特高壓與智能電網(wǎng)

特高壓與智能電網(wǎng) 龍志君 武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 特高壓 3 電網(wǎng)的發(fā)展歷程 1875年，法國(guó)巴黎建成世界上第一座發(fā)電廠，標(biāo)志著世界電力時(shí)代的到來(lái)。 1891年，在德國(guó)勞芬電廠安裝了世界第一臺(tái)三相交流發(fā)電機(jī)：它發(fā)出的三相交流電通過(guò)第一條 13.8kV輸電線(xiàn)將電力輸送到遠(yuǎn)方用電地區(qū)，使電力既用于照明，又用于動(dòng)力，從而開(kāi)始了高壓輸電的時(shí)代。 1879年，中國(guó)上海公共租界點(diǎn)亮了第一盞電燈。 1882年，第一家電業(yè)公司 上海電氣公司成立。 100多年來(lái)，輸電電壓由最初的 13.8kV逐步發(fā)展到 20， 35，66， 110， 134， 220， 330， 345， 400， 500， 735， 750，765， 1000kV。 4 電網(wǎng)的發(fā)展歷程 輸電電壓一般分高壓、超高壓和特高壓 高壓（ HV）： 35 220kV； 超高壓（ EHV）： 330 750kV； 特高壓（ UHV）： 1000kV及以上 。 高壓直流（ HVDC）： 600kV及以下； 特高壓直流（ UHVDC）： 750kV和 800kV。 根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)的定義：交流特高壓是指1000kV以上的電壓等級(jí)。在我國(guó)，常規(guī)性是指1000kV以上的交流， 800kV以上的直流。 5 電網(wǎng)的發(fā)展歷程 1908年，美國(guó)建成了世界第一條 110kV輸電線(xiàn)路；經(jīng)過(guò) 15年，于 1923年，第一條 230kV線(xiàn)路投入運(yùn)行；1954年建成第一條 345kV線(xiàn)路。從 230kV電壓等級(jí)到345kV電壓等級(jí)經(jīng)歷了 31年。在 345kV投運(yùn) 15年后，1969年建成了 765kV線(xiàn)路。 1952年，瑞典建成世界上第一條 380kV超高壓線(xiàn)路。 1965年，加拿大建成世界第一條 735kV超高壓線(xiàn)路。 6 電網(wǎng)的發(fā)展歷程 1952年，前蘇聯(lián)建成第一條 330kV線(xiàn)路； 1956年建成400kV線(xiàn)路； 1967年建成 750kV線(xiàn)路。從 330kV電壓等級(jí)發(fā)展到 750kV電壓等級(jí)用了 15年時(shí)間。 歐洲和美國(guó)，在超高壓輸電方面，主要發(fā)展 345kV、380kV和 750kV電壓級(jí)， 500kV線(xiàn)路發(fā)展比較慢。 1964年，美國(guó)建成第一條 500kV線(xiàn)路，從 230kV到 500kV輸電，時(shí)間間隔達(dá) 36年。前蘇聯(lián)的 500kV電壓等級(jí)是在 400kV基礎(chǔ)上升級(jí)發(fā)展起來(lái)的， 1964年，建成完善的 500kV輸電系統(tǒng)。 1985年，前蘇聯(lián)建成世界上第一條 1150kV特高壓輸電線(xiàn)路。從 500kV電壓等級(jí)到 1150kV電壓等級(jí)用了 20年時(shí)間。 7 我國(guó)發(fā)展特高壓的背景 我國(guó)在 2020年發(fā)電量將達(dá) 50005400TWh，發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到 11001200GW，與美國(guó) 2020年的預(yù)計(jì)發(fā)電量（ 5500TWh），發(fā)電裝機(jī)容量（ 1250GW）大體相近。 我國(guó)電力工業(yè)存在的主要問(wèn)題是 能源與負(fù)荷地理分布不均衡 ：約 68%的水力資源分布在西南地區(qū)，約 76%的煤炭資源分布在華北、西北地區(qū)； 70%的負(fù)荷則主要集中在東部沿海。 我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略 西電東送，南北互供，全國(guó)聯(lián)網(wǎng)。 目前的 500KV電網(wǎng)在傳輸長(zhǎng)度、傳輸能量、和限制短路電流等方面均不能滿(mǎn)足要求。 8 我國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展歷程 中國(guó)， 1949年前，電力工業(yè)發(fā)展緩慢，輸電電壓按具體工程決定，電壓等級(jí)繁多： 1908年建成 22kV石龍壩水電站至昆明線(xiàn)路； 1921年建成 33kV石景山電廠至北京城的線(xiàn)路； 1933年建成撫順電廠的 44kV出線(xiàn)； 1934年建成 66kV延邊至老頭溝線(xiàn)路； 1935年建成撫順電廠至鞍山的 154kV線(xiàn)路； 1943年建成 110kV鏡泊湖水電廠至延邊線(xiàn)路。 9 我國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展歷程 中國(guó)， 1949年新中國(guó)成立后，按電網(wǎng)發(fā)展統(tǒng)一電壓等級(jí)，逐漸形成經(jīng)濟(jì)合理的電壓等級(jí)系列： 1952年，用自主技術(shù)建設(shè)了 110kV輸電線(xiàn)路，逐漸形成京津唐 110kV輸電網(wǎng)。 1954年，建成豐滿(mǎn)至李石寨 220kV輸電線(xiàn)路，隨后繼續(xù)建設(shè)遼寧電廠至李石寨，阜新電廠至青堆子等 220kV線(xiàn)路，迅速形成東北電網(wǎng)220kV骨干網(wǎng)架。 10 1972年建成 330kV劉家峽 關(guān)中輸電線(xiàn)路，全長(zhǎng)534km，隨后逐漸形成西北電網(wǎng) 330kV骨干網(wǎng)架。 1981年建成 500kV姚孟 武昌輸電線(xiàn)路，全長(zhǎng)595km。為適應(yīng)葛洲壩水電廠送出工程的需要，1983年又建成葛洲壩 -武昌和葛洲壩 -雙河兩回500kV線(xiàn)路，開(kāi)始形成華中電網(wǎng) 500kV骨干網(wǎng)架。 1989年建成 500kV葛洲壩 -上海高壓直流輸電線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了華中 -華東兩大區(qū)的直流聯(lián)網(wǎng)。 我國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展歷程 11 2005年 9月，中國(guó)在西北地區(qū)（青海官?gòu)d 蘭州東）建成了一條 750kV輸電線(xiàn)路，長(zhǎng)度為 140.7 km。輸、變電設(shè)備，除 GIS外，全部為國(guó)產(chǎn)。 我國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展歷程 2008年 12月，晉東南 南陽(yáng) 荊門(mén)1000KV特高壓交流試驗(yàn)示范工程是我國(guó)首條跨區(qū)域特高壓交流輸電線(xiàn)路，始于山西長(zhǎng)治晉東南變電站，經(jīng)河南南陽(yáng)開(kāi)關(guān)站，止于湖北荊門(mén)變電站。 12 國(guó)外發(fā)展概況 13 國(guó)外發(fā)展概況 前蘇聯(lián) 1985年建成?；退箞D茲 科克切塔夫 庫(kù)斯坦奈特高壓線(xiàn)路，全長(zhǎng) 900km，按 1150kV電壓投入運(yùn)行，至 1994年已建成特高壓線(xiàn)路全長(zhǎng) 2634km 。 運(yùn)行情況表明：所采用的線(xiàn)路和變電站的結(jié)構(gòu)基本合理。特高壓變壓器、電抗器、斷路器等重大設(shè)備經(jīng)受了各種運(yùn)行條件的考驗(yàn)。 在 1991年，由于前蘇聯(lián)解體和經(jīng)濟(jì)衰退，電力需求明顯不足，導(dǎo)致特高壓線(xiàn)路降至 500KV運(yùn)行。 14 前蘇聯(lián) 1150kV輸電線(xiàn)路地理接線(xiàn)圖 15 國(guó)外發(fā)展概況 日本 日本是世界上第二個(gè)采用交流百萬(wàn)伏級(jí)電壓等級(jí)輸電的國(guó)家，從 1973年開(kāi)始特高壓輸電的研究。 1988年為了將福島、伯崎 6000至 8000MW的核電向東京輸送，開(kāi)始建立 1000kV線(xiàn)路。上世紀(jì)九十年代日本已建成全長(zhǎng) 426公里的東京外環(huán)特高壓輸電線(xiàn)路。 日本建設(shè)了鹽原、赤城兩個(gè)特高壓試驗(yàn)研究基地，對(duì)由多家制造商研制的特高壓輸變電設(shè)備在新近名特高壓變電站進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá) 8年的全電壓運(yùn)行考核。運(yùn)行情況良好，證明特高壓輸變電設(shè)備可滿(mǎn)足系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 16 日本東京電力公司建成的 1000KV線(xiàn)路 17 國(guó)外發(fā)展概況 美國(guó) 1967年，美國(guó)通用電氣公司（ GE）與電力研究協(xié)會(huì)（ EPRI）開(kāi)始執(zhí)行特高壓研究計(jì)劃，并在匹茲費(fèi)爾德市建立了特高壓試驗(yàn)中心。 1974年將單相試驗(yàn)設(shè)備擴(kuò)建為1000 15000kV三相系統(tǒng)。 美國(guó)邦維爾電力局（ BPA）有 2處特高壓試驗(yàn)站。 18 美國(guó) AEP-ASEA 特高壓試驗(yàn)基地 19 國(guó)外發(fā)展概況 全國(guó)各地參加 1000kV科研規(guī)劃的單位共有 7個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)和2個(gè)雷電記錄站 。 意大利 1000kV工程雷電沖擊試驗(yàn) 意大利 20 國(guó)外發(fā)展概況 瑞典 查麥斯大學(xué)高電壓試驗(yàn)場(chǎng)可進(jìn)行交流 1000kV電氣試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)建有 240m特高壓試驗(yàn)線(xiàn)段。另有 180m的絕緣子試驗(yàn)線(xiàn)段 原西德 當(dāng)時(shí)對(duì) 420、 800及 1200kV 3種電壓的輸電工程的研究進(jìn)行比較，結(jié)果表明：輸電電壓越高，線(xiàn)路走廊面積越小。隨著輸電距離的增加，1200kV輸電的優(yōu)越性更為突出 21 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 技術(shù)借鑒 前蘇聯(lián)早在 1985年就設(shè)計(jì)制造了全套特高壓輸變電設(shè)備，在投入 1150kV全電壓運(yùn)行后，變壓器、斷路器、電抗器、避雷器等變電設(shè)備運(yùn)行情況正常 從 1995年以來(lái)，日本的特高壓輸變電設(shè)備包括變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、高速接地開(kāi)關(guān)、避雷器、 CT、 PT等在新近名特高壓變電站進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá) 8年的全電壓運(yùn)行考核，不曾出現(xiàn)運(yùn)行故障 22 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 技術(shù)創(chuàng)新 我國(guó)是從 1986年開(kāi)始立項(xiàng)研究交流特高壓輸電技術(shù) 。 在武漢建立了特高壓試驗(yàn)研究基地，試驗(yàn)設(shè)備完全具備進(jìn)行各項(xiàng)特高壓試驗(yàn)的條件和能力。 我國(guó)的設(shè)計(jì)和制造單位通過(guò)西北 750kV工程，進(jìn)一步具備了制造特高壓設(shè)備的條件和基礎(chǔ)。 我國(guó)特高壓輸電技術(shù)還需在無(wú)功平衡措施、消除潛供電弧措施、限制過(guò)電壓的措施及絕緣配合、串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置、外絕緣、特高壓設(shè)備等問(wèn)題上進(jìn)行重點(diǎn)技術(shù)研究。 23 武漢特高壓交流試驗(yàn)基地 位于武漢市江夏區(qū)，規(guī)模為 220kV/120MVA降壓變壓器一臺(tái)， 1000kV/3 40MVA升壓變壓器一臺(tái)， 1000kV/1km單回 8分裂輸電線(xiàn)路一條， 1000kV/1km同塔雙回 8分裂輸電線(xiàn)路兩條。該基地?fù)?dān)負(fù)著我國(guó)特高壓交流輸變電工程多項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)，將為特高壓工程提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為制定我國(guó)特高壓相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為特高壓線(xiàn)路帶電作業(yè)方式研究提供平臺(tái)。 24 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 技術(shù)創(chuàng)新 2003年 9月， 中國(guó)第一個(gè) 750千伏輸變電示范工程 （蘭州東 青海官亭）在西北開(kāi)工建設(shè)，線(xiàn)路全長(zhǎng) 140千米。至 2005年 9月，僅用了兩年時(shí)間，世界上海拔最高、中國(guó)運(yùn)行電壓等級(jí)最高的 750千伏輸電線(xiàn)路正式建成投運(yùn)。 25 1000kV晉東南 南陽(yáng) 荊門(mén)特高壓交流試驗(yàn)示范工程 26 1000kV晉東南 南陽(yáng) 荊門(mén)特高壓交流試驗(yàn)示范工程 1000kV晉東南 南陽(yáng) 荊門(mén)特高壓交流試驗(yàn)示范工程起于山西晉東南（長(zhǎng)治）變電站，經(jīng)河南南陽(yáng)開(kāi)關(guān)站，止于湖北荊門(mén)變電站。全線(xiàn)單回路架設(shè)，全長(zhǎng) 640公里，跨越黃河和漢江。變電容量600萬(wàn)千伏安。系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓 1000千伏，最高運(yùn)行電壓 1100千伏。 工程于 2006年 8月取得國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)下達(dá)的項(xiàng)目核準(zhǔn)批復(fù)文件，同年底開(kāi)工建設(shè)， 2008年12月全面竣工， 12月 30日完成系統(tǒng)調(diào)試投入試運(yùn)行， 2009年 1月 6日 22時(shí)完成 168小時(shí)試運(yùn)行投入商業(yè)運(yùn)行，目前運(yùn)行情況良好。 27 1000kV晉東南 南陽(yáng) 荊門(mén)特高壓交流試驗(yàn)示范工程 工程全面實(shí)現(xiàn)了預(yù)期建設(shè)目標(biāo)，里程碑計(jì)劃如期完成，安全實(shí)現(xiàn)了零事故目標(biāo)，質(zhì)量達(dá)到了優(yōu)良級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，文明施工和環(huán)境保護(hù)目標(biāo)圓滿(mǎn)實(shí)現(xiàn)，工程投資得到了有效控制，科技創(chuàng)新取得了豐富成果，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化研制取得了歷史性突破。 從 2004年底開(kāi)始前期工作以來(lái)，我國(guó)僅用四年時(shí)間，建成了目前世界上運(yùn)行電壓最高、技術(shù)水平最先進(jìn)、我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的交流輸電工程，標(biāo)志著我國(guó)在遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗的特高壓輸電核心技術(shù)和設(shè)備國(guó)產(chǎn)化上取得重大突破，是我國(guó)能源基礎(chǔ)研究和建設(shè)領(lǐng)域取得的世界級(jí)重大創(chuàng)新成果，是世界電力發(fā)展史上的重要里程碑。工程的成功建設(shè)對(duì)保障國(guó)家能源安全和電力可靠供應(yīng)具有重要意義。 28 1000kV晉東南 南陽(yáng) 荊門(mén)特高壓交流試驗(yàn)示范工程 通過(guò)工程實(shí)踐，我國(guó)全面建成了世界一流的特高壓試驗(yàn)研究體系，全面掌握了特高壓交流輸電核心技術(shù)，全面建立了特高壓交流輸電標(biāo)準(zhǔn)體系，全面實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)電工裝備制造的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，全面驗(yàn)證了特高壓交流輸電的技術(shù)可行性、設(shè)備可靠性、系統(tǒng)安全性和環(huán)境友好性，全面培養(yǎng)鍛煉了技術(shù)和管理人才隊(duì)伍。特高壓交流輸電在我國(guó)已具備大規(guī)模應(yīng)用條件。 29 這是世界上首條投入商業(yè)運(yùn)行的1000KV特高壓線(xiàn)路。 1000kV晉東南 南陽(yáng) 荊門(mén)特高壓交流試驗(yàn)示范工程 30 31 我國(guó) 800kV直流輸電項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃 32 云廣直流工程 33 34 35 36 37 向家壩 上海 800千伏特高壓直流輸電示范工程 38 39 向家壩 上海 800千伏特高壓直流輸電示范工程 40 41 42 43 我國(guó)交流 1000kV特高壓線(xiàn)路建設(shè)規(guī)劃 44 特高壓輸電的優(yōu)點(diǎn) 提高輸送容量 縮短電氣距離 提高穩(wěn)定極限 降低線(xiàn)路損耗 減少工程投資 提高單位走廊輸電能力 節(jié)省走廊面積 改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu) 降低短路電流 加強(qiáng)聯(lián)網(wǎng)能力 45 特高壓輸電的優(yōu)點(diǎn) 提高輸送容量 交流線(xiàn)路的自然功率是表征其送電能力的一項(xiàng)指標(biāo)，其計(jì)算公式如下： 一回 1000kV特高壓輸電線(xiàn)路的自然功率接近 500萬(wàn)千瓦，約為 500kV輸電線(xiàn)路的 五倍 左右。 800kV直流特高壓輸電能力可達(dá)到 640萬(wàn)千瓦，是 500kV高壓直流的 2.1倍，是 620kV高壓直流的 1.7倍 . 46 特高壓輸電的優(yōu)點(diǎn) 提高輸送容量 單 回 線(xiàn) 路 的 輸 送 能 力 47 特高壓輸電的優(yōu)點(diǎn) 縮短電氣距離 提高穩(wěn)定極限 交流線(xiàn)路的輸送功率可按下式計(jì)算： 1000千伏線(xiàn)路的電氣距離相當(dāng)于同長(zhǎng)度 500千伏線(xiàn)路的 1/4 1/5。換句話(huà)說(shuō)，在輸送相同功率的情況下， 1000kV特高壓輸電線(xiàn)路的最遠(yuǎn)