1 特高壓輸電技術 華北電力大學賈逸梅編 2 電網規劃與特高壓技術 一 電網的功能二 電壓等級的劃分三 我國電網的現狀 發展和未來四 建設特高壓電網的意義和必要性五 中國國家電網特高壓骨干網架六 特高壓電網的系統特性和經濟性七 特高壓輸電需研究的技術問題八 在特高壓輸電線路建設中主要采取的輸電新技術九 特高壓直流輸電的系統特性十 高壓直流輸電與特高壓交流輸電的比較 十一 特高壓變電站與特高壓電氣設備十二 城市電網建設的特點和方向 3 一 電網的功能 電能與其他能源不同 其主要特點是 不能大規模儲存 發電和用電之間必須實時保持供需平衡 輸電的功能是 將發電廠發出的電力輸送到消費電能的地區 或進行相鄰電網間的電力互送 使其形成互聯電網或統一電網 保持發電和用電或兩電網間供需平衡 配電的功能是 在消費電能的地區接受輸電網受端的電力 進行分配 輸送到城市 郊區 鄉鎮和農村 進一步分配和供給工業 農業 商業 居民用工業及特殊需要的用電部門 4 輸電功能由升壓變電站 降壓變電站及其相連的輸電線完成 所有輸變電設備連接起來構成輸電網 所有配變電設備連接起來構成配電網 輸電網和配電網統稱為電網 發電廠 輸電網 配電網和用電設備連接起來組成為一個集成的整體 這個整體被稱為電力系統 輸電網由輸電和變電設備構成 輸電設備主要有輸電線 桿塔 絕緣子串 架空線路等 變電設備有變壓器 電抗器 用于330kV以上 電容器 斷路器 接地開關 隔離開關 避雷器 電壓互感器 電流互感器 母線等一次設備和確保安全 可靠輸電的繼電保護 監視 控制和電力通信系統等二次設備 變電設備主要集中在變電站內 5 對于直流輸電 它的輸電功能由直流輸電線路的換流站的各種換流設備 包括一次設備和二次設備實現 輸電網一次設備和相關的二次設備協調配合是實現電力系統安全 穩定運行 避免連鎖事故發生 防止大面積停電的重要保證 6 二 電壓等級的劃分 輸電電壓一般分為高壓 超高壓和特高壓 高壓HV HighVoltage 220kV 額定電壓 35kV例如 電壓等級35 110 220kV 均為最大線電壓 超高壓EHV ExtraHighVoltage 1000kV 額定電壓 330kV例如 電壓等級330 500 750kV 均為最大線電壓 特高壓UHV UltraHighVoltage 額定電壓 1000kV例如 電壓等級1000 1200 1500kV 均為最大線電壓 7 高壓直流 HVDC 600kV級以下的直流輸電電壓 特高壓直流 HVDC 600kV以上的直流輸電電壓 我國高壓電網指 110kV和220kV電網 超高壓電網指 330kV 500kV和750kV電網 特高壓電網指 正在開發的1000kV交流電壓和 800kV直流電壓電網 8 三 中國電網的現狀 發展和未來 1 我國電網存在的問題 缺少合理的電網結構1970年后 很多地區逐步由孤立的110kV 220kV電網互聯形成220kV或330kV的全省乃至跨省電網 1970 1980年全國發生電力系統穩定破壞事故達210次之多 電網建設滯后于電源建設過去 長期以來 重發 電 輕供 電 所以造成電網建設投入不足 電網發展嚴重滯后 9 現有500kV電網輸送能力不能滿足大范圍電力資源配置和電力市場的要求 電力負荷密集地區電網短路電流控制困難 長鏈型電網結構動態穩定問題突出 受端網絡存在多直流集中落點和電壓穩定問題2 我國電網的現狀目前我國電網架構是以220kV 330kV 500kV交流輸電和幾條500kV直流輸電線路為骨干網架 10 全國已形成5個區域電網和南方電網 其中 華東 華北 華中 東北4個區域電網和南方電網已經形成了500kV的主網架 西北電網在330kV網架的基礎上 第一條750kV官亭一蘭州東輸變電示范工程已于2005年9月26日建成投運 西電東送也已形成了北中南三大送電通道 北通道已經形成由山西 蒙西向京津塘和河北南網送電的9回500kV線路 中通道由2條士500kV直流線路構成 南通道已形成 三交二直 5條送電通道 11 全國各大區域電網之間目前聯網線路達到 三交三直 6條聯網線路 即連接華中 華東的2條500kV直流線路 連接東北 華北的雙回500kV交流線路 連接華北 華中電網的1條500kV交流線路 連接華中與南方電網的1條士500kV直流線路 全國聯網規模達到4 3億kw 交流同步網規模達到2億kw 就此 西電東送 南北互供 全國聯網的格局已經初步形成 12 3 我國電網的發展和未來 電網的發展十一五 期間 我國將實施7個跨省大區電網之間以及大區電網與5個獨立省網之間的互聯 到2010年前后 建成以三峽電網為中心連接華中 華東 川渝的中部電網 華北 東北 西北三個電網互聯形成的北部電網以及云 貴 廣西 廣東4省區的南部聯合電網 同時 北 中 南三大電網之間實現局部互聯 初步形成全國統一的聯合電網的格局 13 在我國 特高壓電網是指1000kV交流和土800kV直流電壓等級的輸電網絡 預計2010年前后國家電網特高壓骨干網架將初步形成 但國家電網特高壓骨干網架建設是一個逐步完善的過程 14 電網的未來國家電網公司擬計劃在2020年前后要形成交流高壓 四橫六縱 多受端的網架 四橫 是指形成西起四川 關中 陜北 蒙西4個水火電基地 東部落點到上海 江蘇中部以及北部和山東的4條橫向通道 六縱是指形成北起寧夏陜北 蒙西 北京 唐山 山東青島 南到重慶 湖北 長沙 南昌 南京和福州的6條縱向通道 多受端是指交流特高壓在華北 華中 華東和陜西負荷中心地帶形成堅強有力的環網結構 15 四 建設特高壓電網的意義和必要性1 建設特高壓電網是資源優化配置 提高社會綜合效益的重要途徑我國一次能源分布又極不均衡 從煤炭資源看 三分之二以上分布在山西 陜西和內蒙古西部 根據現階段的電煤運輸成本 以及煤炭基地與負荷中心的距離 提出了輸電與輸煤并舉的方針 形成以特高壓電網輸電 鐵路運輸大通道為支撐 相互補充 分工合理的能源運輸方式 16 圖1我國煤炭資源分布示意圖 17 18 從水力資源看 90 以上集中在京廣鐵路以西 西部12個省區占有全國的79 3 特別是四川 西藏和云南就占57 而東部沿海12個省市只占8 9 西部能源基地與東部負荷中心距離在500km至2000km左右 2020年之前 金沙江的溪洛渡 向家壩 白鶴灘 烏東德4個梯級電站共計3800多萬kW水電以及四川另外有2400萬kW水電均需送往華中和華東 貴州送廣東電力也在1000萬kW以上 云南水電送廣東規模在2000萬kW以上 19 圖3中國水電基地示意圖 20 2 建設特高壓電網可以克服因環境容量的制約對發展煤電的限制從環保角度看 也需要開辟我國能源傳輸的新途徑 3 建設特高壓電網有利于優化我國電網和電源布局 促進電力工業整體協調發展長期以來 重發 電 輕供 電 造成電網建設投入不足 電網發展嚴重滯后 4 建設特高壓電網可以提高電力和社會綜合效益5 建設特高壓電網可以減少輸電線路走廊回路數 節約大量土地資源一般來說 1回1150kV輸電線路可代替6回500kV線路 采用特高壓輸電提高了走廊利用率 6 建設特高壓電網是建設堅強的國家電網 培育和發展國家級電力市場的重要條件7 建設特高壓電網是帶動電工制造業技術升級的重要機遇 21 根據我國2010 2020年用電量預測和裝機規劃 到2015年我國可形成一個聯接華北 華中 華東地區的交流特高壓同步電網 從能源需求 煤炭運輸緊張及環境容量制約以及電網發展的角度來看 我國特高壓電網發展具有廣闊前景 22 五 中國國家電網特高壓骨干網架 1 國外大電網和特高壓輸電技術的狀況國外大電網目前世界上的大電網有3種類型 統一電力系統 統一規劃和建設 統一調度和運行的電力系統 聯合電力系統 指協調規劃 并按合同或協議調度的電力系統 互聯電網 大電網之間 國家之間以少量聯結點同步互聯 國外特高壓輸電技術美國 對1000 1500kV交流電氣設備以及1km試驗線段進行了大量研究工作 但至今也沒有建設1000kV試驗工程 23 前蘇聯 從70年代末開始建設1150kV輸電工程 1985年建成 全長900km 按1150kV電壓投入運行 至1994年已建成特高壓線路全長2634km 在1991年 由于前蘇聯解體和經濟衰退 電力需求明顯不足 導致特高壓線路降壓至500kV運行 日本 以1000kV作為特高壓系統的標稱電壓 目前已建成全長426km的東京外環特高壓輸電線路 意大利 1995年10月建成了1050kV試驗工程 至1997年12月 在系統額定電壓 標稱電壓 1050kV電壓下進行了2年多時間 取得了一定的運行經驗 24 2 國內特高壓電網發展方向 總體規劃思路 交流特高壓定位于更高一級電壓等級的網架建設和遠距離大容量跨大區聯網送電 中間分段 兼顧沿線電源匯集或負荷分配的要求 并從500千伏電網獲取電壓支撐 800千伏級直流特高壓定位于我國西部大水電基地和大煤電基地的超遠距離大容量外送 25 近期特高壓電網的發展 解決好1000千伏骨干通道與500千伏跨省聯絡線的過渡配合問題 中長期特高壓電網的發展 要優化電源布局 要建立合理的1000千伏電網結構 要實現與各電壓等級電網的有效銜接 從長遠看 2010年前后 縱貫南北的百萬伏級輸電通道將把華北和華中緊密聯系起來 到2020年前后 國家電網特高壓骨干網架基本形成 國家電網跨區輸送容量將達到2億千瓦以上 占全國裝機總容量的20 以上 26 3 特高壓電網的基本功能 國家特高壓電網可為實現跨大區 跨流域水火電相互補給 為全國范圍內能源資源優化配置提供充分支持 以滿足我國國民經濟發展的需求 國家特高壓電網應滿足大容量 遠距離 高效率 低消耗地實現 西電東送 南北互送 的要求 國家特高壓電網應滿足我國電力市場交易靈活的要求 促進電力市場的發展 國家特高壓電網應具有堅強的網絡功能 具有電網的可擴展性 可靈活地適應遠景能源流的變化 國家特高壓電網的網架結構應有效解決目前500kV電網存在的因電流密度過大引起的短路電流過大 輸電能力過低和安全穩定性差等系統安全問題 27 六 特高壓電網的系統特性和經濟性1 特高壓電網的系統特性特高壓電網的系統特性和超高壓電網一樣 一般認為 主要是系統參數特性和電力系統穩定特性 輸電線路輸送功率與輸電電壓和電流的乘積成正比為了輸送更大的功率 特高壓輸電線路通過的電流一般比超高壓輸電線路通過的電流大 特高壓輸電線路一般采用8 10分裂導線 分裂導線直徑一般在1100mm左右 28 導線等效截面增大 有利于減少對輸電線路周邊的電磁環境的影響 導線等效截面增大 輸電線路的電阻 和電抗 km 都減少了 特高壓輸電線路單位長度的電阻和電抗一般分別約為500kV輸電線路的25 和85 但特高壓輸電線路單位長度的電納 可為500kV輸電線路的1 2倍 29 遠距離輸電線路的輸電能力與輸電電壓平方成正比 與線路阻抗成反比 P 3UICON 3U2 RCON 1000 1100 kV的輸電能力為500kV輸電能力的4倍以上 但產生的容性無功也約為500kV輸電線路的4 4倍以上 因線路的等效電容產生的無功與電壓平方和電納成正比 圖4電源阻抗對空載長線路電容效應的影響圖5裝有并聯電抗器的線路 30 輸電線路的功率損耗與輸電電流平方成正比 與線路電阻也成正比 在輸送相同功率的情況下 1000 1100 kV輸電線路的線路電阻約為500kV輸電電阻的25 因此 1000 1100 kV特高壓輸電線路單位長度的功率損耗約為500kV超高壓輸電線路的1 16 遠距離特高壓輸電線路的輸電能力受到兩個因素的限制 即受電力系統功角穩定 也就是受電力系統靜態穩定 暫態穩定和動態穩定的 限制 又受電壓穩定的限制 31 發電機的內部電抗和超高壓 特高壓變壓器的阻抗是隨其容量的增加有增大的趨勢 對特高壓輸電來說 發電機 變壓器的阻抗之和占特高壓輸電系統總阻抗的比例比超高壓輸電系統的大 因而 發電機 變壓器的阻抗對電力系統穩定及其由穩定性決定的特高壓輸電能力的影響比超高壓輸電大 因此 在送 受端系統強度不變的情況下 僅僅通過增加特高壓輸電線路的回數來提高輸電的能力是非常有限的 加強受端系統 可以在一定程度上提高超高壓 特高壓線路的輸電能力 但是 不加強送端系統僅僅加強受端系統 線路輸電能力的提高也是有限的 32 2 特高壓輸電的經濟性有資料表明 以輸送10GW的電力為例 如用1000kV電壓等級 只需一回線路 走廊寬約為56m 而用500kV電壓等級的輸電線路 則需6回 總的走廊寬度約為228m 33 34 七 特高壓輸電需研究和解決的技術問題 1 特高壓輸電的關鍵技術 特高壓電暈效應電暈放電是決定特高壓導線包括導線數及其結構的決定性因素 特高壓絕緣及要求特高壓的過電壓決定絕緣系統設計和絕緣水平 特高壓電網及其設備的絕緣水平直接影響成本和可靠性 電磁場及其影響對特高壓輸電的電磁場強度限制要求 決定了輸電鐵塔的高度和線路走廊寬度等 直接影響建設成本 同時影響輸電線路下的生態安全問題和環境問題 35 2 實施特高壓輸電重點要解決的問題 無功平衡需重點研究可控電抗器的技術要求 參數及對潛供電流和工頻 操作過電壓的作用 消除潛供電弧需研究高速接地開關的技術要求 參數 圖6潛供電流示意圖 36 過電壓限制及絕緣配合重點研究新措施降低特高壓系統過電壓至一個較低水平 使絕緣配合中特高壓設備對內過電壓的要求降低 串聯電容補償特高壓系統的串聯補償裝置及相關參數和技術要求 37 外絕緣 特高壓線路和變電站中各種電極結構空氣間隙的放電特性 各類送 變電設備外絕緣的放電特性 不同海拔高度下的海拔修正系數等需結合我國特點試驗研究 特高壓線路的防雷 防污 帶電作業也需結合沿線路的雷電活動情況 土壤電阻率情況 污源分布狀況 專題研究合理的絕緣配合原則并結合我國的帶電作業方式 工具特點研究最小安全距離和組合間隙 為設計 運行維護提供技術依據 特高壓設備 38 八 在特高壓輸電線路建設中主要采取的輸電新技術1 高壓交流輸電在長距離線路的運行中存在的缺點 在長距離的交流高壓輸電過程中 仍然存在著相當的能量損耗 在一個電網中 要求所有的發電機保持同步運行并且有足夠的穩定性 需要大量的輔助設施來保證電網系統的平衡 39 傳統的交流電網的參數 阻抗 電壓 相位等 是不能大幅度連續調節的 而實際運行中的電力潮流分布又是由電路參數決定的 因此 電網內部線路及聯絡線 根據運行中的實際潮流分布 被迫在遠低于線路額定輸送容量下運行 這樣對于一部分線路有電送不出 而另一部分線路卻無電可送 交流高壓輸電線路會產生電磁干擾 對鄰近的通信線路和廣播電視信號甚至對人體都會有不利影響 40 2 采取的輸電新技術 靈活交流輸電通過利用大功率電力電子器件的快速響應能力 實現對電壓 有功潮流 無功潮流等的平滑控制 高壓直流輸電在同等輸送功率的情況下 直流輸電線路的占地面積只是交流輸電線路的一半 高壓直流輸電不存在系統穩定性問題 輕型直流輸電系統 緊湊型輸電技術緊湊型輸電線路的單位走廊寬度的自然傳輸功率可以達到高一級電壓等級的常規型輸電線路自然傳輸功率水平 高溫超導輸電與常規電纜相比 高溫超導電纜具有體積小 重量輕 損耗低和傳輸容量大的優點 利用它 可以大大降低電力系統的損耗 提高電力系統的總效率 實現大容量輸電 41 九 特高壓直流輸電的系統特性 特高壓輸電中 交流為1000kV 直流 800kV 800kV特高壓直流輸電 主要用于遠距離 中間無落點 無電壓支持的大功率輸電工程 特高壓流直流電網的系統特性主要反映在技術特點 輸電能力和穩定性三方面 42 1 高壓直流輸電系統的構成高壓直流輸電系統包括兩個換流站和直流線路 送端進行整流的場所叫整流站 受端進行逆變的場所叫逆變站 它們統稱為換流站 直流輸電的系統結構可分為兩端直流輸電系統 只有一個整流站和一個逆變站 它與交流只有兩個連接端口 多端直流輸電系統 有三個或三個以上的連接端口 43 1 換流變壓器 2 換流器 3 平波電抗器 4 交流濾波器 5 靜電電容器 6 直流濾波器 7 控制保護系統 8 接地極線路 9 接地極 10 遠動通信系統圖7兩端直流輸電系統構成原理圖 44 2 高壓直流輸電狀況 國外高壓直流輸電的應用概況 45 我國高壓直流輸電的應用概況 我國的葛洲壩 上海500kV雙極聯絡直流輸電工程1989年投運 額定容量為1200MW 輸電距離為1080km 天生橋 廣州500kV直流輸電線路全長980km 額定輸送功率1800MW 此外 三峽 華東兩回直流輸電方案已審定 2007年4月26日 正式核準建設四川復龍至上海南匯的 800kV特高壓直流示范工程 線路長約2034km 額定輸電容量為6400MW 3 特高壓直流輸電需要研究和解決的主要的問題 直流場過電壓及絕緣水平的確定 46 主接線問題 見圖7 關鍵元件的參數確定 特高壓直流輸電建設的環境問題 工程建設的標準4 特高壓直流輸電接線方式 47 圖8每極一組12脈動換流器原理接線 單極 48 5 特高壓直流設備 換流閥 換流變壓器 平波電抗器 直流濾波器 直流避雷器 直流絕緣子和套管 49 十 高壓直流輸電與特高壓交流輸電的比較1 直流輸電的優點 從經濟方面考慮a 線路造價低b 年電能損失小 從技術方面考慮 a 不存在系統穩定問題b 限制短路電流 50 c 調節快速 運行可靠 d 沒有電容充電電流e 節省線路走廊2 直流輸電存在的問題 換流裝置較昂貴 消耗無功功率多 產生諧波影響 缺乏直流開關 不能用變壓器來改變電壓等級 51 3 特高壓交流輸電的優點 特高壓交流輸電可以提高電能傳輸容量和傳輸距離 提高電能傳輸的經濟性 節省線路走廊4 特高壓交流輸電的主要缺點 系統的穩定性和可靠性問題不易解決 特高壓交流輸電對環境影響較大5 兩種技術在我國的發展前景 2020年前 直流輸電應用于以長距離大容量輸電為目的的大區電網互聯 52 在現階段 特高壓輸電技術儲備不足 沒有成套成熟的技術 而直流輸電在可控性 隔離故障及運行管理等方面占有許多優勢 特別是采用直流聯網時兩網之間的波動互不干擾 穩定性很高 因此 在未來20年 直流輸電將作為長距離大容量輸電的主要方式和500kV交流網架的強化措施 以便在無更高一級交流電壓輸電線路時形成大區電網互聯 到2050年 交流特高壓電網將作為全國聯網的主網架 全國聯網必是多端網絡 采用特高壓交流輸電線路 形成以三峽電網為中心的全國電網互聯的格局 這是全局 特殊情況下局部可用直流聯網或背靠背直流聯網 53 十一 特高壓變電站與特高壓電氣設備 1 特高壓變電站 變電站的任務a 提高輸電電壓 減少電能損失 b 降低電壓 分配電能 c 集中電能 控制電力流向 d 調整電壓 提高電壓質量 滿足用戶的要求 特高壓變電站的電氣主接線 54 一般采用一個半斷路器的主接線比較合適 它可以保證較高的可靠性 每條出線上總有兩個斷路器 如果進出線回路數較多 還可以采用三分之四斷路器接線 在變電站建設初期 出線數目較少時 也可采用三角形接線過渡或環形接線方式 特高壓變電站配電裝置a 戶外敞開式配電裝置b 戶外氣體絕緣金屬封閉配電裝置 55 2 特高壓電氣設備 特高壓電力變壓器特高壓電力變壓器的特點a 容量很大b 絕緣水平高c 由于容量大和絕緣水平高 其體積和重量必然很大 d