電網中遠期發展展望
——先進輸電技術及裝備

/中國電力科學研究院副院長 高克利/

電網中遠期發展展望
——先進輸電技術及裝備

/中國電力科學研究院副院長 高克利/

一、現狀分析

（一）輸電技術

（1）特高壓輸電技術

截止2016年底，國家電網公司的特高壓工程已建成投運11個、在建（包括核準）7個，共18個，其中特高壓交流工程7個，特高壓直流工程11個，線路總長度達2.4萬km。

世界上電壓等級最高、輸送容量最大、輸送距離最遠、技術水平最先進的準東-皖南±1100kV特高壓直流輸電工程正式開工建設。

（2）先進架空輸電技術

緊湊型輸電技術：近年緊湊型輸電技術取得重大成果，在各電壓等級推廣應用，成效顯著。

同塔多回輸電技術：我國已建成750kV、1000kV同塔雙回輸電線路，同塔多回輸電技術是今后電網建設發展的必然趨勢。

柔性交流輸電技術：柔性交流輸電技術的優越性已在輸電工程應用中得到證明，如果核心部件造價進一步降低，將會在不遠的將來比常規的輸配電方案更具競爭力。

（3）電纜輸電技術

“十二五”期間，500kV交流電纜及附件、320kV直流電纜及附件均實現國產化，并投入運行；超長220kV海底電力電纜及附件研究開發取得突破，得到工程應用；中國首條冷絕緣高溫超導電纜系統在寶山鋼鐵股份有限公司投入實際供電線路。

直流±200kV 1×1000海底電纜MMJ剖切照片

（4）氣體絕緣管道輸電技術

美國AZZ生產的GIL已成功應用于黃河拉西瓦水電站交流800kV送出工程。我國已經成功研制了1100 kV GIL管道，在特高壓淮南-南京-上海工程中開展替代GIS母線的試用，積累了寶貴經驗，已啟動泰州-蘇州隧道安裝GIL跨江工程的應用工作。

GIL三柱絕緣子結構

（5）其他新型輸電技術

超導輸電技術：高溫超導電纜、限流器、變壓器和電動機已進入示范試驗運行階段，高溫超導磁儲能系統也有相應的試驗樣機問世。

半波長輸電技術：我國正在開展半波長輸電關鍵技術研究。

多相輸電技術：湖南大學在已研制成功的三相變四相及四相變三相變壓器的基礎上，提出了四相輸電的方式。

分頻輸電技術：西安交通大學研究組利用電力系統動態模擬設備，在實驗室條件下實現了分頻輸電。

微波輸電技術：20世紀初期，美國開始系統研究用微波傳送能量，主要應用領域是太陽能衛星發電站和飛機接收無線電力等。

激光輸電技術：美國航天局正致力于研究利用激光給太空航天器輸送電能的研究，并經試驗取得了一定的進展。

（二）輸變電裝備技術

（1）變壓器

“十二五”期間，我國變壓器類裝備研制取得顯著進步：

1）1000MVA特高壓變壓器實現兩柱結構，單柱容量達500MVA；研制出單臺容量1500MVA樣機，并實現局部解體和全部解體不同方式。

1500MVA特高壓變壓器樣機

2）特高壓電抗器實現單柱320Mvar的提升，成功研制出可控特高壓電抗器樣機。

3）特高壓出線裝置成功實現國產化。

4）±800kV特高壓換流變壓器（高端）通過消化吸收，實現國產化。

5）研制成功110～500kV智能化變壓器樣機。

智能變壓器示意圖

6）完成10.5kV/1.25MVA高溫超導變壓器研制，并開始掛網運行。

（2）開關

1）1100kV/6300A/63kA 特高壓交流SF6GIS開關實現國產化。

63kA斷路器結構

2）1100kV特高壓交流旁路開關、旁路負荷隔離開關研制成功。

3）24kV/25000A/160kA 大容量SF6發電機斷路器成套裝置成功實現自主研制。

SF6發電機斷路器成套裝置結構形式

4）±800kV直流轉換開關、±200kV直流斷路器成套裝置研制成功。

5）363kV集成式智能隔離斷路器成功實現自主研制。

（3）套管

1）自主研制出1000kV特高壓交流膠浸紙油——SF6套管、油浸紙油——SF6套管。

2）±1100kV特高壓直流“V”形結構純SF6氣體絕緣穿墻套管樣機研制成功。

3）自主研制出±800kV膠浸紙換流變閥側套管、±800kV油浸紙換流變閥側套管樣機。

油浸紙油——SF6套管

膠浸紙換流變閥側套管

（4）其他設備

1）串聯電容器補償裝置：成功投入運行的世界上首套特高壓串補裝置，額定電流達5080A、額定容量達1500Mvar。

2）避雷器：交流1000kV、超/特高壓直流避雷器、交流1000kV及直流±800kV、±1100kV直流線路避雷器研發取得重大進步；完成特高壓交流開關型可控避雷器關鍵技術研究，提出了線路差異化防雷措施。

3）互感器與電容器：特高壓罐式電容式電壓互感器掛網試運行；電子式互感器可靠性有了很大提高，商業試運行已延伸至500～750kV智能變電站；110kV高壓并聯電容器技術也取得顯著進步。

4）絕緣子：1000kV級瓷支柱絕緣子和復合支柱絕緣子成功應用于我國特高壓交直流工程。550kN大噸位盤形懸式瓷和玻璃絕緣子全部國產化；840kN大噸位絕緣子研制成功并開始試運行；交流1000kV和直流±800kV棒形懸式復合絕緣子研制成功并大量應用于特高壓工程；1000kN更大噸位的棒形懸式復合絕緣子首次研制成功；550kN特高壓復合絕緣子開始試用于耐張串。

串聯電容器補償平臺

特高壓避雷器

罐式電容式電壓互感器

（5）設備智能化

隨著我國智能電網發展，提出一次電力設備、二次控制設備以及電子傳感設備一體化設計、一體化試驗、一體化交付運行的理念，獲得了以下進展。

1）自主研制成功110～500kV智能電力變壓器樣機，并在智能電網工程中示范應用。

2）實現126～363kV集成式智能隔離斷路器的國產化研制，滿足系統高度集成、結構布局合理、裝備先進適用、經濟節能環保的要求。

3）研制成功110～800kV智能化開關設備（GIS），智能開關設備得到了大范圍的運行。

二、技術愿景及分階段目標

全球能源格局正在發生深刻變化，能源結構加快調整，清潔能源發展加快，多元化、清潔化和低碳化趨勢明顯。為了適應能源需求，需要全球能源互聯和能源大范圍的配置轉移。技術創新是構建全球能源互聯網的前提，特高壓電網技術是關鍵，智能電網技術是基礎，清潔能源發電技術是重點。

（一）技術需求

（1）更高電壓等級輸電技術及輸變電裝備的研究

全球能源互聯對高效輸電的需求。

（2）輸電方式的技術提升

新能源比例增加和電網柔性可控的需求；交直流混聯大電網潮流控制困難的需求；超/特大城市及區域城市化建設的需求。

（3）輸變電裝備的技術提升

智能電網的快速發展；特高壓工程的規?；ㄔO。

（二）總體愿景

1）掌握低耗、高密度柔性交直流輸電技術，支撐多電壓等級混聯交直流輸電網工程應用。

2）掌握各電壓等級高可靠/環保型GIL和電纜技術，提升管廊輸電能力和可靠性。

3）提高輸變電設備的靈活可控性和節能環保水平，實現智能化和環保化變電設備普遍應用。

（三）遠期技術愿景

（1）特高壓輸電技術

1）特高壓交流輸電技術：新一代特高壓交流輸電技術需能應對更復雜的電網運行條件。

2）±1100kV直流輸電技術：依托±1100千伏準東-華東特高壓直流輸電工程，開展關鍵技術研究、核心裝備研發和成套設計，全面實現國產化。

3）±1500kV直流輸電技術：突破±1500kV直流輸電過電壓水平與絕緣配合、外絕緣特性和電磁環境控制等關鍵技術。研制出±1500kV換流變壓器、平波電抗器、套管、換流閥及控制保護成套設備等核心裝備。

（2）高可靠性/環保GIL輸電技術

1）研究城市綜合管廊構建技術、新型盾構技術，研究新型填充物GIL技術等，滿足城市供電大容量和環保要求。

2）在特高壓GIL方面，提高經濟性，包括：采用專用絕緣件，簡化管道單元結構，采用混合氣體來代替SF6，采用現代管道鋪設技術降低鋪設成本，與交通隧道、橋梁和輸氣管道等統一規劃以提高走廊利用率等。

（3）新型電纜輸電技術

1）基礎材料國產化取得突破，實現交流220kV、直流±500kV熱塑性聚丙烯電纜絕緣材料的產業化。

2）提高國產XLPE高壓電纜絕緣材料性能，開展500kV XLPE電纜絕緣材料的研發，推進電纜絕緣材料國產化。

3）開展±500kV直流海底電纜、750kV交流、±800kV直流電纜及附件研制，進一步提高材料的耐電強度的基礎研究，開發高耐電強度的電纜絕緣材料。

（4）輸變電裝備技術

1）特高壓變壓器：解決單柱容量由500MVA容量向更高容量提升所帶來的磁、熱等問題；研制±1100kV及以上特高壓換流變壓器，并提高關鍵組件國產化率。

2）特高壓開關：研制出額定短路開斷電流80kA斷路器；提升GIS絕緣設計的可靠性；實現小型化特高壓GIS研制及工程應用。

3）特高壓套管：打破國外壟斷，研制出±800kV、±1100kV、±1500kV的穿墻套管和換流變閥側套管。

4）高溫超導變壓器：突破低損耗超導復合導體制備、大口徑玻璃鋼杜瓦制作、長壽命低溫制冷系統構造等關鍵技術，實現大容量高溫超導變壓器研制與工程示范。

5）設備智能化：研制自適應可調參數的電力變壓器，掌握110kV/31500kVA及220kV/63000kVA電力變壓器短路阻抗、容量、冷卻系統控制等多參數自動調節技術，研制產品樣機；實現傳感器技術、數字技術、網絡技術和通訊技術融合，全面實現基于變壓器狀態在線監測的調度輔助決策功能。

（5）直流輸電網技術

1）如果高壓直流斷路器有所突破，未來遠距離、大容量輸電將以直流為主；

2）研究特高壓、大容量的高可靠性特高壓柔性直流輸電技術；

3）研制電網直流斷路器、直流變壓器、直流潮流控制器和直流電網控制保護系統核心裝備；

4）研究多電壓等級混合直流輸電網關鍵技術。

（6）環保型開關設備

環保型開關設備主要研究方向包括新型SF6替代技術，真空介質在高電壓等級開關設備的應用，固體絕緣、環保型氣體絕緣開關柜產品研制，新型可循環使用或快速降解絕緣材料在中壓開關設備中的推廣應用。

（7）超前創新性基礎技術

1）多相輸電：在輸送相同容量電能的前提下節約出線走廊面積，降低總體工程造價。

2）分頻輸電：利用分頻（50/3Hz）來降低系統電抗，從而可成倍提高系統傳輸容量，顯著改善系統運行特性。

3）微波輸電：傳送的功率較為有限，能量轉換的效率較低，設備的制造難度較大，有待進一步深入研究。

4）激光輸電：優點是對電氣絕緣沒有要求，傳送準確，可遠距離輸送電能，缺點是電功率與光之間的相互轉換效率較低，且伴隨有較強的電磁輻射。

（四）分階段目標

（1）輸電技術中期目標

1）掌握各電壓等級高可靠性環保GIL技術，提升管廊輸電能力和可靠性；

2）掌握±800kV 直流電纜及附件關鍵技術，生產出樣品并通過試驗檢測；

3）環保型聚丙烯絕緣高壓、超高壓交直流電纜取得技術突破；

4）實現多相、分頻、無線等超前性、概念性輸變電技術在基礎理論和應用方面的突破。

（2）輸電技術遠期目標

1）實現超導交直流電纜輸電技術的工程應用；

2）多相、分頻、微波、激光等超前性、概念性輸變電技術部分實現工程應用。

三、關鍵技術的實現路徑

（一）關鍵技術

（1）輸電關鍵技術

（a）電氣性能

1）為了滿足±1 1 0 0 k V、±1500kV直流輸電技術的需求，過電壓水平與絕緣配合、外絕緣特性和電磁環境控制等關鍵技術亟待掌握；輸變電裝備亟待研制。

2）為了滿足特高壓同塔多回、特高壓緊湊型、特高壓交直流同塔輸電技術的需求，尤其是在高海拔地區的應用，線路的外絕緣設計問題將是未來輸電技術中需要攻克的難題。

3）為了滿足高電壓、高海拔、高污穢輸電線路的需要，為了減少塔頭尺寸以節約造價，未來的輸電線路的復合絕緣子使用量將更大。為了進一步提高復合絕緣子的性能，需要研究傘裙護套具有超級憎水性的復合絕緣子，包括用納米材料改性復合絕緣子的關鍵技術。

4）為了實現2050年的愿景，保證特高壓、緊湊型、同塔多回、電纜、氣體絕緣管道、超導等輸電技術的規?；瘧煤涂煽窟\行，需要在電氣性能、安全運行和材料等方面開展相應的關鍵技術研究。

5）為了保證線路監測信號的傳輸，隨著光電式互感器、光纖復合導線的發展，需要研究可靠的光纖絕緣子。

6）為了實現超導輸電、無線輸電等新型輸電技術的工程應用，需要研究新型輸電線路與傳統線路交直流同塔、同走廊布置時的綜合效應，研究輸電走廊中的復雜混合電場和磁場相互影響下的電磁環境測量、評價指標、預測與控制技術。

（b）安全運行

1）未來線路電壓等級高、塔形高，防雷的問題將比較嚴重，需要研究線路避雷器的優化應用關鍵技術并降低線路避雷器的造價。

2）為了保護絕緣子，減少檢修的工作量，需要研究絕緣子并聯間隙的關鍵技術。

3）研究新型沖擊接地降阻材料和應用關鍵技術。

4）研究抵御線路覆冰、舞動，防冰、防舞動的關鍵技術和設備。

5）隨著輸送容量的增加，單位走廊內的輸送容量越來越大，部分走廊狹窄地區可能出現集上千萬千瓦為一塔的巨型桿塔。在這種情況下，極端自然災害或者戰爭等突發事件很可能對電力供應造成極大沖擊，線路的可靠性值得研究。

6）為了滿足特高壓同塔多回、特高壓緊湊型、特高壓交直流同塔輸電技術的需求，尤其是在山區、大跨越地區，線路的防自然災問題將日益突出。

（c）基礎材料

1）為了滿足大容量輸電，節約輸電走廊，需要深入研究耐熱鋁合金導線、鋼芯軟鋁絞線和復合材料芯導線制造和應用關鍵技術。

2）為了滿足降低電磁環境，尤其是電暈損耗、電阻損耗、無線電干擾和可聽噪聲等方面的要求，需要研究大截面導線和擴徑導線制造和應用關鍵技術。

3）為了滿足線路監測信號的傳輸，需要研究光纖復合地線和光纖復合導線制造和應用關鍵技術。

4）為了滿足節約輸電走廊的需要，特別是在市區和跨江線路（與大橋和隧道相結合）中，電纜輸電和氣體絕緣管道輸電會被大量采用。需要研究高壓交聯聚乙烯電纜和氣體絕緣管道輸電的制造、應用和維護關鍵技術。

5）在超導輸電方面，需要研究超導材料、低溫材料、電纜制造、應用和維護關鍵技術。

（2）輸變電裝備關鍵技術

1）為了實現遠期愿景，保證大容量、低損耗、小體積、環境友好、智能化輸變電裝備的大規模應用和可靠運行，需要在電氣、材料、機械和智能化等方面開展相應的關鍵技術研究。

2）為了全面實現輸變電裝備制造的國產化，開展材料、工藝、設計技術等設備制造的基礎、理論性研究。

3）在變壓器方面，對特高壓、大容量變壓器、HVDC換流變壓器應給與充分重視；對變壓器鐵心材料也應作深入研究；研究巨型變壓器的現場組裝技術。

4）在互感器方面，可靠性和電磁兼容、智能互感器的校驗技術、互感器接口的標準化、全光型智能式互感器傳感單元的穩定性、傳統互感器的數字化改造等技術將是關鍵技術。

5）在開關方面，如下四方面的技術將是關鍵：高電壓、大電流開斷技術；環境友好技術；智能控制，選相分合閘，高速驅動，滿足高操作性能、低操作過電壓、高可靠性等要求的技術；新型快速開關及其成套裝置技術。

6）為了實現SF6替代，需要研究新型環保氣體（三氟碘甲烷、八氟環丁烷、C4和C5等）及其混合氣體的設計制備、特性研究、試驗檢測和回收處理等關鍵技術，為設備應用打好基礎。

（二）實現路徑

關鍵技術的順利實現是以基礎理論研究的突破為前提的，其核心是復雜條件下的絕緣和新材料問題的解決。

在絕緣方面，需要研究長間隙、混合電場下的內絕緣和外絕緣。在新材料方面，需要研究新型導電材料（含超導）、導磁材料、絕緣材料、高強度材料、耐熱材料及以上材料的混合體等。除此以外，新型傳感設備、數據采集設備，數據傳輸設備的發展也將為輸電技術提供更可靠、更經濟、更智能的手段。

（本文根據作者在中國電器工業協會五屆三次理事會報告會的講話整理。）