中國特高壓的發展狀況及前景

文/張思豪（安徽科技學院）

第二次工業革命后，人類就步入了“電氣時代”，電能已成為應用最廣泛的能源，是現代文明不可缺少的重要組成部分。有電就有電網，輸電技術對電網來說是非常重要的一門技術。在輸電過程中，導線電阻產生的電能損耗隨著輸送能量的不斷增大、輸送距離的不斷延長也不斷增加，造成能源和經濟的損失。為了減少運送的損耗，同時把電送得更遠，會通過提升電壓來實現。特高壓就是為解決“如何將更多的電送到更遠的地方”這個問題而誕生的技術，是全球輸電技術中的制高點。中國已經建成了大量的特高壓，隨著中國新基建和“碳達峰、碳中和”方案的實施，中國的特高壓有著廣闊的應用前景。

一、 特高壓的內涵及國外特高壓發展狀況

1.特高壓的內涵

特高壓是指特高壓網絡，分為交流特高壓網絡和直流特高壓網絡，直流特高壓是指±800 kV 及以上的直流電輸電網絡；交流特高壓指的是1000 kV 及以上交流電的電壓等級的輸電網絡。

通常情況下發電廠與電力用戶相距甚遠，比如原煤產區發電廠與大城市的距離都有成百上千千米；考慮到安全的需要，核電大都建在遠離人口密集區域的沿海偏遠地區；水力發電大都分布在海拔較高的崇山峻嶺地區。這些情況都勢必要求把電能長距離傳輸到用電地區，但長距離輸電會帶來損耗，因此降低損耗一直是電力輸電技術追求的制高點。

根據物理學公式，輸電損耗與電流的平方成正比，與電路電阻成正比，即電流越大電力損耗越大，這就要求輸電線中電流越小越好。另外，從經濟性考慮，導線越細材料成本越低，也需要電流越小。從電功率計算公式

P

=

U

×

I

（

U

為傳輸電壓，

I

為傳輸導線中的電流）可以看出，在保證功率傳輸不變的前提下，如果降低電流就要求電壓相應提高。在長距離傳輸中，此做法既降低了傳輸電力損耗又大量節省了銅導線材料，經濟性和傳輸效率都得到明顯提高，這就是高壓電力傳輸的主要原理。

在輸電領域，“高壓”的概念是不斷更新的，隨著電力技術的進步，高壓的等級逐步提高。鑒于對實際研究工作與運行的需要，目前對電壓等級范圍的劃分統一為：35kV 及以下電壓等級稱配電電壓；110～220kV 電 壓 等 級 稱 高 壓；330 ～500kV 電壓等級稱超高壓；1000kV及以上電壓等級稱特高壓。隨著中國電力的不斷進步，中國已經處在大力發展和應用特高壓的階段。

2.國外特高壓發展狀況

國外發達國家特高壓技術起步比較早，在20 世紀60 年代就已經開始對特高壓的研究，美國、蘇聯、日本和意大利都曾建成交流特高壓試驗線路，進行了大量的交流特高壓輸電技術研究和試驗，最終蘇聯和日本建設了交流特高壓線路，但由于種種原因，建成的特高壓線路最終“降級”運行，沒有形成真正意義上的特高壓輸電網。

20 世紀80 年代，莫斯科建設了1150kV 輸電試驗站，1985 年8 月共建成了2 條1150 kV 輸電線路，分別從哈薩克和西伯利亞送電至烏拉爾地區，運行了5 年之后，由于前蘇聯經濟解體和政治原因，兩條1150kV輸電線路降壓運行，執行500 千伏電壓等級運行。1990 年意大利建造了 1050 kV 的試驗線段和1050/400kV 的變電站。日本特高壓輸電技術的研究是從1973 年開始起步的,投入了大量的人力、物力、財力進行了研究和試驗，在1988 年開始建設特高壓試驗線路，終于在1999年分別建成了190 km 的1000 kV 輸電線路(南北線)和240km 的1000kV輸電線路(東西線)，后來也由于種種原因，這兩條線路“降級”500kV 運行。美國在20 世紀也曾嘗試特高壓建設，美國電力公司、邦德維爾（BPA）電力局和通用電力公司都曾進行過特高壓技術研究和試驗，先后建成1100kV 特高壓輸電試驗線路共約500km。但美國是聯邦制國家，有500 多家獨立的電力公司，難以組成協調和統一的大電網，美國的電網分布完全是碎片化的，電網屬于區域性電網結構，大部分電網不能互相傳輸電能，也就失去了特高壓輸電的發展基礎，直到現在美國都沒有真正意義上的特高壓。

二、 中國大力發展特高壓的現實意義

隨著中國經濟的發展和社會的不斷進步，中國對電力需求與日俱增。但中國是世界上國土面積第三大國，資源分布極其不均衡，導致電力生產也極其不均衡。如70%的水力資源分布在我國的中部和西南地區，76%的煤電資源分布在我國的西北地區，清潔能源的風力發電和太陽能發電資源也主要分布在我國西北地區，而70%的電量需求卻出現在發達的東部沿海地區和中部地區。而傳統的輸電技術受輸電損耗大、輸電容量小、輸電距離短、穩定性差等因素制約，難以滿足社會發展需要。特高壓輸電技術從一出現就展現出在輸電供應方面的諸多優勢，對中國來說，大力發展特高壓意義非常巨大。

1.特高壓輸電能實現全國電力均衡配置

由于我國能源分布不均衡，在20 世紀，大規模、長距離運輸煤炭一直是中國能源配置的主要方式，鐵路新增運力的70%以上都用于煤炭運輸。通過鐵路運輸或水運將煤炭運送到能源需求地進行發電，電廠遍地開花，造成能源成本大幅度提高和資源不必要浪費。建設特高壓輸電網，可徹底扭轉中國電力發展長期受制于煤炭運力的難題。電廠沒有必要建在用電需求地，可以建在煤炭開采所在地，甚至建坑口電站，通過特高壓實現更大容量的電能輸送，滿足東中部用電需求，減少了煤炭運輸的麻煩。同時，西部的水電、風電資源豐富，也可通過特高壓送到東部和中部用戶。研究表明：1條1000kV 線路的輸送容量相當于5 條500kV 線路的輸送容量，一回路±800kV 直流電網輸送容量相當于500kV 直流電網的5～6 倍。特高壓的送電距離是超高壓的2～3 倍，如1000kV 特高壓交流輸電距離為1000～2000 千米，而±800kV 直流輸電距離可以達到3000km 以上。通過數條特高壓，就可以實現全國電力資源的均勻分配，解決我國部分地區電力資源緊缺問題。

2.特高壓輸電能降低輸電損耗

在遠距離輸電過程中，每年都會產生大量的損耗，造成能源的極大浪費。特高壓不僅能實現大容量遠距離輸電，更重要的是能減少輸電損耗。據數據統計，將電壓等級、額定輸送容量、輸送距離、負載率(基準值60%)等參數代入輸電系統運行損耗計算公式，得出同等輸電能力下，1000kV 損耗率最低，500kV 常規損耗率居中，500kV 緊湊損耗率最大。其中，500kV 常規損耗率是1000kV 的1.25～1.79 倍，500 千伏緊湊損耗率是1000kV 的1.77～2.92倍。因此，中國中西部大量能源以電能形式輸送到東部和中部，通過特高壓輸送，每年能節省大量的電力損耗。

3.特高壓輸電能節約材料成本和用地成本

我國雖然地域遼闊，但人口多，土地資源緊缺，尤其是東中部地區人口稠密、土地寶貴，特高壓輸電可以節省鐵塔用地和用材，無疑會產生重大的經濟效益和社會效益。有關研究資料顯示，相對于500kV 超高壓線路，輸送同樣的電力容量，1 條1150kV 特高壓可減少鐵塔用材三分之一，節約導線用材二分之一，節省包括變電所等在內的電網造價10%～15%。輸送同樣功率的電量，如果采用特高壓線路輸電可以比采用500kV 高壓線路節省60%的土地資源。在輸電過程中，特高壓能節約大量土地資源、保護環境,是優化能源資源配置的重要途徑。

三、 中國特高壓發展現狀及應用前景

1.中國特高壓發展現狀

早在20 世紀80 年代中國就已經開始1000kV 特高壓的研究與試驗；進入21 世紀，中國的特高壓研究取得重大突破，隨即進入大規模的應用和建設階段。目前，中國成為世界上唯一建有并且運行良好多條特高壓輸電線路的國家。

20 世紀80 年代后，“七五”“八五”和“十五”期間國家都有把特高壓輸電技術研究列入國家科技攻關計劃。1980 年至2000 年期間，科研機構在特高壓領域做了大量研究工作,在特高壓輸變電設備、特高壓變電站、特高壓輸電系統過電壓、絕緣配合及輸電線路對環境影響等領域取得了一批重要成果。21 世紀初，我國的特高壓技術研究已進入應用化和產業化階段。2005 年5 月底，國家電網公司啟動交流特高壓示范工程的初步設計工作,并確定了2005年內開工、2007 年內投產的目標。2009 年1 月，世界首個商業運行的特高壓示范工程，即陜北—晉東南—南陽—荊門特高壓線路建成，這項示范工程為1000kV 交流輸變電工程,起于山西省長治變電站，經河南省南陽開關站，止于湖北省荊門變電站，連接華北、華中電網，全長654 km。2010 年6 月，我國自主設計建設的云南—廣東±800kV 特高壓直流輸電工程建成投入運行。該項工程西起云南省楚雄州，東至廣東省廣州增城市，途經云南、廣西、廣東三省（區），特高壓線路全長1373 千米。兩項示范工程的成功建設和投入運行，標志著國家電網全面進入特高壓交直流混合電網時代。此后，我國特高壓線路如雨后春筍般快速建成。截至2020 年底，中國已建成“14 交16 直”特高壓線路，在建特高壓工程“2 交3 直”，已建和在建特高壓工程共計35 個，在運及在建特高壓線路總長度4.8 萬km。

2.中國特高壓發展前景

“十四五”期間及之后一段時間，中國還將建設多條線路的特高壓輸電工程。隨著中國新基建、“碳達峰、碳中和”和國家智能電網等概念的提出，特高壓在這些領域將發揮重要作用，有著廣闊的應用前景。

（1）特高壓在“碳達峰、碳中和”中將發揮重要作用。我國已提出力爭于2030 年前實現“碳達峰”、努力爭取2060 年前實現“碳中和”的目標，要實現這兩個目標，核心是控制碳排放。要實現控制碳排放，關鍵是大力發展清潔能源。核電、風電和水電作為清潔能源，由于產生地都在中西部，未來的發展都將有賴于特高壓電網。比如風電，我國五大風電基地主要分布在華北地區、西北地區、東北地區，僅新疆、甘肅、內蒙古、吉林等省及自治區的風電裝機就超過8000 萬千瓦，因此風電消納存在很大問題。只有借助特高壓電網才可將如此集中和不穩定的電力傳輸到華北和華中等負荷中心，更好地使清潔能源發揮作用。國家電網發布“碳達峰、碳中和”行動方案，承諾“十四五”期間將新增跨區輸電通道以輸送清潔能源為主，保障清潔能源及時同步并網；“十四五”規劃建成7 回特高壓直流，新增輸電能力5600 萬千瓦；到2025 年，其經營區跨省跨區輸電能力達到3 億千瓦，輸送清潔能源占比達到50%。到2030 年，公司經營區風電、太陽能發電總裝機容量將達到10 億千瓦以上，水電裝機達到2.8 億千瓦，核電裝機達到8000 萬千瓦。這些清潔新能源電能，都將依賴特高壓進行遠距離、大容量輸送。

（2）特高壓是新基建中的“新基建”。2020 年2 月14 日，中央全面深化改革委員會第十二次會議提出了新基建概念。新基建主要包括5G 基站建設、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數據中心、人工智能、工業互聯網七大領域，特高壓是新基建的重要組成部分，對整個新基建具有重要作用。新基建中的人工智能、智慧能源、綠色出行等，對電能的需求很大，要求配電網柔性化發展，滿足分布式能源及多元負荷“即插即用”需求，實現源—網—荷—儲高效互動。比如5G，它的基站建設數量將是4G的4～5 倍，每臺基站的耗電量是4G 基站的3 倍以上，也就是說，5G耗電量是4G 耗電量的12～15 倍甚至更多，需要消耗大量的電能，這些電能有賴于特高壓輸送。因此，中國要想在新科技領域占據一席之地，發展特高壓是大勢所趨，它是基建中的基建，是未來科技產業的底層保障。

（3）特高壓是構成智能電網的“骨干網架”。電網連接電力生產和消費，其運行效率是節約能源、提高電能利用率的關鍵。我國的傳統電網是區域電網，電源的接入與退出、能量的傳輸都缺乏彈性，運行效率非常有限。近年來，我國提出了以信息化、自動化為主要特征的“智能電網”概念，智能電網就是通過提升發電利用效率和電能在終端用戶的使用效率，以及推動水電、核電、風能及太陽能等清潔能源開發利用，每年可以帶來巨大的節能減排和化石能源替代效益。而建設智能電網，特高壓在智能電網中的地位非常高，作用非常大。它通過遠距離、大容量輸電把區域電網連結成全國統一的電網，形成智能電網，因此，特高壓是智能電網的“骨干網架”，發展智能電網，需要特高壓的支撐。