特高压电网基本知识

特高压电网基本知识

第一篇 特高压电网基本知识

1. 电能生产、输送和消费的主要特点是什么 ?

电能与其他能源不同 , 主要特点是不能大规模储存 , 发电、 输电、配电和用电在同一瞬间完成 发电和用电之间必须时刻保持供需平衡 ,一旦平衡被破坏 , 将危及用电和设备的安全。

2. 什么是电网 ? 什么是电力系统 ?

电能的输送由升压变压器、降压变压器及其相连的输电线路完成。所有输变电设备连接起来构成输电网。所有配电设备连接起来构成配电网。输电网和配电网统称为电网。

电力系统是由发电机、变压器、输电线路、用电设备 ( 负荷 ) 组成的网络 , 它包括通过电的或机械的方式连接在网络中的设备。

3. 输电电压的电压等级如何划分 ? 特高压是怎样定义的 ?

电能的远距离输送分交流输电与直流输电两种形式。国际上 ,高压 (HV) 通常指 35~220 千伏的电压；超高压 (EHV) 通常指 330 千伏及以上、 1000 千伏以下的电压 ; 特高压 (UHV) 指 1000 千伏及以上的电压。

直流输电电压在国际上分为高压和特高压。高压直流 (HVDC) 通常指的是± 600 千伏及以下直流系统 , ± 600 千伏以上的直流系统称为特高压直流。在我国 , 高压直流指的是± 660 千伏及以下直流系统 ， 特高压直流指的是± 800 千伏及以上直流系统。 我国特高压电网建成后 , 将形成以 1000 千伏交流输电网和± 1100 千伏、± 800 千伏直流系统为骨干网架的、与各级输配电网协调发展的、结构清晰的现代化大电网。

4. 什么是电网的输电能力 ?

电网的输电能力是指在电力系统中从一个局部系统 ( 或发电厂 ) 到另一个局部系统 ( 或变电站 ) 之间的输电系统容许的最大送电功率 ( 一般按受电端计 ) 。如果该输电系统是一回送电线路 , 输电能力即等于该线路容许的最大送电功率 ; 如果该输电系统是由多回线路 ( 包括不同电压等级或不同导线截面的线路 ) 所组成 , 或者有中间系统接入 , 输电能力指容许的综合最大送电功率。

5. 什么是自然功率 ? 我国常用的不同输电电压等级电力线 路的自然功率是多少 ?

自然功率 , 又称波阻抗负荷 , 是指输电线路的受端每相接入一个波阻抗负荷 Zc( 近似为纯电阻 ) 时输送的功率。输送自然功率是一种用于比较不同电压等级输电线路输电能力和分析电压、 无功调节的方法。不同输电电压等级的自然功率如表 1 所示。 表 1

不同输电电压等级的自然功率

输电电压(千伏) 110 220 330 500 750 1000 自然功率(兆瓦) 34

166

354

960

2237

4369

当线路输送自然功率时 , 有如下特性 : 送端和受端的电压和电流间相位相同 , 功率因数没有变化 , 沿线路电压和电流幅值不变。 线路电抗的无功损耗基本等于线路电纳 ( 线路电容 ) 所产生的无功。

当线路输送功率大于自然功率时 , 线路电抗的无功损耗大于线路电纳 ( 线路电容 ) 所产生的无功 , 一般导致线路受端电压幅值低于送端电压幅值。

当线路输送功率小于自然功率时 , 线路电抗的无功损耗小于线路电纳 ( 线路电容 ) 所产生的无功 , 一般导致线路受端电压幅值高于送端电压幅值。

6. 为什么远距离输电必须要提高电压等级 ?

远距离输电线路的输电能力近似与电网电压的平方成正比 , 与线路的阻抗成反比； 而线路损耗与线路电阻乘以线路电流平方成正比 ；线路电阻则随线路距离增加而增加 , 即输电线路越长 , 电阻越大。在输送容量一定时 , 电压提高 , 电流降低 , 线路损耗随之降低。 如同塔双回特高压线路送电 1000 万千瓦、输电距离 1000 千米时 , 线损率仅为 3.5%; 如果采用 4 组同塔双回紧凑型500 千伏输电线路 , 线损率将达到 8.3% 。 特高压输电线路比 500千伏输电线路线损率降低约 58% 。因此 , 实现大容量、远距离、 低损耗输电必须要提高电压等级。

7. 电网电压等级是怎样确定的 ?

电网最高运行电压一般都会经历从低到高的发展过程。理论上 , 输电线路的输电能力与输电电压的平方成正比 , 输电电压提高 1 倍 , 输送功率的能力将提高至 4 倍。电网的发展历史表明 , 各国在选择更高一级电压时 , 通常使相邻两个输电电压之比大于或等于2, 多数是大于 2, 这样可使输电网的输送能力提升 4 倍以上。 实践证明 , 以这样的电压级差构成的电网 , 可以简化网络结构 , 减少重复容量 , 便于潮流控制 , 降低线路损耗 , 适于电网的发展和服务区域范围的扩大。

我国已形成合理的交流输电电压等级序列：110 千伏—220 千伏—500 千伏—1000 千伏 ( 西北地区为 110 千伏—330 千伏—750 千伏 ) 。

8. 国内外电网电压等级的发展情况如何 ?

为了提高输电的经济性能 , 满足大容量和远距离输电的需求 , 电网的电压等级不断提高。自 1891 年世界第一条13.8 千伏输电线路建成使用以来 , 逐步发展到高压 20 、 35 、 66 、 110 、 134 、 220 、 230 千伏 ；20 世纪 50 年代后迅速向超高压 330 、 345 、 380 、400 、 500 、 735 、 750 、 765 千伏发展；20 世纪 60 年代末 ,开始进行 1000 千伏 (1100 、 1150 千伏 ) 和 1500 千伏电压等级特高压输电工程的可行性研究和特高压输电技术的研发。

1908 年 , 美国建成了 110 千伏输电线路，1923 年又建成了第一条 230 千伏输电线路；1952 年，瑞典建成第一条380 千伏超高压线路；1954 年 , 美国建成第一条345 千伏输电线路 ；1965 年 , 加拿大建成第一条 735 千伏输电线路；1969 年 , 美国建成765 千伏输电线路；1985 年 , 苏联建成第一条 1150 千伏特高压输电线路。

1954年 , 建成丰满一李石寨 220 千伏输电线路 , 逐渐形成东北 220 千伏骨干网架。 1972 年 , 建成 330 千伏刘家峡一关中输电线路 , 全长 534 千米 , 逐渐形成西北330 千伏骨干网架。 1981 年 , 建成 500 千伏姚孟一武昌输电线路 , 全长 595 千米 , 逐步形成华中 500 千伏骨干网架。 1989 年 , 建成± 500 千伏葛洲坝一上海高压直流输电线路 , 实现了华中 -华东两大区的直流联网。 2005 年 , 在西北电网建成第一条 750 千伏输电线路。 2008 年 , 建成晋东南一南阳一 荆门 1000 千伏特高压交流试验示范工程。 2010 年 , 建成± 800 千伏云南一广东 (500 万千瓦级 ) 、向家坝一上海 (700 万干瓦级 ) ± 800 千伏特高压直流输电示范工程 , 成为目前世界上交直流运行电压等级最高的国家。

9. 国外开展特高压输电的情况如何 ?

特高压交流输电技术的研究始于 20 世纪 60 年代末。美国、苏 联、意大利、加拿大、德国、日本、瑞典等国家均根据本国的经济增长和电力需求制定了发展特高压的计划。美国、苏联、日本、 意大利还建设了特高压试验站和试验线段 , 专门研究特高压输变电技术及相关输变电设备。

苏联从 20 世纪 70 年代末开始建设 1150 千伏输电工程。 1985年建成埃基巴斯图兹一科克切塔夫一库斯坦奈特高压 1150 千伏线路 , 全长 900 千米 , 累计运行时间约 5 年。在 1991 年 , 由于苏联解体和经济衰退 , 电力需求明显不足 , 导致特高压线路降压至 500 千伏运行。

日本是世界上第二个建成特高压工程的国家。 1973 年开始研究特高压输电；1993年建成柏崎刈羽一西群马一东山梨 1000 千伏线路 , 全长 190 千米 ；1999 年建成西群马一福岛核电站 1000 千伏 线路 , 全长 240 千米。目前已建成全长 426 千米的东京外环特高压输电线路。线路建成后 , 由于电力需求增长减缓 , 核电建设计划推迟 , 一直按 500 千伏降压运行 , 预计 2015 年前后全压运行。

2008 年 8 月 , 国际电工委员会 (IEC) 将高压直流技术委员会秘书处设在国家电网公司。 2008 年 10 月 , 在日内瓦召开的国际电工委员会 (IEC)/ 国际大电网委员会 (CIGRE) 特高压联合工作组第三次会议上 , 将我国的特高压交流标准电压确定为国际标准电压

10. 我国特高压技术的发展历程是怎样的 ?

1986~1990 年特高压输电前期研究被列为国家攻关项目；1990~1995 年国务院重大技术装备领导小组办公室开展了远距离输电方式和电压等级论证 ；1990~1999年国家科学技术委员会就特高压输电前期论证和采用交流百万伏特高压输电的可行性等专题进行了研究。 2004 年前 , 我国共完成特高压研究项目 37 项。

发展特高压是国务院作出的重大战略决策。 2005 年以来 , 在国家的统一组织下 , 建立了以政府为主导、企业为主体、产学研联合、社会各方面共同参与的特高压工作体系。国家电网公司依靠自主创新 , 联合各方力量 , 全面开展了特高压研究论证、科技攻关、 规划设计、设备研制和建设运行等工作。先后有包括30多位院士在内的 3000 多名科研和工程技术人员 , 以及国内外 11 家机构和组织参与了特高压论证 , 召开了 240 多次重要专题论证会 ; 国内主要电力科研、设计单位和9所大学参与了特高压研究设计；500 多家建设单位、 10多万人参加了特高压工程建设；200 多家设备厂商参与了设备研制和供货。经过几年来的全力攻坚 , 实现了特高压技术的重大突破，全面掌握了特高压核心技术和全套设备制造能力 , 在世界电网科技领域实现了 " 中国创造 " 和 " 中国引领 "。

晋东南一南阳一荆门1000 千伏特高压交流试验示范工程于 2009 年 1 月 6 日投产 , 已安全运行超过29个月 , 设备国产化率超过 90% 。向家坝一上海±800 千伏特高压直流输电示范工程于 2010 年 7 月 8 日投产 , 已安全运行超过 11 个月 , 设备国产化率达到 67% 。特高压交流、直流示范工程的成功建设和运行 , 全面验证了特高压的技术可行性、系统安全性、设备可靠性、工程经济性和环境友好性。依托工程实践 , 我国已全面自主掌握了特高压输电核心技术、具备了大规模工业应用的条件。

11. 特高压交流输电和直流输电的功能定位是什么 ?

交流输电和直流输电的功能和特点各不相同。交流输电主要用于构建网络 , 类似 " 高速公路网 ", 中间可以落点 , 电力的接入、传输和消纳十分灵活 , 是电网安全运行的基础 ; 交流电压等级越高 , 电网结构越强 , 输送能力越大。直流输电不能形成网络 , 类似“直达航班”, 中间不能落点 , 适用于大容量、远距离输电 ; 多馈入、大容量直流输电必须有稳定的交流电压才能正常运行 , 需要依托坚强的交流电网才能发挥作用 , 保证电网稳定运行。 根据我国能源状

况和负荷分布特点 , 特高压交流定位于主网架建设和跨大区送电 , 使特高压交流电网覆盖范围内的大型煤电、水 电、风电、核电就近接入·特高压直流定位于大型能源基地的远距离、大容量外送 , 西南水电基地、西北及新疆等煤电、风电基地和跨国电力通过直流输送。构建 " 强交强直 " 混合电网 , 可以充分发挥两种输电方式的功能和优势 , 保证电网安全性和经济性。

12. 为什么特高压输电能够节约输电走廊 ?

特高压交流输电线路走廊宽度约为 500 千伏输电线路的 1.6 倍 , 输电能力是 500 千伏输电线路的 4~5 倍 , 单位走廊宽度的输送容量为 500 千伏输电线路的 2.5~3.1 倍。± 800 千伏直流输电线路走廊宽度约为± 500 千伏输电线路的 1.6 倍 , 输送容量是± 500 千伏输电线路的 2.5 倍 , 单位走廊宽度输送容量约为± 500 千伏输电线路的 1.6 倍。通过发展特高压电网 , 可以显著提高线路走廊的输电效率 , 节约宝贵的土地资源。

13. 交、直流输电技术的经济适用范围是如何划分的 ?

( 一 ) 交流输电的经济适用范围

(1)500 千伏：距离小于 500 千米、输电容量小于 400 万千瓦； (2)1000 千伏：距离大于 500 千米、输电容量大于 400 万千瓦。 ( 二 ) 直流输电经济输送距离

(1) ± 500 千伏 (300 万千瓦级 )： 小于 900 千米 ； (2) ± 660 千伏 (500 万干瓦级)：900~1300 千米； (3) ± 800 千伏 (700 万千瓦级)：1300~2350 千米 ； (4) ± 1100 千伏 (1000 万千瓦级 )： 大于 2350 千米。

14. 依靠直流输电能否解决我国未来远距离、大容量输电问题 ?

我国电网的发展问题无法单纯依靠直流输电解决 , 需构建强交流、强直流相互补充、相互支撑的坚强电网。大容量直流输电采用交流电网换相原理 , 必须有稳定的交流电压才能正常工作 , 必须依托坚强的交流电网才能发挥作用。直流输电与交流电网的关系就如同输水管与蓄水池 , 蓄水池容量越大 , 可承受的输水能力越强。若大量电力通过直流输入相对较弱的交流系统 , 在交流系统严重故障、电压不稳时 , 所有直流工程可能同时换相失败、退出运行 , 面临全网崩溃、大停电的重大风险。无论从安全的角度还是从技术的角度，均无法单纯依赖直流输电解决我国电网的可持续发展问题 , 需要强交流、强直流并列运行、相互补充、相互支撑、相辅相成。

我国电网面临的是一个电力从西向东、由北至南大规模流动并在中间分散落点 , 大煤电、大水电、大核电、大风电基地集中开发、分散消纳的格局。应充分发挥交、直流输电各自的优势 , 将特高压交流应用于主网架建设和跨大区送电 , 将特高压直流应用于大型能源基地的超远距离、超大容量送电。

15. 特高压输电线路的电磁环境是否符合国家标准 ?

输电线路对环境的影响表现在工频电场、工频磁场、可听噪声和无线电干扰四个方面。 1987 年世界卫生组织得出以下结论 : 未发现 10 毫安/米2以下的感应电流密度 ( 相当于 500微特斯拉 ) 产生有意义的生物学影响。 2007 年 , 世界卫生组织强烈推荐成员国采纳国际非电离辐射防护委员会推荐的公众暴露限值 : 工频电场 强度 5 千伏 / 米 , 工频磁感应强度 100 微特斯拉。国外工频电场、磁场限值标准见表 2 。 表 2

国外工频电场、磁场限值标准

电场强度E

磁感应强度B 国家

(千伏/米)

(微特斯拉)

(组织)

职业暴露 公众暴露 职业暴露 公众暴露

国际非电离辐射防护委员会

10 5 500 100 IEEE/ICES C95.6

20

5

2710

904

美国 25 - 1000 - 欧盟 - 5 - 100 英国

10 5 500 100 瑞士

一 5 - 10 日本

10

-

1000

-

我国特高压输电线路临近民房时的工频电场限值为 4 千伏 / 米，工频磁场为 100 微特斯拉 , 不超过现有 500 千伏输电线路的水平； 特高压交流输电线路雨天噪声可以控制在 55 分贝以下 , 晴天只有 35~40 分贝 , 完全满足国家环境噪声标准的 1 类地区标准要求。特高压试验示范工程测试结果表明 , 特高压线路环境指标完全符合国家标准要求。

16. 采用特高压输电对改善生态环境有什么好处 ?

我国中东部地区单位国土面积的二氧化硫排放量为西部地区的 52 倍 , 中东部地区已基本没有煤电发展的环境空间 , 而西部地区还有较大环境裕度。 与输煤相比 , 采用特高压输电能促进我国环保空间优化利用和生态环境保护。

一是可以减轻中东部负荷中心地区的环境压力 , 减少环境损失。通过统筹规划建设特

高压电网和西部煤电基地，2020 年中东部地区可以减少二氧化硫排放 55 万吨 / 年 , 全国可以减少环境损失 45 亿元 / 年。

二是加快将西部资源优势转化为经济优势 , 可以改善西部地区环境治理投入不足所造 成的污染状况。

三是可以缓解煤炭开采导致的环境压力。通过煤电一体化建设 , 实现煤矿与电厂在水、煤、灰、土地等资源配置上的互补和综合利用 , 形成内部良性循环圈 , 大大减轻煤炭开采对环境的破坏程度。