如何选择特高压输电电压等级？

1.1.3.1　特高压交流电压等级

电压等级（标称电压）是电网的基础参数。确定交流特高压（UHVAC）电网的标称电压，既要考虑到最大送电容量和输送距离，也要考虑标称电压对系统调度运行的影响和对特高压输变电设备造价、制造难度的影响。特高压电网标称电压确定以后，还要确定相应的最高运行电压。交流特高压最高运行电压的确定，与电网结构、电网标称电压、无功补偿和调压手段、线路走廊的海拔高度以及输变电设备的过电压水平等诸多因素有关。从技术和经济两方面综合考虑，中国特高压标称电压确定为1000kV，最高电压为1100kV。表1-4为世界各国特高压的电压选择和设计输送功率[5-6]。

表1-4　各国特高压电压等级

注：*已建成的晋东南—南阳—荆门特高压交流输电示范工程全长640km（2009年1月投入运行）；淮南—沪西特高压交流双回输电工程全长642.7km（2013年9月投入运行）。

1）交流特高压线路的标称电压选择

（1）空气绝缘间隙饱和特性

对于特高压输电电压等级的选择，空气间隙绝缘的饱和特性是一个需要重点考虑的因素。因为随着电压的升高，气体介质的绝缘强度将随着距离的增加而呈现明显的非线性饱和趋势。图1-1给出了棒-棒和棒-板间隙下不同间隙距离的放电电压特性曲线，从图中可以看出气体介质的绝缘强度与绝缘间隙距离之间的饱和关系[7-8]。其中，图1-1（b）是在大量试验研究的基础上，根据不同学者提出的棒—板间隙距离与临界放电电压关系的回归公式画出的，与曲线对应分别称为EDF公式、CRIEPI公式和Rizk公式。从图1-1（b）可以看到，这3条曲线在间隙距离＜17m时比较接近，但在17m以上差别逐渐增大，其中EDF曲线的饱和趋势较显著，CRIEPI曲线的饱和趋势介于EDF和Rizk曲线之间。在这3条曲线中，CRIEPI公式已被IEC接受并用于求取间隙系数的计算中，该公式如式（1-1）所示。

图1-1　棒—棒和棒—板间隙下不同间隙距离的放电电压特性曲线

表1-5为800kV、1000kV、1150kV三种不同电压等级已经实施的输电线路工程所采用的相间绝缘气隙间距。

由表1-5可见，1000kV特高压输电线路的相间距离与800kV超高压输电线路相差不多，基本随电压增加而线性增加，而1150kV特高压输电线路相间绝缘距离比1000kV大得多，在1000～1150kV电压范围内绝缘间距随着电压的增加可能已出现较明显的非线性饱和趋势。一旦进入显著非线性饱和阶段，线路额定电压的小幅增加都需要明显增大气隙绝缘距离，这不仅导致特高压线路走廊宽度、设备体积和变电站占地面积的大幅增加，同时也增加了技术难度和总投资，而输电能力却增加不多。综上所述，从经济和技术上看，选择1000kV作为特高压输电线路电压等级是较为合理的。

表1-5　各已用电压等级相间绝缘间距

注：*1150kV电压等级为苏联特高压线路所选择，其绝缘间距很大不只因为绝缘要求，还因其土地资源丰富、较少考虑线路走廊限制，中国若发展1150kV电压等级，设计的绝缘间距可能小于该值。(www.xing528.com)

（2）按送电容量考虑

特高压交流输电电压等级的选择往往与大电源的外送功率有关。电压越高，输送功率越大。特高压电网的最大送电容量，主要由送端电源的容量来决定，输送距离取决于电源与负荷中心的地理分布。日本1000kV线路的单回送电容量约为5000～6000MW，美国BPA规划建设的线路选择额定电压为1100kV，送电容量为6000～8000MW；苏联因国土辽阔、能源丰富，而使得输电距离和输电容量均很大，它曾经规划建设数座容量为4000～6000MW的发电厂，共同向其欧洲部分负荷中心送电，外送容量可达上万兆瓦规模，由于它可以基本不考虑线路走廊限制，相应电压等级选在1150kV。

从中国电网互联的情况分析，交流特高压线路的正常输送功率绝大部分在4000～6000MW，交流特高压线路的输送距离一般在600～1500km。Г.A.依拉利昂诺夫推荐的电网最优电压U优与输送距离L及传输功率P的关系如下：

利用该式即可估算出我国特高压输电的最优电压，估算时考虑特高压输电线路的传输功率为5000MW，输送距离为1000km，代入式（1-2）可得U优=1000kV。结合我国电网的实际情况，特高压交流线路的输送容量及距离一般在上述计算值左右，因此选取1000kV作为交流特高压电网的标称电压，可以满足送电规模的要求。

（3）电压等级发展规律与中国电网结构

根据世界各国电压等级发展的规律，相邻等级的电压比一般应在2～3。新的电压等级不能选得太低，否则会造成电磁环网多、潮流控制困难、电网损耗大等问题；也不能选得太高，否则传输能力得不到充分利用，造成浪费。目前，154-345-765-1500kV级和110-220-500-1000kV级是两个国际上公认比较合理的电压等级。从中国电网结构的现状来看，除西北为330kV网架外，其余如东北、华北、华中、华东、南方等均为500kV网架。中国建设特高压电网是在华北、华中和华东建成坚强的交流特高压网架，并逐步向周边区域延伸，与西南水电外送的特高压交直流系统一起，共同形成覆盖大电源基地和负荷中心的特高压电网。由于西北地区已形成330kV和750kV超高压电网，采用330kV和750kV交流输电已经能满足要求，因此在目前的规划中，中国的西北地区不需建设特高压交流输电线路，但它可以通过规划建设特高压直流线路与全国联网。所以，中国的特高压输电电压等级选为1000kV，即主网架按照110-220-500-1000kV级电压等级系列发展是合适的。

（4）其他需要考虑的因素

中国一些特高压交流输电线路要经过西部地区，而西部的平均海拔高度约1000～2000m，高海拔地区对设备的外绝缘特性有较高的要求。选择适当的标称电压可以降低输变电设备的外绝缘水平，从而减少设备投资；另外，恶劣天气下的电晕损耗与运行电压成正比，在相同的临界电晕电压下，运行电压越高，线路的电晕损耗越大。在同一地区采用同型铁塔，与1150kV相比，选择1000kV的标称电压能够降低铁塔高度，节省绝缘子片数。特高压变压器的造价主要受外绝缘水平的影响，因此标称电压较高的特高压变压器造价要高于标称电压低的特高压变压器。此外，标称电压低的特高压电网可以减少无功补偿设备的投资费用。

2）交流特高压最高运行电压选择

系统最高运行电压对系统所需调相调压设备的容量，对发电机及输电线路的运行，对系统运行控制标准以及设备制造和成本都有影响。

系统最高运行电压上限受海拔高度、电晕损耗和设备制造规范化、标准化的限制。因此，最高运行电压不宜定得过高。从国内外特高压设备制造水平的实际情况来看，1000kV系统的最高运行电压不宜超过1100kV。

1.1.3.2　特高压直流电压等级

特高压直流（UHVDC）输电电压等级选择主要是由输电距离和输送容量来决定，工程设备从基本原理和结构上而言与±500kV直流输电类似，但由于承受的直流电压更高，因此对其内、外绝缘的要求更严格。目前，世界上已投入运行的最高直流电压等级是±800kV。

20世纪70年代以来，国外就开始进行特高压直流输电的研究并得出了一系列的研究成果。从经济和环境等角度考虑，输送距离在1000～3000km时，高于±600kV的直流输电是优选的输电方式；±800kV直流输电系统的设计、建设和运行技术难度相对较小，在中国已经成功建设并投入正常运行。基于目前的技术及可预见的发展，±1000kV直流输电系统在理论上是可行的，但在实践过程中还必须经过大量的研究、开发工作；但发展±1200kV及以上电压等级直流输电系统尚需要在技术上有较大的突破性进展。

建设±800kV级直流特高压工程可以实现大容量远距离的电力输送，减轻电煤运输和环保压力，同时显著降低工程造价、减少占用土地资源和降低网损。因此，确定中国直流特高压输电的额定电压为±800kV，在技术和经济上看是合理的。随着输电需求和输电距离的不断增加、±1000kV（±1100kV）直流输电技术的不断成熟，±1000kV（±1100kV）直流输电系统在将来也会有较大的发展空间。