特高压输电技术E志者.ppt
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1、,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 713.29 G
2、W,年发 电量达 3255.9 TWh。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
3、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
4、 U:LV HV EHV UHV(绝缘投资与绝缘运行费用)P3 UI cos I I 2R R 高温超 导技术 cos HVDC(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:P U2/Z U2 _ 可见提高输电电压是 增大线路输送容量的 首选措施,LV HV EHV UHV(?)HV,UHV,LV,HV,EHV,1kV220kV 1000kV,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,LVLow Voltage(低压);EHVExtra High Voltage(超高压)
5、;HV High Voltage(高压);UHV Ultra High Voltage(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S 6m,对应的Ubd(s)1430
6、kV;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 Audible Noise 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
7、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Pitt
8、sfield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
9、路中长396km的一段。后来总共建成2362km 1150kV“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1
10、988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 TEPCO 1000 kV 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
11、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 750 kV 额定电流 4000 A 输送容量 6000 MW 输送距离 2414 km,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。
12、,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
13、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
14、电网西电东送方案所需土地资源比较,*输送总功率:P19200 MW;线路长度:l1500 km 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
15、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
16、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
17、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=40 cm.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(C
18、EPRI)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
19、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,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
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