文/張思豪（安徽科技學(xué)院）

第二次工業(yè)革命后，人類就步入了“電氣時(shí)代”，電能已成為應(yīng)用最廣泛的能源，是現(xiàn)代文明不可缺少的重要組成部分。有電就有電網(wǎng)，輸電技術(shù)對電網(wǎng)來說是非常重要的一門技術(shù)。在輸電過程中，導(dǎo)線電阻產(chǎn)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(jīng)濟(jì)的損失。為了減少運(yùn)送的損耗，同時(shí)把電送得更遠(yuǎn)，會通過提升電壓來實(shí)現(xiàn)。特高壓就是為解決“如何將更多的電送到更遠(yuǎn)的地方”這個(gè)問題而誕生的技術(shù)，是全球輸電技術(shù)中的制高點(diǎn)。中國已經(jīng)建成了大量的特高壓，隨著中國新基建和“碳達(dá)峰、碳中和”方案的實(shí)施，中國的特高壓有著廣闊的應(yīng)用前景。

一、 特高壓的內(nèi)涵及國外特高壓發(fā)展?fàn)顩r

1.特高壓的內(nèi)涵

特高壓是指特高壓網(wǎng)絡(luò)，分為交流特高壓網(wǎng)絡(luò)和直流特高壓網(wǎng)絡(luò)，直流特高壓是指±800 kV 及以上的直流電輸電網(wǎng)絡(luò)；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(wǎng)絡(luò)。

通常情況下發(fā)電廠與電力用戶相距甚遠(yuǎn)，比如原煤產(chǎn)區(qū)發(fā)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(yuǎn)離人口密集區(qū)域的沿海偏遠(yuǎn)地區(qū)；水力發(fā)電大都分布在海拔較高的崇山峻嶺地區(qū)。這些情況都勢必要求把電能長距離傳輸?shù)接秒姷貐^(qū)，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(shù)追求的制高點(diǎn)。

根據(jù)物理學(xué)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(jīng)濟(jì)性考慮，導(dǎo)線越細(xì)材料成本越低，也需要電流越小。從電功率計(jì)算公式

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為傳輸電壓，

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為傳輸導(dǎo)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(yīng)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(jié)省了銅導(dǎo)線材料，經(jīng)濟(jì)性和傳輸效率都得到明顯提高，這就是高壓電力傳輸?shù)闹饕怼?p>在輸電領(lǐng)域，“高壓”的概念是不斷更新的，隨著電力技術(shù)的進(jìn)步，高壓的等級逐步提高。鑒于對實(shí)際研究工作與運(yùn)行的需要，目前對電壓等級范圍的劃分統(tǒng)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(jìn)步，中國已經(jīng)處在大力發(fā)展和應(yīng)用特高壓的階段。

2.國外特高壓發(fā)展?fàn)顩r

國外發(fā)達(dá)國家特高壓技術(shù)起步比較早，在20 世紀(jì)60 年代就已經(jīng)開始對特高壓的研究，美國、蘇聯(lián)、日本和意大利都曾建成交流特高壓試驗(yàn)線路，進(jìn)行了大量的交流特高壓輸電技術(shù)研究和試驗(yàn)，最終蘇聯(lián)和日本建設(shè)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(yùn)行，沒有形成真正意義上的特高壓輸電網(wǎng)。

20 世紀(jì)80 年代，莫斯科建設(shè)了1150kV 輸電試驗(yàn)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(qū)，運(yùn)行了5 年之后，由于前蘇聯(lián)經(jīng)濟(jì)解體和政治原因，兩條1150kV輸電線路降壓運(yùn)行，執(zhí)行500 千伏電壓等級運(yùn)行。1990 年意大利建造了 1050 kV 的試驗(yàn)線段和1050/400kV 的變電站。日本特高壓輸電技術(shù)的研究是從1973 年開始起步的,投入了大量的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行了研究和試驗(yàn)，在1988 年開始建設(shè)特高壓試驗(yàn)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(yùn)行。美國在20 世紀(jì)也曾嘗試特高壓建設(shè)，美國電力公司、邦德維爾（BPA）電力局和通用電力公司都曾進(jìn)行過特高壓技術(shù)研究和試驗(yàn)，先后建成1100kV 特高壓輸電試驗(yàn)線路共約500km。但美國是聯(lián)邦制國家，有500 多家獨(dú)立的電力公司，難以組成協(xié)調(diào)和統(tǒng)一的大電網(wǎng)，美國的電網(wǎng)分布完全是碎片化的，電網(wǎng)屬于區(qū)域性電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，大部分電網(wǎng)不能互相傳輸電能，也就失去了特高壓輸電的發(fā)展基礎(chǔ)，直到現(xiàn)在美國都沒有真正意義上的特高壓。

二、 中國大力發(fā)展特高壓的現(xiàn)實(shí)意義

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的不斷進(jìn)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(dǎo)致電力生產(chǎn)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(qū)，76%的煤電資源分布在我國的西北地區(qū)，清潔能源的風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電資源也主要分布在我國西北地區(qū)，而70%的電量需求卻出現(xiàn)在發(fā)達(dá)的東部沿海地區(qū)和中部地區(qū)。而傳統(tǒng)的輸電技術(shù)受輸電損耗大、輸電容量小、輸電距離短、穩(wěn)定性差等因素制約，難以滿足社會發(fā)展需要。特高壓輸電技術(shù)從一出現(xiàn)就展現(xiàn)出在輸電供應(yīng)方面的諸多優(yōu)勢，對中國來說，大力發(fā)展特高壓意義非常巨大。

1.特高壓輸電能實(shí)現(xiàn)全國電力均衡配置

由于我國能源分布不均衡，在20 世紀(jì)，大規(guī)模、長距離運(yùn)輸煤炭一直是中國能源配置的主要方式，鐵路新增運(yùn)力的70%以上都用于煤炭運(yùn)輸。通過鐵路運(yùn)輸或水運(yùn)將煤炭運(yùn)送到能源需求地進(jìn)行發(fā)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(fèi)。建設(shè)特高壓輸電網(wǎng)，可徹底扭轉(zhuǎn)中國電力發(fā)展長期受制于煤炭運(yùn)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(shí)現(xiàn)更大容量的電能輸送，滿足東中部用電需求，減少了煤炭運(yùn)輸?shù)穆闊?。同時(shí)，西部的水電、風(fēng)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(dāng)于5 條500kV 線路的輸送容量，一回路±800kV 直流電網(wǎng)輸送容量相當(dāng)于500kV 直流電網(wǎng)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(dá)到3000km 以上。通過數(shù)條特高壓，就可以實(shí)現(xiàn)全國電力資源的均勻分配，解決我國部分地區(qū)電力資源緊缺問題。

2.特高壓輸電能降低輸電損耗

在遠(yuǎn)距離輸電過程中，每年都會產(chǎn)生大量的損耗，造成能源的極大浪費(fèi)。特高壓不僅能實(shí)現(xiàn)大容量遠(yuǎn)距離輸電，更重要的是能減少輸電損耗。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，將電壓等級、額定輸送容量、輸送距離、負(fù)載率(基準(zhǔn)值60%)等參數(shù)代入輸電系統(tǒng)運(yùn)行損耗計(jì)算公式，得出同等輸電能力下，1000kV 損耗率最低，500kV 常規(guī)損耗率居中，500kV 緊湊損耗率最大。其中，500kV 常規(guī)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(jié)省大量的電力損耗。

3.特高壓輸電能節(jié)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(qū)人口稠密、土地寶貴，特高壓輸電可以節(jié)省鐵塔用地和用材，無疑會產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。有關(guān)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(jié)約導(dǎo)線用材二分之一，節(jié)省包括變電所等在內(nèi)的電網(wǎng)造價(jià)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(jié)省60%的土地資源。在輸電過程中，特高壓能節(jié)約大量土地資源、保護(hù)環(huán)境,是優(yōu)化能源資源配置的重要途徑。

三、 中國特高壓發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

1.中國特高壓發(fā)展現(xiàn)狀

早在20 世紀(jì)80 年代中國就已經(jīng)開始1000kV 特高壓的研究與試驗(yàn)；進(jìn)入21 世紀(jì)，中國的特高壓研究取得重大突破，隨即進(jìn)入大規(guī)模的應(yīng)用和建設(shè)階段。目前，中國成為世界上唯一建有并且運(yùn)行良好多條特高壓輸電線路的國家。

20 世紀(jì)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(shù)研究列入國家科技攻關(guān)計(jì)劃。1980 年至2000 年期間，科研機(jī)構(gòu)在特高壓領(lǐng)域做了大量研究工作,在特高壓輸變電設(shè)備、特高壓變電站、特高壓輸電系統(tǒng)過電壓、絕緣配合及輸電線路對環(huán)境影響等領(lǐng)域取得了一批重要成果。21 世紀(jì)初，我國的特高壓技術(shù)研究已進(jìn)入應(yīng)用化和產(chǎn)業(yè)化階段。2005 年5 月底，國家電網(wǎng)公司啟動交流特高壓示范工程的初步設(shè)計(jì)工作,并確定了2005年內(nèi)開工、2007 年內(nèi)投產(chǎn)的目標(biāo)。2009 年1 月，世界首個(gè)商業(yè)運(yùn)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(xiàng)示范工程為1000kV 交流輸變電工程,起于山西省長治變電站，經(jīng)河南省南陽開關(guān)站，止于湖北省荊門變電站，連接華北、華中電網(wǎng)，全長654 km。2010 年6 月，我國自主設(shè)計(jì)建設(shè)的云南—廣東±800kV 特高壓直流輸電工程建成投入運(yùn)行。該項(xiàng)工程西起云南省楚雄州，東至廣東省廣州增城市，途經(jīng)云南、廣西、廣東三?。▍^(qū)），特高壓線路全長1373 千米。兩項(xiàng)示范工程的成功建設(shè)和投入運(yùn)行，標(biāo)志著國家電網(wǎng)全面進(jìn)入特高壓交直流混合電網(wǎng)時(shí)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(jì)35 個(gè)，在運(yùn)及在建特高壓線路總長度4.8 萬km。

2.中國特高壓發(fā)展前景

“十四五”期間及之后一段時(shí)間，中國還將建設(shè)多條線路的特高壓輸電工程。隨著中國新基建、“碳達(dá)峰、碳中和”和國家智能電網(wǎng)等概念的提出，特高壓在這些領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用，有著廣闊的應(yīng)用前景。

（1）特高壓在“碳達(dá)峰、碳中和”中將發(fā)揮重要作用。我國已提出力爭于2030 年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)，核心是控制碳排放。要實(shí)現(xiàn)控制碳排放，關(guān)鍵是大力發(fā)展清潔能源。核電、風(fēng)電和水電作為清潔能源，由于產(chǎn)生地都在中西部，未來的發(fā)展都將有賴于特高壓電網(wǎng)。比如風(fēng)電，我國五大風(fēng)電基地主要分布在華北地區(qū)、西北地區(qū)、東北地區(qū)，僅新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、吉林等省及自治區(qū)的風(fēng)電裝機(jī)就超過8000 萬千瓦，因此風(fēng)電消納存在很大問題。只有借助特高壓電網(wǎng)才可將如此集中和不穩(wěn)定的電力傳輸?shù)饺A北和華中等負(fù)荷中心，更好地使清潔能源發(fā)揮作用。國家電網(wǎng)發(fā)布“碳達(dá)峰、碳中和”行動方案，承諾“十四五”期間將新增跨區(qū)輸電通道以輸送清潔能源為主，保障清潔能源及時(shí)同步并網(wǎng)；“十四五”規(guī)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(jīng)營區(qū)跨省跨區(qū)輸電能力達(dá)到3 億千瓦，輸送清潔能源占比達(dá)到50%。到2030 年，公司經(jīng)營區(qū)風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到10 億千瓦以上，水電裝機(jī)達(dá)到2.8 億千瓦，核電裝機(jī)達(dá)到8000 萬千瓦。這些清潔新能源電能，都將依賴特高壓進(jìn)行遠(yuǎn)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(shè)、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(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)七大領(lǐng)域，特高壓是新基建的重要組成部分，對整個(gè)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(wǎng)柔性化發(fā)展，滿足分布式能源及多元負(fù)荷“即插即用”需求，實(shí)現(xiàn)源—網(wǎng)—荷—儲高效互動。比如5G，它的基站建設(shè)數(shù)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(lǐng)域占據(jù)一席之地，發(fā)展特高壓是大勢所趨，它是基建中的基建，是未來科技產(chǎn)業(yè)的底層保障。

（3）特高壓是構(gòu)成智能電網(wǎng)的“骨干網(wǎng)架”。電網(wǎng)連接電力生產(chǎn)和消費(fèi)，其運(yùn)行效率是節(jié)約能源、提高電能利用率的關(guān)鍵。我國的傳統(tǒng)電網(wǎng)是區(qū)域電網(wǎng)，電源的接入與退出、能量的傳輸都缺乏彈性，運(yùn)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(wǎng)”概念，智能電網(wǎng)就是通過提升發(fā)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(fēng)能及太陽能等清潔能源開發(fā)利用，每年可以帶來巨大的節(jié)能減排和化石能源替代效益。而建設(shè)智能電網(wǎng)，特高壓在智能電網(wǎng)中的地位非常高，作用非常大。它通過遠(yuǎn)距離、大容量輸電把區(qū)域電網(wǎng)連結(jié)成全國統(tǒng)一的電網(wǎng)，形成智能電網(wǎng)，因此，特高壓是智能電網(wǎng)的“骨干網(wǎng)架”，發(fā)展智能電網(wǎng)，需要特高壓的支撐。