特高壓輸電技術的進展和應用

文／中國電力科學研究院 申洪 印永華／

我國幅員遼闊，資源分布不均勻，80%的水能資源分布在西南部，76%的煤炭資源和絕大部分的陸地風能資源分布在北部和西北部；而中部和東部地區人口稠密、產業集中，目前電力的需求量占全國的69%，電力常常供不應求。因此，亟需發展能夠滿足遠距離、大容量輸電要求的特高壓輸電技術，加快特高壓輸電工程的建設，實現全國范圍內的資源優化配置，保證能源的安全穩定供應。

目前，中國電網骨干網架的電壓為500千伏，將交流500千伏輸電進一步提升至1000千伏，在相同輸送距離下輸送功率可提高至500千伏線路的4~5倍，輸電距離和單位走廊容量提高至3倍，損耗僅約1/3；將直流±500千伏提升至±1100千伏，輸電距離可達3000公里，顯著提升了高壓輸電遠距離、大容量、低損耗的技術優勢。

1 特高壓交直流輸電技術研究成果及應用

近七年來，我國全面地開展了特高壓重大技術問題研究，包括技術可行性、設備國產化、試驗示范工程等一系列研究論證。國網公司先后下達了特高壓交、直流關鍵技術及工程研究課題159項，覆蓋了規劃、系統、設計、設備、施工、調試、運行維護等各個方面。

通過這些關鍵技術研究，取得了一系列成果：

（1）建成特高壓交流試驗基地、直流試驗基地、工程力學試驗基地、高海拔試驗基地、大電網仿真中心、特高壓直流輸電工程成套設計研發（實驗）中心、開關試驗中心和工廠試驗站，形成了世界上功能最完整、技術水平最先進的高電壓、強電流實驗研究能力。深入開展重大關鍵技術研究，取得全面突破并經過了工程驗證。申報中國專利691項，已獲授權441項，其中發明專利90項。

（2）在電磁環境影響、過電壓與絕緣配合、潛供電流控制、系統無功補償、系統穩定控制技術、變電站和線路設計技術、施工技術等方面取得重要成果；研究確定了交直流特高壓示范工程的重大技術方案和設計原則，全面掌握了特高壓輸電系統核心技術。

（3）自主研制成功全套特高壓設備，成功研制了包括大容量特高壓變壓器、電抗器、換流變壓器、換流閥、6英寸晶閘管、平波電抗器、氣體絕緣組合電器、套管、絕緣子等世界最高水平的全套特高壓關鍵設備和元器件。通過工程實踐，自主創新能力和制造水平顯著提升，實現了產業升級。

（4）建立了特高壓技術標準體系，研究形成了從系統成套、工程設計、設備制造、施工安裝、試驗調試到運行維護的全套技術標準和試驗規范，建立了特高壓交、直流輸電技術標準體系，已發布國家標準16項，主導編制國際標準3項，其中中國的特高壓交流標準電壓已被推薦為國際標準電壓。

研究成果在特高壓交、直流示范工程中得到應用，在設備研制、工程建設和安全穩定運行中發揮了技術支撐作用。

特高壓交流試驗示范工程自山西省晉東南、經河南省南陽至湖北省荊門，連接裝機總容量超過3億千瓦的華北和華中兩大電網，線路全長640公里，共有鐵塔1284基，平均塔高77米，是目前世界上運行電壓最高、技術水平最先進的交流輸變電工程。工程于2009年1月建成投運以來，經受了雷雨、大風、高溫、嚴寒等氣象條件的考驗，保持安全穩定運行，成為我國南北方向一條重要的能源輸送通道。

特高壓交流輸電試驗示范工程對促進我國能源資源優化配置、推動經濟社會發展和節能減排發揮了重要作用。截止2010年底，工程累計送電207億千瓦時。其中華北火電送華中128億千瓦時，華中水電送華北79億，減排二氧化碳694萬噸；實測輸電損耗率僅為1.7%，節能降耗效果顯著。

在冬季，通過該工程向華中電網輸送電力，有力地緩解了湖北等缺電的局面，起到了雪中送炭的作用。

特高壓直流輸電示范工程西起四川宜賓復龍換流站，東至上海奉賢換流站，輸送容量達700萬千瓦級。線路途經四川、重慶、湖南、湖北、安徽、浙江、江蘇和上海八省市，全長1907公里，共有塔基3939基，承擔金沙江下游大型水電站的送出任務，是世界上電壓等級最高、輸送容量最大、送電距離最遠、技術水平最先進的直流輸電工程。工程于2010年7月建成投運，已安全穩定運行超過9個月，成為我國東西方向一條重要的能源輸送通道。

特高壓直流輸電示范工程每年可向上海輸送約350億千瓦時的清潔電能，減排二氧化碳超過3000萬噸，在節能減排、保護環境等方面的經濟社會效益極為顯著。

2 特高壓交直流輸電技術的推廣價值

特高壓交、直流示范工程的成功實踐，實現了中國能源科技領域的重大創新，引領了國際高壓輸電技術的創新和進步，是中國具有良好經濟性和環境友好性、滿足電力工業可持續發展需要的重大實踐，也是國際能源領域的重大創新實踐。

特高壓輸電技術的全面突破，為中國乃至世界電力領域的創新變革和可持續發展提供了重要戰略選擇。

當前，在全球范圍內正經歷著一場以能源多元化、清潔化為方向，以優化能源結構、實現能源轉型為目標，以清潔能源和智能電網為特征的新一輪能源變革。在這場能源變革中，特高壓輸電將發揮重要的作用。

轉變電力發展方式，優化電源結構和布局，是實現電力工業可持續發展的必然選擇。隨著我國能源開發向西部和北部的轉移速度加快，能源產地和能源消費地之間的輸送距離越來越遠、能源輸送的規模越來越大，500千伏電網已經無法滿足電網發展需要。要促進大型能源基地集約化開發及全國范圍的資源優化配置，必須加快發展特高壓電網，促進大煤電、大水電、大核電、大可再生能源基地的集約化開發，保證能源的長期穩定供應。

未來五年，我國預計新增裝機近5億千瓦，全社會用電量新增近2萬億千瓦時，加快建設以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展，具有信息化、自動化、互動化特征的堅強智能電網的任務十分緊迫，特高壓交、直流輸電技術具有重要的推廣價值。

3 特高壓交直流輸電技術研究新進展

目前，正在進一步深入研究特高壓交直流輸電的新技術，主要包括：

（1）特高壓串補技術

采用串補技術，可減小線路阻抗，提高輸送能力和安全穩定水平。目前正在對特高壓試驗示范工程進行擴建，采用擴建主變、線路加裝串補（串補度40%）的擴建方案。

特高壓串補在世界上首次研制，前一階段對串補系統關鍵技術和設備研制等開展了大量的試驗研究工作，突破了170千安旁路開關、63千安保護間隙、高TRV耐受能力特高壓開關和系統集成等關鍵技術，建成了1:1真型串補平臺。

目前，特高壓串補已進入工程實施階段，計劃2011年12月投入運行。在特高壓串補技術取得突破以后，大電源基地外送輸電工程中將廣泛應用這一技術。

（2）大容量特高壓開關

額定電流6300安、額定短路開斷電流63千安的特高壓開關是后續特高壓工程用主力設備，屬世界首次研制。

為突破這一技術，我國在國際上率先建立了63千安特高壓開關的試驗能力，目前樣機已通過型式試驗，為后續特高壓工程應用這一新技術設備打下了堅實的基礎。

（3）特高壓升壓變壓器

能源基地大型發電機組通過特高壓升壓變壓器直接接入電網，有利于提高電源送出通道輸送能力，發揮特高壓大容量輸電的優勢。

特高壓升壓變壓器屬世界首次研制。國網公司會同五大發電公司，組織三大變壓器廠開展聯合攻關。目前，首臺樣機已通過型式試驗，代表了國際同類設備制造的最高水平。

（4）特高壓同塔雙回輸電技術

特高壓同塔雙回路的走廊寬度與兩個單回路相比，可以從140米下降至80米。結合后續特高壓輸電工程，對特高壓同塔雙回輸電的關鍵技術進行了深入研究，已攻克了過電壓絕緣配合、導線排列、雷電防護、潛供電流、桿塔設計等關鍵技術，已具備在后續特高壓輸電工程中推廣應用的條件。

（5）特高壓電網動態無功補償技術

動態無功補償技術能夠加強無功電壓支撐，提高輸電能力及受端系統的電壓穩定裕度，改善用戶的電壓質量。對特高壓電網中應用動態無功補償技術已開展深入研究。

研究結果表明，在直流換流站附近裝設一定容量的動態無功補償設備，可明顯提高嚴重故障情況下受端系統的電壓穩定性，改善多饋入直流系統的安安全性。

（6）特高壓可控高壓電抗器技術

采用可控高抗技術，能夠動態調整線路或母線高抗的電抗，從而動態補償輸電線路的容性充電功率，平衡無功分布，穩定系統電壓，解決長距離重負荷線路無功調節和過電壓抑制之間的矛盾。在暫態時也可限制系統過電壓、抑制潛供電流，提高系統暫態穩定性。

特高壓可控高抗在世界上屬首次研制，中國電科院、制造廠和高等院校集中攻關，現已全面突破系統集成、600MVAR可控高抗本體研制、3500安培大功率自冷式晶閘管閥研制、快速旁路開關研制、雙冗余控制保護研制等核心技術，設備研制工作正在進行之中，即將具備工程應用條件。

（7）±1100千伏特高壓直流輸電技術

±1100千伏特高壓直流輸電關鍵技術研究已取得重大進展，包括：主回路、過電壓及絕緣配合、系統運行方式及控制策略、主設備技術規范研究等等。

2011年5月±1100千伏特高壓直流輸電技術規范已正式發布，為全面開展設備研制和成套設計和試驗打下了堅實的基礎。根據“十二五”規劃，新疆準東—重慶將采用±1100千伏特高壓直流輸電技術，實現疆電遠距離、大規模外送。

（8）特高壓多端直流輸電技術

特高壓多端直流輸電技術研究已全面展開，主回路結構、主接線方式、過電壓及絕緣配合、系統運行方式及控制策略等試驗研究工作已取得初步成果。

在能源基地多個電源協調外送、向多個受端系統供電、以及在受端電網合理分散接入等方面具有應用價值，將提高特高壓直流輸電系統的靈活性和安全性。

隨著緊湊型、同塔多回、柔性交流和直流輸電新技術及其復合技術在特高壓電網中得到應用，以大容量、遠距離、節約走廊、降低損耗、保護環境、智能化為核心目標的特高壓交、直流輸電技術將得到全面發展，形成由先進的傳感測量、通訊、信息、計算機和控制等技術與物理電網高度集成的堅強智能電網，具有自愈、兼容、經濟、集成、優化等特征。

4 特高壓電網安全性研究

2004年以來，國家電網公司在大力開展特高壓技術創新過程中，同時建成了目前世界上最大的電網仿真系統，集中了我國著名的電力系統分析專家，多次聽取各方意見，采用基于數字仿真和數?；旌戏抡嫦嘟Y合的研究方法，反復論證，多方案對比，對我國電網規劃、電網構建方案和安全性開展了深入研究。

研究結果表明：

（1）500千伏電網不能滿足我國電源基地遠距離、大規模輸送的要求，無法解決多饋入直流帶來的受端電網安全穩定問題。主要表現為，交流系統對直流電壓支撐能力不足，系統發生故障會導致多回直流閉鎖，引發連鎖反應，造成大停電；不能解決多饋入直流穩定性與交流電網控制短路電流之間的矛盾，也無法克服500千伏輸電通道潮流轉移能力不足的本質問題。（2）華北—華中—華東采用特高壓同步電網方案，形成“強交強直”混合電網結構，直流饋入規模合理、受端電網支撐能力強，承受嚴重故障能力強，能夠保證多饋入直流系統的安全穩定運行，滿足我國《電力系統安全穩定導則》的要求。（3）建設特高壓電網，構建能源電力綜合運輸體系，滿足大型能源基地集約化開發要求，實現電力安全、經濟輸送，從根本上解決煤電油運緊張矛盾，擴大水電消納范圍，提高風電、太陽能等清潔能源消納能力，獲取錯峰、水火互劑、減少備用、減少棄水電量等諸多綜合效益，還可獲取節約占地、減少環境污染等社會效益。

目前，發展特高壓已納入國家“十二五”規劃綱要。在特高壓交、直流示范工程順利投運以后，通過總結經驗和深化研究，我國在特高壓技術研究、裝備制造和工程應用方面又取得了新的進展，推動國際特高壓輸電技術水平達到了新高度，為后續特高壓輸電工程建設奠定了堅實的基礎。