电网中远期发展展望——先进输电技术及装备

/中国电力科学研究院副院长 高克利/

电网中远期发展展望
——先进输电技术及装备

/中国电力科学研究院副院长 高克利/

一、现状分析

（一）输电技术

（1）特高压输电技术

截止2016年底，国家电网公司的特高压工程已建成投运11个、在建（包括核准）7个，共18个，其中特高压交流工程7个，特高压直流工程11个，线路总长度达2.4万km。

世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的准东-皖南±1100kV特高压直流输电工程正式开工建设。

（2）先进架空输电技术

紧凑型输电技术：近年紧凑型输电技术取得重大成果，在各电压等级推广应用，成效显著。

同塔多回输电技术：我国已建成750kV、1000kV同塔双回输电线路，同塔多回输电技术是今后电网建设发展的必然趋势。

柔性交流输电技术：柔性交流输电技术的优越性已在输电工程应用中得到证明，如果核心部件造价进一步降低，将会在不远的将来比常规的输配电方案更具竞争力。

（3）电缆输电技术

“十二五”期间，500kV交流电缆及附件、320kV直流电缆及附件均实现国产化，并投入运行；超长220kV海底电力电缆及附件研究开发取得突破，得到工程应用；中国首条冷绝缘高温超导电缆系统在宝山钢铁股份有限公司投入实际供电线路。

直流±200kV 1×1000海底电缆MMJ剖切照片

（4）气体绝缘管道输电技术

美国AZZ生产的GIL已成功应用于黄河拉西瓦水电站交流800kV送出工程。我国已经成功研制了1100 kV GIL管道，在特高压淮南-南京-上海工程中开展替代GIS母线的试用，积累了宝贵经验，已启动泰州-苏州隧道安装GIL跨江工程的应用工作。

GIL三柱绝缘子结构

（5）其他新型输电技术

超导输电技术：高温超导电缆、限流器、变压器和电动机已进入示范试验运行阶段，高温超导磁储能系统也有相应的试验样机问世。

半波长输电技术：我国正在开展半波长输电关键技术研究。

多相输电技术：湖南大学在已研制成功的三相变四相及四相变三相变压器的基础上，提出了四相输电的方式。

分频输电技术：西安交通大学研究组利用电力系统动态模拟设备，在实验室条件下实现了分频输电。

微波输电技术：20世纪初期，美国开始系统研究用微波传送能量，主要应用领域是太阳能卫星发电站和飞机接收无线电力等。

激光输电技术：美国航天局正致力于研究利用激光给太空航天器输送电能的研究，并经试验取得了一定的进展。

（二）输变电装备技术

（1）变压器

“十二五”期间，我国变压器类装备研制取得显著进步：

1）1000MVA特高压变压器实现两柱结构，单柱容量达500MVA；研制出单台容量1500MVA样机，并实现局部解体和全部解体不同方式。

1500MVA特高压变压器样机

2）特高压电抗器实现单柱320Mvar的提升，成功研制出可控特高压电抗器样机。

3）特高压出线装置成功实现国产化。

4）±800kV特高压换流变压器（高端）通过消化吸收，实现国产化。

5）研制成功110～500kV智能化变压器样机。

智能变压器示意图

6）完成10.5kV/1.25MVA高温超导变压器研制，并开始挂网运行。

（2）开关

1）1100kV/6300A/63kA 特高压交流SF6GIS开关实现国产化。

63kA断路器结构

2）1100kV特高压交流旁路开关、旁路负荷隔离开关研制成功。

3）24kV/25000A/160kA 大容量SF6发电机断路器成套装置成功实现自主研制。

SF6发电机断路器成套装置结构形式

4）±800kV直流转换开关、±200kV直流断路器成套装置研制成功。

5）363kV集成式智能隔离断路器成功实现自主研制。

（3）套管

1）自主研制出1000kV特高压交流胶浸纸油——SF6套管、油浸纸油——SF6套管。

2）±1100kV特高压直流“V”形结构纯SF6气体绝缘穿墙套管样机研制成功。

3）自主研制出±800kV胶浸纸换流变阀侧套管、±800kV油浸纸换流变阀侧套管样机。

油浸纸油——SF6套管

胶浸纸换流变阀侧套管

（4）其他设备

1）串联电容器补偿装置：成功投入运行的世界上首套特高压串补装置，额定电流达5080A、额定容量达1500Mvar。

2）避雷器：交流1000kV、超/特高压直流避雷器、交流1000kV及直流±800kV、±1100kV直流线路避雷器研发取得重大进步；完成特高压交流开关型可控避雷器关键技术研究，提出了线路差异化防雷措施。

3）互感器与电容器：特高压罐式电容式电压互感器挂网试运行；电子式互感器可靠性有了很大提高，商业试运行已延伸至500～750kV智能变电站；110kV高压并联电容器技术也取得显著进步。

4）绝缘子：1000kV级瓷支柱绝缘子和复合支柱绝缘子成功应用于我国特高压交直流工程。550kN大吨位盘形悬式瓷和玻璃绝缘子全部国产化；840kN大吨位绝缘子研制成功并开始试运行；交流1000kV和直流±800kV棒形悬式复合绝缘子研制成功并大量应用于特高压工程；1000kN更大吨位的棒形悬式复合绝缘子首次研制成功；550kN特高压复合绝缘子开始试用于耐张串。

串联电容器补偿平台

特高压避雷器

罐式电容式电压互感器

（5）设备智能化

随着我国智能电网发展，提出一次电力设备、二次控制设备以及电子传感设备一体化设计、一体化试验、一体化交付运行的理念，获得了以下进展。

1）自主研制成功110～500kV智能电力变压器样机，并在智能电网工程中示范应用。

2）实现126～363kV集成式智能隔离断路器的国产化研制，满足系统高度集成、结构布局合理、装备先进适用、经济节能环保的要求。

3）研制成功110～800kV智能化开关设备（GIS），智能开关设备得到了大范围的运行。

二、技术愿景及分阶段目标

全球能源格局正在发生深刻变化，能源结构加快调整，清洁能源发展加快，多元化、清洁化和低碳化趋势明显。为了适应能源需求，需要全球能源互联和能源大范围的配置转移。技术创新是构建全球能源互联网的前提，特高压电网技术是关键，智能电网技术是基础，清洁能源发电技术是重点。

（一）技术需求

（1）更高电压等级输电技术及输变电装备的研究

全球能源互联对高效输电的需求。

（2）输电方式的技术提升

新能源比例增加和电网柔性可控的需求；交直流混联大电网潮流控制困难的需求；超/特大城市及区域城市化建设的需求。

（3）输变电装备的技术提升

智能电网的快速发展；特高压工程的规模化建设。

（二）总体愿景

1）掌握低耗、高密度柔性交直流输电技术，支撑多电压等级混联交直流输电网工程应用。

2）掌握各电压等级高可靠/环保型GIL和电缆技术，提升管廊输电能力和可靠性。

3）提高输变电设备的灵活可控性和节能环保水平，实现智能化和环保化变电设备普遍应用。

（三）远期技术愿景

（1）特高压输电技术

1）特高压交流输电技术：新一代特高压交流输电技术需能应对更复杂的电网运行条件。

2）±1100kV直流输电技术：依托±1100千伏准东-华东特高压直流输电工程，开展关键技术研究、核心装备研发和成套设计，全面实现国产化。

3）±1500kV直流输电技术：突破±1500kV直流输电过电压水平与绝缘配合、外绝缘特性和电磁环境控制等关键技术。研制出±1500kV换流变压器、平波电抗器、套管、换流阀及控制保护成套设备等核心装备。

（2）高可靠性/环保GIL输电技术

1）研究城市综合管廊构建技术、新型盾构技术，研究新型填充物GIL技术等，满足城市供电大容量和环保要求。

2）在特高压GIL方面，提高经济性，包括：采用专用绝缘件，简化管道单元结构，采用混合气体来代替SF6，采用现代管道铺设技术降低铺设成本，与交通隧道、桥梁和输气管道等统一规划以提高走廊利用率等。

（3）新型电缆输电技术

1）基础材料国产化取得突破，实现交流220kV、直流±500kV热塑性聚丙烯电缆绝缘材料的产业化。

2）提高国产XLPE高压电缆绝缘材料性能，开展500kV XLPE电缆绝缘材料的研发，推进电缆绝缘材料国产化。

3）开展±500kV直流海底电缆、750kV交流、±800kV直流电缆及附件研制，进一步提高材料的耐电强度的基础研究，开发高耐电强度的电缆绝缘材料。

（4）输变电装备技术

1）特高压变压器：解决单柱容量由500MVA容量向更高容量提升所带来的磁、热等问题；研制±1100kV及以上特高压换流变压器，并提高关键组件国产化率。

2）特高压开关：研制出额定短路开断电流80kA断路器；提升GIS绝缘设计的可靠性；实现小型化特高压GIS研制及工程应用。

3）特高压套管：打破国外垄断，研制出±800kV、±1100kV、±1500kV的穿墙套管和换流变阀侧套管。

4）高温超导变压器：突破低损耗超导复合导体制备、大口径玻璃钢杜瓦制作、长寿命低温制冷系统构造等关键技术，实现大容量高温超导变压器研制与工程示范。

5）设备智能化：研制自适应可调参数的电力变压器，掌握110kV/31500kVA及220kV/63000kVA电力变压器短路阻抗、容量、冷却系统控制等多参数自动调节技术，研制产品样机；实现传感器技术、数字技术、网络技术和通讯技术融合，全面实现基于变压器状态在线监测的调度辅助决策功能。

（5）直流输电网技术

1）如果高压直流断路器有所突破，未来远距离、大容量输电将以直流为主；

2）研究特高压、大容量的高可靠性特高压柔性直流输电技术；

3）研制电网直流断路器、直流变压器、直流潮流控制器和直流电网控制保护系统核心装备；

4）研究多电压等级混合直流输电网关键技术。

（6）环保型开关设备

环保型开关设备主要研究方向包括新型SF6替代技术，真空介质在高电压等级开关设备的应用，固体绝缘、环保型气体绝缘开关柜产品研制，新型可循环使用或快速降解绝缘材料在中压开关设备中的推广应用。

（7）超前创新性基础技术

1）多相输电：在输送相同容量电能的前提下节约出线走廊面积，降低总体工程造价。

2）分频输电：利用分频（50/3Hz）来降低系统电抗，从而可成倍提高系统传输容量，显著改善系统运行特性。

3）微波输电：传送的功率较为有限，能量转换的效率较低，设备的制造难度较大，有待进一步深入研究。

4）激光输电：优点是对电气绝缘没有要求，传送准确，可远距离输送电能，缺点是电功率与光之间的相互转换效率较低，且伴随有较强的电磁辐射。

（四）分阶段目标

（1）输电技术中期目标

1）掌握各电压等级高可靠性环保GIL技术，提升管廊输电能力和可靠性；

2）掌握±800kV 直流电缆及附件关键技术，生产出样品并通过试验检测；

3）环保型聚丙烯绝缘高压、超高压交直流电缆取得技术突破；

4）实现多相、分频、无线等超前性、概念性输变电技术在基础理论和应用方面的突破。

（2）输电技术远期目标

1）实现超导交直流电缆输电技术的工程应用；

2）多相、分频、微波、激光等超前性、概念性输变电技术部分实现工程应用。

三、关键技术的实现路径

（一）关键技术

（1）输电关键技术

（a）电气性能

1）为了满足±1 1 0 0 k V、±1500kV直流输电技术的需求，过电压水平与绝缘配合、外绝缘特性和电磁环境控制等关键技术亟待掌握；输变电装备亟待研制。

2）为了满足特高压同塔多回、特高压紧凑型、特高压交直流同塔输电技术的需求，尤其是在高海拔地区的应用，线路的外绝缘设计问题将是未来输电技术中需要攻克的难题。

3）为了满足高电压、高海拔、高污秽输电线路的需要，为了减少塔头尺寸以节约造价，未来的输电线路的复合绝缘子使用量将更大。为了进一步提高复合绝缘子的性能，需要研究伞裙护套具有超级憎水性的复合绝缘子，包括用纳米材料改性复合绝缘子的关键技术。

4）为了实现2050年的愿景，保证特高压、紧凑型、同塔多回、电缆、气体绝缘管道、超导等输电技术的规模化应用和可靠运行，需要在电气性能、安全运行和材料等方面开展相应的关键技术研究。

5）为了保证线路监测信号的传输，随着光电式互感器、光纤复合导线的发展，需要研究可靠的光纤绝缘子。

6）为了实现超导输电、无线输电等新型输电技术的工程应用，需要研究新型输电线路与传统线路交直流同塔、同走廊布置时的综合效应，研究输电走廊中的复杂混合电场和磁场相互影响下的电磁环境测量、评价指标、预测与控制技术。

（b）安全运行

1）未来线路电压等级高、塔形高，防雷的问题将比较严重，需要研究线路避雷器的优化应用关键技术并降低线路避雷器的造价。

2）为了保护绝缘子，减少检修的工作量，需要研究绝缘子并联间隙的关键技术。

3）研究新型冲击接地降阻材料和应用关键技术。

4）研究抵御线路覆冰、舞动，防冰、防舞动的关键技术和设备。

5）随着输送容量的增加，单位走廊内的输送容量越来越大，部分走廊狭窄地区可能出现集上千万千瓦为一塔的巨型杆塔。在这种情况下，极端自然灾害或者战争等突发事件很可能对电力供应造成极大冲击，线路的可靠性值得研究。

6）为了满足特高压同塔多回、特高压紧凑型、特高压交直流同塔输电技术的需求，尤其是在山区、大跨越地区，线路的防自然灾问题将日益突出。

（c）基础材料

1）为了满足大容量输电，节约输电走廊，需要深入研究耐热铝合金导线、钢芯软铝绞线和复合材料芯导线制造和应用关键技术。

2）为了满足降低电磁环境，尤其是电晕损耗、电阻损耗、无线电干扰和可听噪声等方面的要求，需要研究大截面导线和扩径导线制造和应用关键技术。

3）为了满足线路监测信号的传输，需要研究光纤复合地线和光纤复合导线制造和应用关键技术。

4）为了满足节约输电走廊的需要，特别是在市区和跨江线路（与大桥和隧道相结合）中，电缆输电和气体绝缘管道输电会被大量采用。需要研究高压交联聚乙烯电缆和气体绝缘管道输电的制造、应用和维护关键技术。

5）在超导输电方面，需要研究超导材料、低温材料、电缆制造、应用和维护关键技术。

（2）输变电装备关键技术

1）为了实现远期愿景，保证大容量、低损耗、小体积、环境友好、智能化输变电装备的大规模应用和可靠运行，需要在电气、材料、机械和智能化等方面开展相应的关键技术研究。

2）为了全面实现输变电装备制造的国产化，开展材料、工艺、设计技术等设备制造的基础、理论性研究。

3）在变压器方面，对特高压、大容量变压器、HVDC换流变压器应给与充分重视；对变压器铁心材料也应作深入研究；研究巨型变压器的现场组装技术。

4）在互感器方面，可靠性和电磁兼容、智能互感器的校验技术、互感器接口的标准化、全光型智能式互感器传感单元的稳定性、传统互感器的数字化改造等技术将是关键技术。

5）在开关方面，如下四方面的技术将是关键：高电压、大电流开断技术；环境友好技术；智能控制，选相分合闸，高速驱动，满足高操作性能、低操作过电压、高可靠性等要求的技术；新型快速开关及其成套装置技术。

6）为了实现SF6替代，需要研究新型环保气体（三氟碘甲烷、八氟环丁烷、C4和C5等）及其混合气体的设计制备、特性研究、试验检测和回收处理等关键技术，为设备应用打好基础。

（二）实现路径

关键技术的顺利实现是以基础理论研究的突破为前提的，其核心是复杂条件下的绝缘和新材料问题的解决。

在绝缘方面，需要研究长间隙、混合电场下的内绝缘和外绝缘。在新材料方面，需要研究新型导电材料（含超导）、导磁材料、绝缘材料、高强度材料、耐热材料及以上材料的混合体等。除此以外，新型传感设备、数据采集设备，数据传输设备的发展也将为输电技术提供更可靠、更经济、更智能的手段。

（本文根据作者在中国电器工业协会五届三次理事会报告会的讲话整理。）