概述
输电电压一般分为高压、超高压和特高压。特高压输电包括特高压交流输电和特高压直流输电两种形式。国际上高压通常指35～220kV的电压;超高压通常指330kV及以上、1 000 kV 以下;特高压指1000kV及以上的电压。在我国,特高压指的是1 000 kV交流和±800 kV 直流电压等级。特高压输电是一种输电能量更大、输电距离更远的新的输电方式。特高压交流主要定位于近距离大容量输电和更高一级电压等级的网架建设, 特高压直流主要定位于送受关系明确的远距离大容量输电以及部分大区、省网之间的互联。
技术原理
特高压交流输电技术：
①输送容量大：自然功率是交流输电线路送电能力的一项重要指标,与电压平方成正比,该阻抗与波阻抗成反比。1 000 kV交流线路的电压是500 kV线路的1倍,波阻抗一般也较低,因此输电能力大幅度提高,自然功率约为500 kV线路的5倍,接近5 000MW。
②送电距离长：电网中两节点之间的电气距离可以用归算到某一电压的等效串联阻抗值来表示,与线路电压平方成反比,与线路长度及单位阻抗成正比。电气距离越短,说明电气联系越紧密,稳定水平越高。采用1 000 kV交流特高压输电,其电气距离不到同长度500 kV输电线路的1 /4,可提高系统的稳定水平。换言之,在输送相同功率的情况下,1000 kV线路的最远送电距离可以达到500 kV线路的4倍。
③线路损耗低：线路电阻损耗是影响电网经济运行的一项重要指标,它与线路电阻及线路电流平方成正比。在导线总截面、输送容量均相同的情况下, 1 000 kV交流线路的电阻损耗是500 kV交流线路的1 /4。
⑤工程投资省：采用特高压输电技术,可以节省大量导线和铁塔材料,从而降低建设成本。根据有关设计部门的计算, 1 000kV交流输电方案的单位输送容量综合造价约为500 kV输电方案的73%,节省工程投资的效益显著。
⑥走廊利用率高：对于1 000 kV交流特高压输电,考虑电磁环境影响后,典型的同塔双回和猫头塔单回线路的走廊缓冲区宽度分别为75 m和81 m,单位走廊输送能力分别为133MW /m和62MW /m,约为同类型500 kV线路的3倍。特高压输电技术的应用,可大大提高输电走廊利用率,节省土地资源。
⑥联网能力强：通过交流特高压同步联网,可大幅度缩短电网间的电气距离,加强电气联系,提高稳定水平,充分发挥大电网互联的水火互济、错峰、跨流域互补、减少系统装机备用容量等各种联网效益。利用特高压联网,增强网间功率交换能力,可在更大范围内优化能源资源配置,有利于改善电网结构,从根本上解决短路电流超标等问题。
特高压直流输电技术：
直流输电技术的特点是:输电时的功率大小、方向可以快速控制和调节;直流输电系统的接入不会增加原有电力系统的短路容量;利用直流调制可以提高系统的稳定水平;直流的一个极发生故障,另一个极可以继续运行,且可以利用其过负荷能力减少单极故障下的输送功率损失。另外直流架空线路走廊宽度约为相同电压等级交流线路走廊宽度的一半。
技术要点：
① 过电压和绝缘问题
② 电磁环境问题：电磁环境指的是输电线路的电磁环境,包括线路下方电场效应、无线电干扰和可听噪声等几方面的内容,是工程设计、建设以及运行中必须考虑的关键问题。直流线路在运行时,导线周围空间产生离子场,线下合成场强对人体产生影响。线路和换流站设备产生的无线电干扰会对无线电通信产生干扰,产生的噪声会使附近的居民以及换流站的工作人员受到伤害。
③ 控制保护问题：控制保护的关键技术有:软硬件平台技术、直流控制保护系统设计、阀触发控制、直流保护。
④ 交直流互联以及直流电压等级序列：随着我国直流输电规模的不断增大,有必要对直流输电系统进行分类,形成直流系统输电序列,推行系统设计、设备选型、工程建设以及运行维护的标准化,从而提高效率、节约成本。
国内发展和应用现状
经过多年的技术攻关、引进、消化吸收，国内设备制造业已具备500 kV 交流输变电设备的设计制造技术，750 kV 交流输变电关键设备国产化也已取得进展，±500 kV 直流输电关键设备设计制造技术已基本掌握。特高压输变电设备在国际上也中是处于研制阶段，国内制造厂可以以计划中的特高压工程为依托,主要设备以我为主、联合开发、国内制造，掌握设备制造关键技术,实现设备制造技术升级，快速提高国际竞争力。我国目前已在武汉建立了特高压试验研究基地，试验设备完全具备进行各项特高压试验的条件和能力，已进行了各项特高压的专题研究工作。另外，我国的设计和制造单位通过西北750kV工程，进一步具备了制造特高压设备的条件和基础，考虑到设备的成熟性部分特高压输变电设备在建设初期还可从国外引进。 我国特高压输电技术还需在无功平衡措施、消除潜供电弧措施、限制过电压的措施及绝缘配合、串联电容补偿装置、外绝缘、特高压设备等问题上进行重点技术研究。 2005年7月底据可靠消息称，建设特高压试验示范工程预计将在年内开工，按照自主创新、标准统一、规模适中、安全可靠的建设原则，通过优选，国家电网公司推荐的晋东南-南阳-荆门特高压试验示范工程方案，得到了顾问小组专家院士们的充分肯定。7月，晋东南-南阳-荆门试验示范工程可行性研究已经完成，线路、变电站设计方案基本确定，主要设备选型及其参数通过了专家审查。国家电网公司正在积极推进试验示范工程建设各项前期准备工作。而且，金沙江一期正负800千伏直流送出工程前期工作进展顺利，根据水电站建设进度，第一条直流特高压输电线路工程需要2008年开工建设，2011年建成投产。
国外发展和应用现状
20世纪60年代起, 苏联、美国、日本、意大利、加拿大等国开始进行了特高压输电的可行性研究, 并取得了重要成果。苏联是最早开展特高压输电技术研究的国家之一, 于1985 年建成了埃基巴斯图兹—科克切塔夫特高压交流线路, 并于1988 年完成科克切塔夫—库斯坦奈延伸段的建设, 总长度约900 km, 曾以1 150 kV 全电压累计运行4 年左右。日本从1972 年启动特高压输电技术的研发计划, 完成盐原、赤诚等特高压试验研究基地的建设。在此基础上, 于1993 年建成柏崎—西群马—东山梨南北向特高压输电线路, 长度约190 km; 于1999 年建成南磐城—东群马—西群马东西向特高压输电线路,长度约240 km。1995 年在新榛名试验站安装特高压GIS 成套设备, 随即加1 000 kV 全电压试运行,到2006 年6 月底为止, 累计加压已有2 413 天。美国、意大利、加拿大、瑞典等国也在进行特高压输电相关技术的研究, 如特高压输电的电晕和电场、生态和环境、操作和雷电冲击绝缘等。
供应商信息
中国电力科学研究院
武汉高压研究所
ABB公司、SIENMENS公司、AREVA公司
国家电网公司：±800kV直流平波电抗器、基于6inch 4500A晶闸管的特高压直流换阀、±800kV特高压换流变压器
经典案例
晋东南-南阳-荆门特高压交流试验示范工程
云广特高压直流输电工程
①系统方案
云广特高压输电工程系统方案,从合理利用输电走廊资源、换流站站址和接地极极址资源、促进直流输电技术进步和电网技术升级角度出发,结合今后西南水电外送规划,考虑工程建设周期要求,经技术经济比较,确定采用±800 kV 电压等级,输电容量5 GW。送端换流站位于云南省楚雄州禄丰县三湾镇,本期出线7 回:至小湾水电站3 回,至金安桥电站2 回,至昆西北变电站2 回。受端换流站位于广东增城市朱村镇,π接500 kV 增城至横沥双回线路,新建2 回线路至500 kV 水乡变电站,并预留交流主变和220 kV 出线。
②工程主要参数
该工程线路长1 438 km ,采用6 ×630 mm2 导线,其余参数见表1 。
③工程技术关键问题
换流阀和阀组：规划云广直流工程送电容量5 GW ,电压±800kV ,额定电流3 125 A ,相对现有±500 kV/ 3 GW 直流工程的3 000 A 额定电流仅提高4. 2 %。通过优化换流变短路阻抗参数、提高单个阀片的冷却水流量等措施,该工程完全可用现±500 kV 工程应用成熟的127 mm 阀片,从而节省大量研发费用和时间,经济实用且无国产化障碍。建设、设计单位、生产厂商均已确认,送受端均采用(400 kV + 400 kV) 双12 脉动阀组串联接线为最优方案,它在设备的研制和运输、运行的灵活和可靠方面优势明显,已有国外工程成功应用的经验。
特高压直流换流变压器：由于采用双12 脉动阀组,工程共需48 台换流变(另加备用8 台) 。其中36 台≤±600 kV 的换流变可使用成熟技术,12 台靠近极母线的±800 kV换流变全球均无,需要研发。±800 kV 与±500 kV 换流变的主要判别有三:一是绝缘水平更高,二是运行中直流偏磁更大,三是尺寸增大使运输困难。因此,特高压换流变绝缘结构、设备尺寸要求接近制造极限,挑战很大。国内外制造商研究云广工程后已提出换流变的主要参数,分析计算认为设计制造800 kV 换流变技术上可行并可满足国内铁路运输条件需要。部分制造商表示2006 年可产出样机。
阀侧变压器套管和直流穿墙套管：阀侧变压器套管和直流穿墙套管是特高压设备制造难点之一,目前主要依靠国外技术,SIEMENS和ABB 已提前投入该技术并取得较好效果。ABB 公司1993 年即已研制出直流±800 kV油纸绝缘瓷外套穿墙套管并通过相关试验,后将部分陶瓷外套涂上合成材料以增加外绝缘功能,安装在瑞典STRI 实验室,安全运行至今。ABB 称有把握在此基础上开发出合成材料的穿墙套管。SIEMENS 已研制出特高压变压器合成材料套管以及用于换流变特高压阀侧线圈引出线与套管连接部分的绝缘桶(Barrier system) ,其在奥地利格拉茨技术大学开展的电气试验已基本完成。由于试验室环境条件所限直流耐压试验和极性翻转电压试验仅完成设计值的93 %和96 % ,但都曾经短时间加至100 %试验电压试品未见异常。补充试验可在所内完成。换流变套管技术与穿墙套管相似而难度更大,前者的解决,意味着后者也迎刃而解。特高压的阀侧变压器套管和直流穿墙套管技术已基本解决,但也关注到套管尺寸加大后,其机械性能也应相应提高,并通过相关试验。
平波电抗器：特高压直流换流站首选干式平波电抗器,每两台一组串联,分别布置在每极的极母线和中性线上,经济且无技术风险,是为最佳方案。
特高压直流设备外绝缘：特高压直流场内有直流高速开关、隔离刀闸、互感器等设备、如陶瓷绝缘材料很难满足其外绝缘爬距的要求。解决方案,一是建设户内直流场,可以在一定程度上减缓污秽程度,更重要的是保持设备干燥,防止污闪发生;二是采用合成绝缘材料,以满足外爬距要求,但有研发和试制的技术风险。前者投资和运行费用较大,多数专家倾向于后一方案。平波电抗器也要解决支柱绝缘子外绝缘问题。目前已有数家厂商研制出特高压直流合成支柱绝缘子和线路绝缘子样品,可望在现有的直流工程中挂网试运行。
控制保护：我国尚未使用过双12 脉动串联阀的控制保护技术,但国外如巴西伊泰普±600 kV 直流输电工程多年的运行经验已证明系统的安全可靠。对此国内外厂商均表示无任何技术困难。
④工程进度
2005 年2 月云广特高压直流输电工程可行性研究工作正式启动。7 月13～15 日,委托中国电力顾问集团公司研究评审可行性。9 月26～27 日完成可行性研究收口工作并向国家发改委上报了《关于云广特高压直流输电工程可行性研究的请示》。工程计划2006 年6 月前开工,2009 年6 月单极投产,2010 年6 月前双极投产。届时,全世界第一条特高压直流输电线路将横贯南方电网,500 万kW 的电力将通过它源源不断地从西南水电基地输向东部负荷中心区。
参考文献
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