特高压输电技术E志者.ppt

,浙江大学赵智大2008.11.,特高压输电技术,UHV,目录,一、引言二、特高压的特征三、特高压输电技术在国外四、我国发展特高压输电的必要性和可行性五、特高压交流与特高压直流输电功能比较和应用场合六、特高压交流与特高压直流输电的发展前景七、小结,浙江大学,UHV,一、引言,20世纪对人类社会生活影响最大的技术成果电力工程20世纪的后数十年期间，人类社会对电力的需求量几乎是每10-15年翻一番近20年来，中国的电力工业以史无前例的惊人速度发展：从1996年起，我国电力工业的装机容量和发电量均稳居世界第2位（第1位为美国）；到2007年底，我国的装机总容量达713.29GW,年发电量达3255.9TWh。已大致相当于世界前十位电力大国中的日本、德国、加拿大、法国、英国等五个国家装机容量的总和。,如以人均计，我国每个人消费的电量还只有美国人的1/10，韩国人的1/6，甚至达不到世界平均值的一半，所以还必须大力发展电力工业。就一次能源而言，我国既是煤炭资源和水力资源十分丰富的大国，又是一个“三贫”国家贫油、贫气、贫铀。因而当前在我国的电力能源结构中，只能主要依赖煤电和水电。,决定我国必然要发展远距离、大容量输电的三个“2/3”我国的可开发水电资源居世界首位（约3.95亿kW）,但可开发水电资源的所在位置偏远,约有2/3左右分布在西南部四川、云南、西藏三省区，远离负荷中心。,我国的可开发水电资源居世界首位（约3.95亿kW）,目前已建水电站的装机总容量亦已居世界第一位。,我国煤炭蕴藏量约10000亿吨，居世界第三位。,我国煤炭蕴藏量约10000亿吨，居世界第三位，但亦有2/3左右分布在西北部的“三西”（山西、陕西、内蒙西部）省区，远离负荷中心。我国的用电负荷约有2/3左右位于东部沿海和京广铁路以东的经济发达地区。上述能源资源与负荷中心之间的距离大多处于1000-2000km之间，这一基本国情决定了我国采用超、特高压输电的必要性，而且电力流向的基本格局必然是“大容量、远距离“西电东送”。,二、特高压的特征,交流输电技术的出路U:LVHVEHVUHV(绝缘投资与绝缘运行费用)P3UIcosII2RR高温超导技术cosHVDC(还有许多其他优点),为什么要进行大容量、远距离输电，就必须采用很高的电压？线路的自然功率是表示其输电能力的一个指标：PU2/ZU2_可见提高输电电压是增大线路输送容量的首选措施,LVHVEHVUHV（？）HV,UHV,LV,HV,EHV,1kV220kV1000kV,分段的基本原则：从一段到下一段应有“质”的变化，否则只要统称“高压”即可。,电压等级的分段,LVLowVoltage（低压）;EHVExtraHighVoltage（超高压）;HVHighVoltage（高压）;UHVUltraHighVoltage(特高压),超高压(EHV)区别于高压(HV)的特征：电晕问题的突出EHV线路上的分裂导线、扩径导线、防晕金具等。绝缘配合的决定性因素不同：HV雷电过电压；EHV操作过电压。中性点接地方式：HV采用非有效接地方式在技术上是可能的；EHV非采用有效接地方式不可。,特高压(UHV)的特征：空气间隙击穿特性的饱和现象：当气隙长到一定程度时（6m），“棒-板”气隙的工频击穿特性和操作冲击击穿特性都开始呈现“饱和现象”，其中最明显的是在正极性操作冲击下的情况：拐点处的S6m，对应的Ubd(s)1430kV；这与1000kV系统的操作过电压水平基本相对应：可见将UHV的起点选在1000kV是合适的。,环境影响问题的突出：强电场的生理-生态影响；电晕派生效应的重点转移：EHV起决定作用的是无线电干扰(RI);UHV起决定作用的变成可闻噪声(AN)参考资料赵智大略论超高压与特高压的特征兼及电压等级的分段问题高电压技术，1982年第2期。（文中“可听噪声”一词系该刊编辑在未征得作者同意的情况下所作的修改，作者始终认为AudibleNoise应译作“可闻噪声”）。,三、特高压输电技术在国外,A特高压交流输电出于不同的考虑和原因，从20世纪60年代中期开始，先后有苏联/俄罗斯、意大利、美国、日本、加拿大等国家开展过特高压交流输电方面的试验研究或建成过试验研究基地或工业性试验工程。各国发展特高压输电的原因不尽相同：,意大利原计划在南部建设50006000MW的核电站，而工业负荷中心在北部，虽输电距离不很长，但输送容量很大，如仍用400kV输电，线路走廊问题无法解决。后来没有建设这些核电站，故也放弃了UHV计划，但CESI在米兰建成了萨维托（Suvereto）UHV试验场（见后图），取得过不少研究成果。,美国从20世纪60年代后半期开始研究特高压输电技术，包括两个电压等级：AEP的1500kV和BPA的1100kV.AEP和瑞典的ASEA合作在Pittsfield建成一个UHV试验场，BPA也在莱恩斯建了一个试验场，它们都做了不少研究工作，取得许多成果。但美国后来并没有将特高压输电的研究成果付诸工程实践，原因在于此后电力需求趋缓，并改用新的能源发展战略，在负荷中心建发电厂，发展分布式电源，从而降低了远距离、大容量输电的需求。,苏联/俄罗斯前苏联是国际上最早开展UHV交、直流输电技术的国家之一，也是迄今为止世界上唯一有UHV交流输电工程实际运行经验的国家。它国土辽阔、能源丰富，输电距离和输电容量都很大，所以早在20世纪六十年代就开始积极开展UHV交、直流输电技术的基础研究和应用研究，并于1985年首先建成世界上第一条1150kV线路中长396km的一段。后来总共建成2362km1150kV“西伯利亚哈萨克斯坦乌拉尔”线路,其中900km长的一段（EkibastuzKustanay）曾以全电压（1150kV）运行，累计约有4年时间。但因电源建设未实现和经费上的困难，故从1992年起至今一直降压为500kV运行。,图苏/俄1150kV线路,日本日本决定在东京地区发展特高压输电技术主要是为了解决线路走廊用地和短路电流超限等困难。为了获得稳定的电源，东京电力公司（TEPCO）计划在沿海建设一系列核电站，总容量1700多万kW,由于距离东京不远，经过认证可知：采用1000kV特高压交流输电方案是最经济的。从1988年起动工兴建两段1000kV特高压交流线路，总长425km,都是同杆双回线路，1999年建成全部线路后，因经济衰退导致核电站建设推迟，变电站特高压设备未安装，线路一直降压为500kV运行至今，预计要在2010年左右才会升压到额定电压1000kV运行。其实浙江的能源环境与日本东京地区有某些相似之处。,图3-2日本TEPCO1000kV线路走向图,Tokyo,东京,图东京电力公司的1000kV特高压交流线塔,表3-1各国发展特高压交流输电概况,B特高压直流输电目前世界上正在实际运行的直流输电工程中,输电电压最高者为巴西伊泰普工程的600kV,但仍属EHVDC的范畴，每条线路送电3150MW。唯一尝试过UHVDC输电工程实践的国家只有前苏联，工程名称为“埃基巴斯图兹-欧洲部分中心直流输电工程”，其基本参数为：输电电压750kV额定电流4000A输送容量6000MW输送距离2414km,前苏联的750kV直流架空线路采用带拉线的T型铁塔，导线为51200mm2钢芯铝线，排列在等边五角形的顶点上，分裂距为60cm。绝缘子串由52片-300型玻璃绝缘子组成。两端换流站分别建在埃基巴斯图兹和塔姆波夫。由于经济因素和电站建设的滞后，此工程后来没有完成（一端换流站未装设备），因此没有运行经验可供借鉴，但部分建设经验仍是可贵和唯一的。,四、我国发展特高压输电的必要性和可行性,4-1我国发展特高压输电的必要性我国的国情决定了必须要进行远距离、大容量送电，而且电力流向的基本格局是“大容量、远距离“西电东送”。要实现这一目的，只能采用特高压交流或特高压直流输电。,我国目前以500kV和330kV（西北地区）电网作为主干网架的格局已无法应对用电量和输电容量成倍增加的客观需求,面临以下的严重困难:线路走廊和站址占地过多;负荷密集地区短路电流超标;煤电运输困难;电网安全基础变弱;环保压力越来越大西北地区已决定采用750kV作为330kV的上一级输电电压，而其他地区在500kV电网的基础上只能采用1000kV以上的特高压。为了优化资源配置、保护环境、节约线路走廊用地和有效降低输电损耗，发展特高压输电技术、建设交、直流特高压输电工程已成必然选择。,节约线路走廊用地随着社会的发展，输电线路走廊用地问题日益严峻，所需费用占线路建设总投资的比重呈不断上升的趋势。目前在我国经济发达、人口稠密地区，土地资源极为紧张，走廊费用占线路静态总投资的比例已达到20%甚至更高。这个情况将会越来越严重。,为了节约线路走廊用地，正越来越多地采用同塔多回线路。但它也会在一定程度上降低了运行可靠性。,例如根据我国南方电网的发展规划，到2030年时,西电东送的电力所需要的线路回路数、走廊宽度、占地面积将如下表所示：表南方电网西电东送方案所需土地资源比较,*输送总功率：P19200MW;线路长度：l1500km可见单单从节约土地资源这一项来说，采用UHVDC或UHVAC也是必然的选择了。,我国发展特高压直流输电的必要性我国是世界上最有必要发展高压直流输电的国家之一,主要有三大用途:西南水电远距离输送到华东、华南、华中用电中心;大区交流电网的互联；岛屿供电。可能还会用来将西北的煤电送到华东和华中,甚至用于从国外输入电力。,4-2我国发展特高压输电的可行性各国发展超高压和特高压交、直流输电的实践经验表明，每当需要采用新的高一档输电电压时，一般都必须经历三个阶段：1.建设新的试验研究基地，对新电压等级输电系统及有关设备的各种基本特性进行试验研究；2.建设工业性试验工程；3.建设正式的商业性输电系统。这三个阶段一般需要10-20年时间。,原有的特高压试验场,我国武汉高压研究所早在1988年即起动UHV户外试验场的建设，到1996年正式建成我国第一条真型1000kV级UHV试验线段，使我国有了自己第一个颇具规模的UHV试验研究单位。,武高所UHV户外试验场长445m，宽120m，场内主要设备有：串级工频高压试验装置：2250kV,4A.冲击电压发生器：5400kV,527kJ真型1000kV级UHV试验线段：长200m.已能基本满足1000kV级UHV输电外绝缘特性、电晕派生效应及环境影响等基础性研究的需要。,为了更好地满足UHVAC和UHVDC输电技术的全面研究和UHV输变电设备的带电考核等要求，国家电网公司决定再新建两个更大和更现代化的UHV试验研究基地，并已于2006年下半年先后奠基开工，现已基本建成。,新建的特高压交流试验研究基地（武汉）2006年10月10日在武汉奠基，2007年基本建成。基地占地133400m2,设备将由国内20多家厂商研制提供，其综合试验能力将创12项世界第一，包括：特高压试验线段几何尺寸可调和杆塔优化试验的功能；模拟海拔高达5500m处外绝缘特性试验条件的装置；全天候电磁环境监测系统；特高压交流绝缘子串全尺寸污闪试验能力；特高压GIS/AIS全电压、全电流带电考核场的功能；工频谐振试验装置的电压等级和容量；特高压运行、检修、带电作业综合培训功能与条件；全天候电磁环境监测系统，等等。,图新建的特高压交流试验基地（武汉）鸟瞰图,导线:8500mm2(单回路);d=40cm.地线:1150mm2.图1000kV单回路试验线段,图武汉特高压交流试验基地的电晕笼和交流试验电源（可研究1500kV线路的电晕特性）,直径:20m;高度:25m.,图人工环境气候试验室布置图,新建的特高压直流试验研究基地（北京）2006年8月10日在北京市中关村科技园区昌平园东区奠基，由中国电力科学研究院（CEPRI）负责筹建，2007年基本建成，已得出第一批试验数据和成果。,新试验基地的组成特高压直流试验线段电晕笼户外试验场试验大厅污秽及环境试验室线路电磁环境模拟试验场避雷器试验室绝缘子试验室,图特高压直流试验基地（北京）鸟瞰图,特高压直流试验线段,试验线段总长900m，分3档，档距300m。双回结构，可挂4根导线，导线上下、左右可调，直流电源为1200kV/500mA。,电晕笼-研究导线电晕特性的重要实验设备两厢式，整体尺寸为70m22m13m（高），可进行单极、双极试验，与试验线段共用1200kV直流电源。,为最大限度发挥此电晕笼的试验功能，笼体上附设有人工降雨、喷雾系统和电晕电流、RI、AN等测量系统。,长150m，宽90m,主要设备：(1)7.2MV冲击电压发生器；(2)1600kV直流电压发生器；(3)50m60m的门型塔。,户外试验场,2019/12/13,53,可编辑,90m60m50m，六面屏蔽，屏蔽效能达70db。主要设备：(1)2750kV/2A工频串级试验变压器；(2)1800kV/0.2A直流电压发生器；(3)6MV/450kJ冲击电压发生器。,试验大厅,试验基地的定位与规模这个特高压直流试验基地建成后将成为世界特高压直流试验研究的中心，其综合试验能力为世界第一，有12项设施指标和试验功能将创世界第一：总长900m的特高压直流试验线段是国际上最长的试验线段，同塔双回电压等级也是世界最高；两厢式电晕笼的尺寸世界最大；户外有国内最高参数7200kV/480kJ的冲击电压发生器；,世界第一,试验大厅电磁屏蔽性能是同等规模中的世界第一；冲击、工频、直流试验设备的综合性能国际第一；污秽及环境试验室有国际上最大的低气压室、最大的人工覆冰室；避雷器试验室试验能力强大、测试功能全面，残压试验能力世界第一、加速老化试验能力世界第一、综合性能世界第一；绝缘子试验室集电气、机械和材料理化试验功能为一体，可进行瓷、玻璃和复合绝缘子、大吨位绝缘子的全部型式试验，具有国际一流的大型电液伺服弯扭机和热机试验装置及测控系统。,工业性试验工程由于每采用一个新的电压等级，一定会遇见很多新的问题，在试验基地对它们进行研究往往仍欠充分，如不经过实际试运行的考核，未免不够慎重和稳妥，容易造成严重损失。因此，先建设一项工业性试验工程以发现问题、积累运行经验、改进和完善对新技术的掌握，是合适、稳妥的做法。从事耗资巨大、史无前例的特高压输电工程，更是必不可少的步骤。,作为工程实践的第一步,我国在2006年8月动工兴建一项特高压交流输电试验示范工程，即：“晋东南（山西，长治变电站）南阳（河南，南阳开关站）荆门（湖北，荆门变电站）”1000kVUHVAC输电试验示范工程，线路全长约640km，投资预算60亿元。预计于2008年底建成投运。由浙江省送变电工程公司负责施工的一段已于2008年7月31日架通，如下图所示。,图在1000kV特高压交流线路上施工的情况,图安装完成后的线路全貌,UHVAC试验示范线路的主要参数“晋东南（山西长治变电站）南阳（河南，开关站）荆门（湖北，变电站）”UHVAC输电试验示范工程的主要参数如下：全长：653.8km静态总投资:56.88亿元输送功率:5000MW导线:8LGJ-500/45（由AN决定；按输送功率的要求，采用8400mm2就够了）地线:光纤复合架空地线OPGW-150(连续接地)和良导体地线LBGJ-15020AC(分段接地)导线最小对地高度:22m（非居民区）27m（居民区）平均塔高：约70m,图1000kV交流线路玻璃绝缘子串（两串并联）,UHV变压器,UHV电抗器,UHVGIS,800kV交流GIS复合空心绝缘子,800kV直流复合支柱绝缘子柱,图1000kV交流GIS用复合空心绝缘子,目前我国已开工或即将开工建设的特高压直流输电工程有：国家电网公司的800kV“四川上海”特高压直流输电示范工程额定电压:800kV额定电流:4000A输送功率:6400MW输送距离:约2000km静态总投资:约174亿元计划开工时间:2008年10月计划建成时间:2011年6月本工程起点为四川复龙换流站，终点为上海奉贤换流站。承担金沙江下游向家坝、溪洛渡水电站西电东送任务。工程建成后将创18项世界第一。,南方电网公司的800kV“云南广东”特高压直流输电工程用来将云南小湾水电站和金安桥水电站发出的电力送往广东,由西门子与南方电网合作建设，已于2006年12月19日开工。其有关技术参数如下：额定电压:800kV额定电流:3125A输送功率:5000MW输送距离:1417km导线:6630mm2水电:小湾水电站:4200MW金安桥水电站:2400MW换流站址:楚雄换流站:云南楚雄州禄丰县三湾镇穗东换流站:广东增城市朱村镇计划建成时间:2009年1月底总投资:约132亿元,五、特高压交流与特高压直流输电功能比较和应用场合直流输电优缺点,优点线路造价低输电能力强，输送容量大，输电损耗小送电距离远节省线路走廊用地可利用大地回路控制灵活、快捷，调度方便采用直流输电联网好处多,缺点换流站设备结构复杂、价格昂贵换流器为一强谐波源无功补偿要求高大地回路的副作用直流断路器制造困难，限制了多端系统的发展,超/特高压交/直流输电的综合比较交/直流输电线路的输送能力比较有些人感到奇怪:交流输电用三根导线,直流输电只用两根导线,在UN(ac)=UN(dc),IN(ac)=IN(dc)的情况下,为什么直流线路的输送能力远大于交流线路?例如一条500kV交流线路的输送能力只有1200MW左右,而一条500kV直流线路的输送能力却高达3000MW。,Pdc=2UN(dc)IN(dc),设,又远距离输电的功率因数一般较大，可取则即Pdc比Pac大22%。,即,应该注意：直流线路的导线投资只有交流线路的2/3，绝缘子串数也只有后者的2/3，杆塔结构显著简化，环境影响较轻,线路走廊用地少,因而直流线路的造价大大降低。,在交流下，输送容量上限Pmax(ac)通常受两端交流系统同步运行稳定问题的限制；而在直流下，不存在同步运行稳定问题，因而输送容量上限Pmax(dc)远远大于Pmax(ac)。,交直流输电的经济性比较投资比较直流线路的导线投资只有交流线路2/3，绝缘子串数也只有后者的2/3，杆塔结构显著简化，因而直流线路的造价大大降低。当输送距离超过8001000km时，直流输电在投资上即可占优势，通常用等价距离曲线来说明：,从经济角度来看，直流输电只有在P10002000MW,600800km时才占优势（需要用电缆送电的跨海峡等工程例外），故在P很大、但不长的情况下，无疑应该采用UHVAC输电。从技术上看，直流输电也具有一系列自身的局限性，不可能形成以直流为主的输电格局。,年运行费用(A)年电能损耗：1.线路部分在交流下：Pac=IN(ac)2RacPc(ac)在直流下：Pdc=IN(dc)2RdcPc(dc)在导线截面相同时：RdcRac(集肤效应),Pc(dc)Pc(ac)(屏蔽效应)PdcPac2.变电站或换流站部分变电站主要考虑变压器的年电能损耗，换流站主要考虑换流变压器和换流器的损耗。,(B)折旧维护费线路和设备的年折旧维护费用主要包括输电线路、两端站内设备在运行中每年需提取的的折旧费用，以及日常维护（小修、大修）每年所需的费用。根据国外的运行经验，线路和站内设备的年折旧维护费用占工程建设费的百分数，交流与直流大体相近，例如日本为26%28%，瑞典为18%19%。在进行综合经济比较时应将上述建设费用和年运行费用综合起来作比较,当输送功率较大、输电距离较长时,直流输电方案将明显占优。,在电网互联中的作用：地区大电网之间的互联,可以采用UHVAC,也可以采用UHVDC,前者虽然也能阻止短路电流的增大、节省线路走廊用地,但后者的效果更好，而且还具有一些前者所无的优点，例如：被联的交流电网不必同步运行，甚至频率都可以不同；从网络结构上彻底消除联络线上产生低频振荡的可能性；在网络结构上隔断交流故障的传递和扩大，避免发生连锁反应，因而是预防大面积停电事故的有效措施。我国四个大区同步电网（华北-华中-华东、东北、西北及南方）之间的互联就很可能会采用直流输电线路或背靠背换流站。,总之，直流输电是一种优点突出、缺点也不小的输电方式，在适用场合能发挥大作用，但它有不少先天性的缺点和存在某些无法发挥作用的盲点（例如：输送距离不长、输电容量却很大的情况；远距离大容量输电、但一路上需要落点供电的情况）。特高压直流输电不但也具有上述特点和优点，而且能将这些优点充分发挥出来。,在下列情况下,UHVAC几乎是唯一正确的选择:沿线有降压供电需要的大容量远距离输电系统,因为直流输电中途落点的代价是难以接受的。用户高度密集、线路走廊用地难以解决的大容量中、短距离输电（日本TEPCO为一典型实例）,采用UHVDC在经济上是难以成立的。,总之,交流输电与直流输电各有所长,各有所短,各有自己的适用场合,它们之间不是互相取代、互相排斥的关系。就输电系统的整体而言，它们之间的正确关系应该是：交直流并举、各展所长、平行发展、优势互补、相辅相成。可以预期：我国必将成为超、特高压交、直流输电协同发展的电力大国。,六、特高压交流与特高压直流输电的发展前景,在我国的发展前景AUHVAC目前国家电网公司的计划是：到2011年时，在“晋东南-南阳-荆门”1000kV特高压试验示范工程成功运行的基础上，从该线路晋东南端朝东北、西北方向延伸建设两段1000kV线路，从荆门向东到武汉延伸建设一段1000kV线路。此外，在华东地区要建设一条“淮南皖南浙北上海”1000kV输电线路,并争取以1000kV线路联到武汉，使华东、华北、华中地区形成一个大同步网。,今后特高压交流输电在我国的应用场合和发展规模在一定程度上将取决于UHVAC输电试验示范工程的运行表现。近期可能会采用UHVAC输电的工程还有：晋陕蒙宁煤电基地向华中、华东负荷中心送电有可能会采用1000kV交流特高压;西南水电基地向华中、华东负荷中心送电可能一部分采用800kV直流特高压，一部分采用1000kV交流特高压。,BUHVDC目前世界上已有的电压等级最高的直流工程为600kV巴西伊泰普工程,每条线路送电3150MW;我国已投运及正在建设的7条500kV直流线路在“西电东送”中已经或即将发挥很大的作用（近年建成的几条500kV直流线路每条都送3000MW的电力）,大大缓解了华东、华南地区严重缺电的局面，为采用电压等级更高的特高压交流和特高压直流输电争取到一段缓冲时间。并使我国一跃而成为当今世界上名副其实的直流输电大国和直流输电技术强国。,国家发改委在肯定直流输电在我国所发挥的作用时说过：“西电东送是我国国民经济四大工程（其余有南水北调、西气东输、青藏铁路）中第一个收到实效的工程，其中高压直流输电又是西电东送的第一功臣”。,就发展前景来说，我国除了会建设更多的500kV超高压直流输电工程外（包括海拔高度达4000多m的西藏青海500kV直流线路），目前还正在建设世界上第一条800kV“云广”直流输电线路，“四川上海”和“锦屏苏南”两条800kV特高压直流输电线路亦正在设计中。,800kV“锦屏苏南”特高压直流输电工程这条线路正在和“四川上海”特高压直流输电示范工程一起进行设计研究，为了节省线路走廊的费用，这两条线路将采用同走廊平行走线。因而需要对这种情况下的地面电场分布、容许最小平行接近距离、房屋拆迁范围、导线对地高度的影响等问题进行深入的研究。,表特高压直流输电工程建设计划第一阶段：2006-2012年,今后，在此基础上，为了将西南的水电输往华东、华南和华中用电中心，以及满足一些煤电外送和从国外进口电力的需要，还将建设两条660kV超高压直流线路（“银川青岛”和“银川济南”）和一系列800kV特高压直流线路，每条输送功率达到6200-6400MW,送电距离1000-2500km。2020年前后，我国将可能出现18个500kV超高压直流输电工程，16个800kV特高压直流输电工程，800kV线路总长将达27580km，总的输电容量达94400MW。最近又在进一步探讨建设两条1000kV特高压直流输电线路的问题，每条输送功率将达9000MW以上。,其他国家发展动态目前除我国正在大力建设特高压交、直流输电试验研究基地和试验示范工程外，还有几个经济增长较快的国家（如俄罗斯、印度、巴西、南非等）也在不同程度上开展着特高压交、直流输电技术的前期研究或工程规划。,俄罗斯应该看到：原苏联虽然在上世纪90年代初解体，经济长期不振，电源建设未跟上，使它已建成的一段1150kVUHVAC线路因无电可送而长期降压为500kV运行,另一条建成的