1.特高压技术的难点与挑战

每一次提高电压都面临电力传输技术的障碍。每提高一个输电电压等级，都面临技术极限的突破与挑战。

（1）难题之一：提高电压与抑制电压

特高压，顾名思义就是用高等级的电压传输电能，科学家们千方百计提高传输电压等级，为何首要考虑的却是如何控制电压？“电压控制”是输电技术领域的重要概念，是指电源电压超过其额定值时的电压控制，包括三个方面：第一是运行电压控制，第二是内部过电压控制（包括暂时过电压、操作过电压以及特快速瞬态过电压），第三是雷击过电压控制（外部过电压）。

当电网正常运行时，线路50赫兹正弦波的电压是运行电压，比如1 000 kV特高压线路，正常运行的线电压是1 000 kV；500 kV超高压线路，运行电压就是500 kV，运行电压也被称为稳态电压。而过电压则是一种瞬态电压，只在某个瞬间突然出现，而不像正弦波那样反复不变。过电压要比运行电压高很多，如果以音响设备比喻，播放正常音量时可视为运行电压，而当插拔信号线瞬间发出的“砰砰”巨响可以视为过电压。电网里日常的线路、变压器、并联电抗器的投切、分合闸，乃至线路故障等都会引起线路的过电压，统称为内部过电压。而线路、杆塔、地线避雷线遭到自然雷击引起的过电压称为雷击过电压。

从超高压500 kV到特高压1 000 kV，电压等级翻了一番，控制电压的允许值是简单的倍数关系吗？显然“不是的”。实际上，特高压允许运行电压升高的过电压裕量反而变小了。以运营电压做基础是1倍，在110 kV、220 kV时过载电压有3倍的裕度，当电压为500 kV时是2.0倍，750 kV是1.8倍，到1 000 kV特高压时只有1.6倍的裕度。裕度，是指留有一定余地的程度。

特高电压输送的能量大、距离长，但是从技术的要求上看，越是高电压等级，操作过电压允许的倍数越小，意味着电压控制更加困难。使用什么手段抑制特高压内部过电压与雷击过电压呢？从2004年开始，中国电力科学研究院先后有几十位科研人员做1 000 kV特高压交流输电系统过电压的研究，研究课题包括标准电压选择、过电压与绝缘配合、防雷防护、同塔双回路系统断路器瞬态、稳态过电压与电磁暂态优化等十多项研究。这些工程急需的科技成果，特别是相关参数经过仿真计算以及试验验证后，有力支撑了特高压设备研发与选型。

（2）难题之二：污秽环境下外绝缘子的配置

环境的恶化，对哪个行业影响最大？如果说是电网并不夸张。我国大气污染日益严重，工业生产排出的含盐废气，包括钠、钾、钙等，随时对输电线路绝缘进行攻击。

如果注意观察，在高压输电塔上悬挂一串串多盘伞状的绝缘子，它的下端就拴着高压线。日积月累飘落在绝缘子上的污秽灰尘，当遇到水分，包括雾、积雪融化和毛毛雨时，灰尘溶解瞬间变成了导电体，在电场作用下出现强烈的放电现象，此时电网容易出现短路事故。绝缘子短路导致电网断电的重要原因，不是绝缘子本身被“击穿”，而是沿着绝缘子表面的空气被高压电“击穿”，电学中称为“闪络”，俗称“污闪”。20世纪90年代北京办亚运会前，华北500 kV电网就曾发生过大面积“污闪”事故。

为了确保线路的安全运行，以往国际上通常采用停电清扫、不停电清扫和带电水冲洗方法。以200 kV以上高压输电线路为例，据美国能源信息署（EIA）统计，2012年美国200 kV以上高压输电线路只有30.7万千米，而中国达到51.4万千米，是美国的1.68倍。假设以高压输电两塔之间档距50米估算，约有1 000万个输电塔需要人工经常清扫。20世纪80年代以来空气污染日益严重，电力科学家寻找到一种叫硅油的憎水性涂料，把它涂到陶瓷绝缘子表面，以增加绝缘子的憎水性。

随着各国的输电网向特高压、大容量、远距离输送方向的发展，传统绝缘子面临着巨大的挑战，一方面由于输电线路经过的绝大部分地区面临难以解决污秽的问题，另一方面沿用瓷绝缘子增加片数会增加塔的承重。使用复合材料绝缘子，不仅抗污闪性能好，也可减小塔头尺寸，同时减轻线路运行维护的工作量和停电次数，为电网带来巨大的经济效益。

使用复合绝缘子在超高压、特高压输电线路上的运行，国外积累了一些经验，比如加拿大、美国、苏联均在高电压等级输电线路上部分采用了复合绝缘子。中国建设特高压电网，工程技术人员也瞄准了具有高抗张强度和高抗冲击性且重量轻的硅胶复合绝缘材料。但是，在特高压电网使用复合材料绝缘子，最大的约束条件是环境污染对绝缘子的影响，这是上述国家没有遇到的，也是中国的国情。我们的环境条件与日本和俄罗斯有很大的差别，他们的参数不能套用。我国1 000 kV交流输变电工程，绝缘子在整个工程造价中约占7%，在设计和设备选型阶段，绝缘子污秽外绝缘配置问题是输电线路设计的重大问题之一。

目前，我国新建输电线路中，复合绝缘子的使用比例达到了43.7%；在特高压线路中，这一比例高达2／3。复合绝缘子为我国大电网的建设和运行提供了可靠保障，技术处于世界领先水平。

（3）难题之三：控制电磁环境与控制电场

设想一下，如果一条上千千米的特高压输电线全线处处发生频闪的蓝色晕光，并伴随发出“嘶嘶”的声音，会是个什么情形？

蓝色晕光被称为电晕，英文词是corona，与日冕共用，与日冕产生高温和辐射同理，发生电晕会出现放电现象，它产生的高频脉冲电流以及多高次谐波，将对无线电通信造成干扰。输电线路所经之地，无线电信号接收质量下降，尤其在雨、雪、雾天状况下会引起电晕损耗，造成电能的极大浪费。所以，控制导线导体表面的电场，抑制产生电晕，成为建设高电压等级输电网的第三个难题。

苏联是世界上最早开展特高压输电技术研究的国家之一，也是迄今为止世界上唯一有过特高压输电工程运行经验的国家。1985年8月，世界上第一条1 150 kV线路（埃基巴斯图兹—科克契塔夫—库斯坦奈）在额定工作电压下带负荷运行，但是，放电声和电晕光环一直困扰着科学家。苏联特高压输电线路自建设初始，可听噪声与电晕指标就稍高于规定值，但由于线路大部分处于地广人稀地段，加之后来降压到500 kV运行，对环境影响有限，实际上特高压的电磁环境控制，是个尚未被攻克的难题。

中国与当时的苏联经济资源地理分布状态不同，中国特高压线路的输送终端是沿海工业发达与人口稠密地区，如果不能有效限制在高电压与大电流作用下产生的强电磁环境，高频脉冲电流对无线电信号的干扰及所产生的臭氧和氮氧化物将严重污染环境，更大的问题是工频磁场对人体、动物乃至植物的损害。在高压输电线路上如何限制电晕引起的能量损耗和电磁波对无线电的干扰，成为中国建设特高压输电网技术创新的另一个战场。

国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）与电气和电子工程师协会（IEEE）规定了工频电场和磁场的限制值：工频电场强度的限制值，线下最大电场强度为10—15 kV／m，公众活动区或邻近民房区域电场强度小于5 kV／m；工频磁场不得超过100微特斯拉（工频磁场磁感应强度单位）。当中国建设特高压试验工程的时候，上述两个指标仍是空白，此前，只有对500 kV以下输电网的限制值标准。在中国特高压电网参数指标设计阶段，中国选择了国际通行的限制值标准。

高压架空线路在其周边产生的工频电场强度主要取决于线路电压等级的高低，随电压等级的提高，周边电场强度呈递增现象，在特高压输电线路的设计阶段，怎样有效控制电磁环境，抑制电晕现象，导线结构、对地高度和金具优化设计是十分重要的。

科学家们花了两年的时间，通过大量的仿真计算得出结论：在其他参数不变的情况下，随导线截面的增大，输电线路的表面场强减小，电晕损失也相应减少，无线电干扰与噪声污染也大大降低。科学家们通过分析1 000 kV交流输电线路不同分裂形式和不同子导线直径的导线表面电位梯度、导线起晕电压、导线电晕损耗、无线电干扰和可听噪声，比较了各种导线方案的优劣，最终结合工程提出了满足电气性能和机械特性要求、适合我国特高压输电的导线截面及分裂形式，900平方毫米大截面钢芯铝绞线和扩径线最终研制成功。

如果细心观察特高压输电塔上的导线，这种超大截面的导线被固定在有8个孔径的间隔棒中，高等级电压正是通过八分裂的导线传输电流。到2020年，我国规划将建设2万多千米特高压线路，为今后特高压输电线路更大输送容量考虑，国家电网正在进行更大截面（1 000、1 050、1 120平方毫米）的架空导线选型方案的研究。新型导线产品的研制已经成为特高压输电工程建设中迫切需要解决的问题。

（4）难题之四：特高压设备的研制

武汉的两个变电站：其一是建于1982年的凤凰山变电站，这是我国第一座500 kV变电站；其二是荆门变电站，它是我国首个1 000 kV特高压交流试验示范工程三个变电站之一。仅就感官上体验，两个变电站输电等级相差一倍，但在特高压荆门变电站设备场地，只能听到微弱的电磁声，测量噪声分贝值是36分贝，而凤凰山变电站的场地噪声是60分贝。荆门特高压变电站所有的设备均为中国制造，而凤凰山变电站主要设备都是从日本进口。

国际上对特高压输电线路可听噪声的限值是50—60分贝，日本对环境要求严格，限值为50分贝，美国、意大利等国可听噪声限值处于50—60分贝之间。

毫无疑问，变电站噪声来自变电站的各种设备，包括特高压变压器、并联电抗器、封闭开关以及特高压避雷器、电压互感器、高压绝缘子等等。为什么1 000 kV变电站环境噪声低于500 kV变电站？解释只有一个：中国电工制造技术已经达到世界领先水平。

此前，中国500 kV输电网设备需要进口大容量变压器、电抗器等，而现在中国企业已建成世界同行中产能最大、水平先进、主辅配相对完整的交直流输变电成套设备制造体系，这是输变电设备制造业近十年来的巨变，标志我国特高压设备制造处于世界领先的地位。

相关数据显示，目前，国内企业已占据我国输变电设备市场主导地位，并进军国际市场，实现了高端产品出口零的突破。国内企业在高端产品市场（500 kV及以上）份额，已从2005—2008年的42%上升至2009—2010年的63%。2009年以来，在国际金融危机的不利影响下，特高压主设备制造企业出口不降反升，500 kV以上产品的出口总额达100亿元，年增长率超过50%。特高压建设不仅提升了我国高端装备制造产业——电工制造的水平，也提高了全国乃至全球市场的竞争力。

2.中国特高压建设示范工程及远景规划

（1）中国的特高压技术研究与建设情况

中国特高压技术研究起步于1986年，中国电力科学研究院、武汉高压研究所、电力建设研究所和有关高等院校开展了特高压输电的基础研究，利用各自特高压试验设备进行了特高压外绝缘放电特性，特高压输电对环境的影响研究，架空线下地面电场的测试研究，工频过电压、操作过电压的试验研究等。近年来，随着特高压试验示范工程的前期研究和开工建设，国家电网公司组织实施了近百项关键技术课题攻关，涵盖了换流技术、设备技术、试验技术、运行技术、电磁环境、建设工期等多个方面，在特高压输电的关键技术领域取得了一系列重要成果：确定了特高压电网的电压标准，明确了特高压电磁环境指标的限值，确定了过电压和绝缘配合方案，确定了特高压直流工程标准输电容量，论证了特高压输电的经济性，在绝缘配合、高海拔研究、防雷研究等领域已经达到国际先进水平。

在工程建设方面，根据2016年国家电网社会责任报告，在运在建的特高压工程20项，线路总长度超过3万千米，变电（换流）容量达3.2亿千伏安（亿千瓦），累计送电超过6 150亿kWh，如表8-3所示。依托大电网发展新能源，国家电网新能源成为世界风电并网规模最大、太阳能发电增长最快的电网。

根据我国能源资源禀赋和“西电东送、北电南供”的电力流向，国家电网发展呈现东北、西北、西南为送端，华北、华中、华东为受端的基本格局。到2020年，特高压电网形成以华北、华中、华东为核心，连接各大区域电网、大煤电、大水电、大核电、大型可再生能源基地和主要负荷中心的坚强电网结构。到2020年，规划新增直流工程共计33个，其中直流输电工程30个、背靠背工程3个，送华北、华中、华东同步电网直流29回，其中送华北8回、送华中9回、送华东12回。

为落实我国“一带一路”倡议，特高压直流将率先批量走出国门，其中将建设4条国际互联特高压和超高压直流线路：哈萨克斯坦—南阳±1 100 kV特高压直流工程；俄罗斯—河北霸州±800 kV特高压直流工程；蒙古—天津±660 kV直流工程；新疆伊犁—巴基斯坦±660 kV直流工程。

表8-3　国家电网在运在建特高压工程

资料来源：《2016年国家电网社会责任报告》(www.daowen.com)

（2）交流特高压示范工程简介

1 000 kV特高压试验示范工程起于山西省长治市，止于湖北省荆门市，线路全长640千米。包括三站两线：1 000 kV特高压长治站、南阳站、荆门站；长治至南阳1 000 kV输电线路358.7千米（含黄河大跨越）、南阳至荆门1 000 kV输电线路281.3千米（含汉江大跨越），铁塔1284基，系统额定电压1 000 kV、最高运行电压1 100 kV。工程连接华北、华中两大区域电网，做到水火互济，优势互补。

建设里程碑：

2006年8月，国家发改委核准建设试验示范工程；

2006年12月，三个变电站土建及两个线路大跨越工程开工；

2007年4月，一般线路工程全面开工；

2008年12月，工程全面建成；

2008年12月8—30日，完成系统调试；

12月30日22时，投入168小时试运行；

2009年1月6日22时，投入运行。

①长治站

长治站位于山西省长治市长子县石哲镇，距长治市22千米，围墙内占地面积212亩。装设2组3×1 000 MVA主变压器、1组3×320 Mvar高压电抗器；1 000 kV出线1回、3／2断路器接线，采用GIS设备；500 kV采用H-GIS设备；装设4组240 Mvar低压电抗器、8组210 Mvar低压电容器。长南1线线路长治侧安装固定串联电容器补偿装置，补偿度20%。

②南阳站

南阳站位于河南省南阳市方城县赵河镇，距南阳市约30千米，占地262亩。装设2组3×1 000 MVA主变压器；长南1线线路南阳侧安装固定串联电容器补偿装置，补偿度20%，总容量1 500 Mvar；南荆1线线路南阳侧安装固定串补装置，串补度40%，总容量2 288 Mvar；110 kV低压侧装设4组240 Mvar低压并联电抗器，8组210 Mvar低压并联电容器。

③荆门站

荆门站位于湖北省荆门市沙洋县沈集镇，距荆门市25千米，占地面积213亩。装设2组3×1 000 MVA主变压器、1组3×200 Mvar高压并联电抗器；1 000 kV采用3／2接线，出线1回，至南阳变电站，500 kV出线6回，采用H-GIS设备；装设4组240 Mvar低压并联电抗器，8组210 Mvar低压并联电容器。

④1 000 kV输电线路

铁塔采用酒杯型、猫头型、干字型和门型4类49种型式，主材采用Q420高强度钢，平均塔高77.2米、塔重70.5t。

线路在河南孟州市跨越黄河，采用耐—直—直—直—耐方式，主跨越档1.22千米、耐张段长3.651千米；在湖北钟祥市跨越汉江，采用耐—直—直—耐方式，主跨越档1.65千米、耐张段长2.956千米。

黄河大跨越塔呼称高112 m、全高122.8 m、单基重460.25 t，汉江大跨越塔呼称高168 m、全高181.8 m、单基重989.5 t。

一般线路导线采用8×LGJ-500／35、8×LGJ-630／45（猕猴保护区，3.946千米）钢芯铝绞线，大跨越采用6×AACSR／EST-500／230特强钢芯高强度铝合金绞线。

（3）直流特高压示范工程

向家坝—上海±800 kV特高压直流输电示范工程承担着金沙江下游大型水电基地的送出任务，起于四川宜宾复龙换流站，止于上海奉贤换流站，途经四川、重庆、湖北、湖南、安徽、浙江、江苏、上海等8省市，四次跨越长江。线路全长1 907千米。工程额定电压±800 kV，额定电流4 000 A，额定输送功率640万kW，最大连续输送功率720万kW。工程于2008年06月开工建设，2009年12月单极带电。

①复龙换流站概况

复龙换流站交流系统设备全部为国内生产制造，双母3／2接线方式，9个完整串和1个不完整串（GIS），9条500 kV交流出线，14小组交流滤波器，1组高压并联电抗器。直流系统设备全部为国内首台首套，4个阀厅，2 880个6英寸电触发晶闸管，28台换流变压器，9台平波电抗器。

②奉贤换流站概况

奉贤换流站是±800 kV向家坝—上海直流输电工程的受端换流站，换流站位于上海市奉贤区，工程总用地面积17.48公顷，直流额定输送功率6 400 MW，直流额定电压±800 kV，直流额定电流4 000 A，直流线路一回，送电距离约2 071千米。每极采用两组12脉动换流器串联，换流变压器（24＋4）×297.1 MVA（其中4台备用）。

3.我国特高压建设取得成功的关键

我国特高压建设取得成功的关键，在于中国经济实力的支撑，在于我国能源科研团队长期的技术跟踪，在于我国能源体制的优越性。

2004年年底，国家电网公司正式提出发展特高压输电技术，为何在短短5年后就能够建成一条特高压输电示范工程？实际上，中国特高压输电技术的研究一直跟踪着国外的技术发展。过去电力部门下属的科研单位，从1986年起，就做一些跟踪性的可行性与实验性研究，但是研究的深度和广度都还没有达到技术适用的程度。2004年国家电网公司提出在中国研发和应用特高压输电技术后，组建了一支超大规模的创新团队，形成了名副其实的产学研协同攻关模式，专门成立了特高压建设部，组织上万人参与技术研发与工程建设。

除了技术跟踪之外，我们能用较短的时间就取得成功还得益于中国的体制优势，我们的体制优越性就是集中力量办大事，特别是配置资源的能力、组织协调的力度，能够真正实践产学研协同创新，这些方面俄罗斯、美国、日本、意大利同行们是无法与我们相比的。

（1）通力协作，依靠群体力量

“特高压是个产业集群。”在业内人士看来，特高压能够走到今天，得益于大范围高水平协作，依靠群体创新的力量，一起构成具有可持续竞争力的产业生态系统。特高压输电技术，无疑是迄今为止难度最大、最复杂的一项电力技术成就。提升一个电压等级，意味着超越现有的世界电力技术、标准、建设管理经验。

（2）引进、吸收、消化、再创新这条路，在特高压面前走不通

特高压项目启动之初，国际上没有成熟的技术和经验，没有可供借鉴的标准规范，就连国外不成熟的特高压技术也对中国人封锁严密。2006年，国家电网公司考察组赴美国电科院考察，对方热情接待，但一到试验基地，对方不给数据、不准记录、不许拍照，保密十分严格。

（3）联合创新、开放创新激发出强大的创造力

国家电网公司创立了一种全新、有效的机制，以国家电网公司为创新主体，立足国内自主创新，紧密联合国内科研、设计、制造等机构，按照“基础研究、设备研制、系统集成、试验验证、工程示范”的技术路线，集中优势资源，产学研用协同攻关。