓低，污穢問題 較交流線路更為嚴重。與西方發(fā)達國家相比，目前我國大氣環(huán)境相對較差， 這使直

19、流線路的清掃及防污閃更為困難。設備故障及污穢嚴重等原因使直 流線路的污閃率明顯高于交流線路。2.1.3特高壓交流輸電的主要優(yōu)點：有利于連網(wǎng)，簡化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。2.1.4特高壓交流輸電的主要缺點：特高壓交流輸電的主要缺點是系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性問題不易解決。自1965-1984年世界上共發(fā)生了 6次交流大電網(wǎng)瓦解事故，其中4次發(fā)生 在美國，2次在歐洲。這些嚴重的大電網(wǎng)瓦解事故說明采用交流互聯(lián)的大電 網(wǎng)存在著安全穩(wěn)定、事故連鎖反應及大面積停電等難以解決的問題。特別 是在特高壓線路出現(xiàn)初期，不能形成主網(wǎng)架，線路負載能力較低，電源的 集中送出帶來了較大的穩(wěn)定性問題。下級電網(wǎng)不能解環(huán)運行，導致不能有 效降低受

20、端電網(wǎng)短路電流，這些都威脅著電網(wǎng)的安全運行。另外，特 高壓交流輸電對環(huán)境影響較大。輸電線路的建設主要考慮的是經(jīng)濟性，而互聯(lián)線路則要將系統(tǒng)的 穩(wěn)定性放在第一位。在超高壓交流輸電方面，若在500kV電壓等級上 采用750kV （最高運行電壓800kV），有可能因兩級電壓相距太近，會 造成電磁環(huán)網(wǎng)多、潮流控制困難、電網(wǎng)損耗大等問題，而且，即使今 后采用靈活交流輸電技術(shù)或緊湊型輸電技術(shù)，輸電容量的有限增加仍 難以滿足電力系統(tǒng)長遠發(fā)展的需要。與直流輸電比較，現(xiàn)有的交流 500kV輸電（經(jīng)濟輸送容量為1000 kW，輸送距離為300500 km）已不 能滿足需要，只有提高電壓等級，采用特高壓輸電方式，才能

21、獲得較 高的經(jīng)濟效益2.3直流架空線路與交流架空線路相比；在機械結(jié)構(gòu)的設計和計算方面，并沒有顯著差別。但在電氣方面， 則具有許多不同的特點，需要進行專門研究。對于特高壓直流輸電線 路的建設，尤其需要重視以下三個方面的研究：2.3.1電暈效應。直流輸電線路在正常運行情況下允許導線發(fā)生一定程度的電暈放 電，由此將會產(chǎn)生電暈損失、電場效應、無線電干擾和可聽噪聲等， 導致直流輸電的運行損耗和環(huán)境影響。特高壓工程由于電壓高，如果 設計不當，其電暈效應可能會比超高壓工程的更大。通過對特高壓直 流電暈特性的研究，合理選擇導線型式和絕緣子串、金具組裝型式， 降低電暈效應，減少運行損耗和對環(huán)境的影響。2.3.2

22、絕緣配合。直流輸電工程的絕緣配合對工程的投資和運行水平有極大影響。由于 直流輸電的“靜電吸塵效應”，絕緣子的積污和污閃特性與交流的有很大不 同，由此引起的污穢放電比交流的更為嚴重，合理選擇直流線路的絕緣配 合對于提高。2.3.3電磁環(huán)境影響。與超高壓工程相比，特高壓直流輸電工程具有電壓高、導線大、鐵塔 高、單回線路走廊寬等特點，其電磁環(huán)境與500千伏直流線路的有一定差 別，由此帶來的環(huán)境影響必然受到社會各界的關(guān)注。同時，特高壓直流工 程的電磁環(huán)境與導線型式、架線高度等密切相關(guān)。因此，認真研究特高壓 直流輸電的電磁環(huán)境影響，對于工程建設滿足環(huán)境保護要求和降低造價至 關(guān)重要。我國特高壓輸電技術(shù)研究

23、始于1986年，在過去的30年里，我國的科 研機構(gòu)在特高壓交、直流輸電領域相繼開展了 “遠距離輸電方式和電壓等 級論證”、“特高壓輸電前期論證”和“采用交流百萬伏特高壓輸電的可行 性”等研究，在特高壓輸電系統(tǒng)過電壓水平、絕緣配合、輸電線路對環(huán)境 影響以及設備、線路、鐵塔、典型變電站（換流站）的選擇與論證方面，取 得了初步成果。綜上所述，特高壓直流輸電與特高壓交流輸電相比較，特高壓直流輸 電在大容量遠距離輸電和建設全國的堅強電網(wǎng)方面具有一定的優(yōu)勢，在技 術(shù)和設備上并無不可逾越的技術(shù)難題，在建設投資和運行上也較為經(jīng)濟， 發(fā)展特高壓是合理的。3.特高壓直流作為能源優(yōu)化配置平臺3.1向家壩-上海800

24、kV特高壓直流輸電示范工程展露特高壓直流優(yōu)越性向家壩-上海800kV特高壓直流輸電示范工程承擔著金沙江下游 大型水電基地的送出任務，起于四川宜賓復龍換流站，止于上海奉賢 換流站，途經(jīng)8省市，四次跨越長江。線路全長1907公里。工程額定 電壓800千伏，額定電流4000安培，額定輸送功率640萬千瓦，最 大連續(xù)輸送功率720萬千瓦。3.1.1技術(shù)水平高。是世界直流輸電技術(shù)的制高點；特高壓直流關(guān)鍵設備均為首次研 制，沒有可供借鑒的標準和規(guī)范，需要對特高壓直流工程系統(tǒng)方案、 過電壓與絕緣配合、電磁環(huán)境控制、成套設計和設備制造等方面進行 全面、系統(tǒng)攻關(guān)。3.1.2設備研制難度大。特高壓直流設備絕緣水平

25、高，通流能力大，使用的800千伏、30 萬千伏安級特高壓換流變壓器，通流能力4500安培的6英寸晶閘管， 單閥組容量180萬千瓦的換流閥，額定電流4000安培的低噪聲干式平 波電抗器、直流穿墻套管、直流斷路器和隔離開關(guān)，基于實時操作系 統(tǒng)的換流站控制保護系統(tǒng)等關(guān)鍵設備均為世界首創(chuàng)，研制難度極大， 是對電力電子技術(shù)、電工技術(shù)、材料技術(shù)、高壓試驗技術(shù)和控制技術(shù) 的極限挑戰(zhàn)。特別是兩大系列、8種型號換流變的研發(fā)，涉及電場分布 技術(shù)、磁場分布技術(shù)、發(fā)熱和傳導計算、諧波分析、油紙兼容和電化 學技術(shù)、直流電場和交流電場疊加交互作用分析等技術(shù)。每臺換流變 涉及上萬種物料，物料供應涉及多個國家數(shù)十個制造廠，組

26、織和管理難度 極大。3.1.3建設任務繁重。特高壓直流工程采用雙極、每極兩個十二脈動換流器串聯(lián)接線，輸送 容量、送電距離和工程量均是500kV直流工程的兩倍以上。工程共需換流 變壓器56臺，平波電抗器20臺，換流閥96個，晶閘管5794只，控制保 護屏柜832面;導地線5.9萬噸，鐵塔材料23萬噸，瓷絕緣子72萬片，合 成絕緣子2萬支。線路工程途經(jīng)8個省(市)，56個縣(市)、區(qū)，房屋拆遷 總計9152戶、近250萬平米，涉及大型廠礦搬遷195處。工程試驗室聯(lián)調(diào) 項目2200項，現(xiàn)場分系統(tǒng)調(diào)試超過2萬項，站系統(tǒng)調(diào)試147項，系統(tǒng)調(diào)試 12大類591項。3.1.4可靠性指標先進。特高壓直流工程采用對稱、模塊化設計