直流输电设备行业分析报告.docx

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直流输电设备行业分析报告

2011年直流输电设备行业分析报告

2011年3月

一、直流输电及其相关设备

1、直流输电及其发展

直流输电，顾名思义，是以直流的形式将电能从发电端输送到送电端。

早期的直流输电仅仅是将直流发电机发出的电能传输给直流用电设备，那时的输电距离较短，容量较小。

交流发电机和变压器发明后，由于变压器可以方便得将发电机发出的电能进行电压变换，因而交流输电技术获得了飞速发展，与此相对应的是直流输电一度停滞不前。

随着人们对换流技术的掌握，交流电和直流电得以方便的实现转换，直流输电大容量、长距离输电的优势得以体现，从而使得现代大容量、长距离直流输电技术得以获得长足发展。

2、直流输电系统构成

直流输电系统由两端的换流站和中间的输电线路组成。

在输送端，换流站将交流电转换成直流，通过直流输电线路传输后，到达接收端后，接收端的换流站再将直流电逆变成交流电，供用户使用。

输送端和接收端的换流站虽然功能完全相反，但换流站的构造完全相同，因此可以较容易得实现潮流翻转。

3、直流输电线路的构成

与交流输电线路沿线需要配备变电站或开关站不同，直流输电线路除两端的换流站之外，中间不再需要换流站，因此，直流输电线路的造价基本上与距离成正比。

直流输电线路可以是一根、两根或三根导线。

在单极输电的情况下，可以用两根导线分别作为输电线路和回路，也可以大地为回路，用一根导线便可实现电能的传输。

在双极输电的情况下，可以用两根导线分别作为正负极输电线路，一根导线作为回路，也可以直接以大地作为回路，两根导线分别作为正负极实现电能传输。

从线路的基础构件来看，直流输电线路基本上由杆塔、导线和地线以及绝缘子和金具构成。

4、换流站的主要设备

在直流输电系统中，换流站的构成较为复杂，其组成设备技术含量高，因此直流输电系统的造价主要体现在换流站中。

换流站由换流阀、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、静电电容器、直流滤波器及控制保护系统组成。

换流阀是换流站的核心组成部分，也是技术含量最高的换流站组件之一。

其基本功能是实现交直流功率的互换。

早期的换流阀由汞弧阀组成，但汞弧阀的可靠性较差，换流阀无法实现大容量换流。

20世纪70年代以后，随着晶闸管技术的发展，因其具备精确的响应及关断能力从而代替汞弧阀在换流阀中获得了广泛的应用。

为适应高电压、大容量直流输电技术的发展，目前晶闸管电压等级和电流容量不断扩大：

6英寸，4500A的晶闸管已经在工程实践中获得应用。

现代直流输电用换流阀通常是由12个（或6个）换流桥组成的12脉动（或6脉动）系统，其基本构成是具备快速关断能力的晶闸管元件。

换流变压器是换流站中另一个技术含量最高的核心组件。

其基本功能是向换流阀提供12脉动或6脉动交流功率或从换流阀接受直流功率。

其设计和制造都较普通变压器具备较高的技术难度。

换流变压器的其他功能是可以实现交、直流侧的电压匹配和电隔离，还可以限制短路电流。

平波电抗器安装在换流阀的直流侧，也是换流站中保持系统运行稳定的必不可少的设备。

它基本上具备三个功能：

和直流滤波器一起限制谐波，起滤波作用，即减少直流侧的交流脉动分量；在最小电流运行时，使电流保持连续；直流送电回路发生故障时，能抑制电流的上升速度。

控制保护装臵是实现直流输电正常起停、正常运行、自动调节、故障处理与保护等功能的设备，它保证直流输电运行的可靠性。

目前，控制保护装臵均采用高性能的微机处理系统。

在使用大地作为回路的直流输电系统中，两端换流站还需要有接地极和接地极线路。

直流输电系统运行时换流阀的交流侧和直流侧都会产生谐波，因此，在两侧需要装设交流滤波器和直流滤波器。

晶闸管在运行时会需要大量的无功功率，因此，交流滤波器要能够提供无功，有时可能会需要专门的无功补偿装臵来提供无功。

直流滤波器属于直流场设备。

直流场设备还包括直流开关、直流互感器、避雷器等，是直流输电主设备中技术含量最高的部分。

以直流断路器为例，因直流电流不存在过零点的情况，因此其关断较交流断路器困难，需要在关断时将大量的能量释放，这一技术难度就较难克服。

直流场设备为直流系统的手脚，实现数据采集、谐波滤除、设备和线路的保护与控制、运行方式转换等。

按照功能，直流场设备分为：

穿墙联结及过电压保护设备、运行与保护控制执行设备、谐波处理设备、系统采样设备。

二、直流输电的优点

1、直流输电线路更具备经济性

直流输电线路具备大容量输送的能力，能够充分发挥规模输电优势：

±800kV特高压直流输电能力可达600万千瓦甚至更高，±500kV超高压直流输送能力可达300万千瓦，分别是500kV超高压交流输电输送能力的6倍和3倍。

与交流输电相比，输送相同功率时直流输电线路走廊较窄，可节约大量的稀缺土地资源。

三相交流输电至少需要三根导线，而直流只需一根或两根导线。

相同输送功率直流输电需要的导线、绝缘子及杆塔等输电材料相对较少。

从投资金额来看，在同样输送容量下，一般直流线路的单位造价约为交流的60-70%。

2、在输送功率相同的条件下，直流线路导线的电阻损耗比交流线路的少

±500kV直流线路的电阻损耗是±500kV交流线路的30%左右。

由于集肤效应，大截面导线的交流有效电阻比直流电阻略大，也增加了交流线路的功率损耗。

直流输电的电晕损耗及磁感应损耗也比交流输电线路小得多。

对于两点之间通过电缆传输的情况，如：

大陆和海岛之间输电电缆，交流输电的电感和电容效应使得输送距离受到限制，而直流输电则不存在这一问题。

因此，与交流线路相比，直流输电线路可减少大量的有功损耗。

直流线路绝缘的老化较慢，使用寿命相应较长，可以相应减少更换频率，减少更新改造的投资。

直流的经济性主要体现在长距离输电上

交流输电单个变电站虽然造价相对较低，但由于线路上有功损耗较高，如要实现长距离输电，需要每隔一定距离增加开关站和升压站。

因此，随着交流输电距离增长，投资成本将相应增加。

相对于交流输电，直流输电两端换流站造价较高；但直流输电不管距离长短，仅在线路两端建有换流站，因此，输电距离越长，直流输电越经济。

对于800km以上的架空线路及40km以上的电缆线路直流输电比交流输电经济。

3、直流输电具备环境友好的特点

直流线路运行中不易产生电磁干扰，对输电线路周围的环境污染较少，有利于环境保护。

在条件相同的情况下，直流输电线路周围的电场对环境的影响一般比交流的要弱：

直流输电线路附近的人或动物截获的电流是微不足道的，不太容易使人感觉到电场或担心电击的危险；直流输电线路周围的电场是单方向的，不会像交流输电线路周围的交变电场一样可发生电磁感应。

直流输电线路周围的磁场为静态场，线下的磁场强度和地磁相比属于同一数量级，属于人类习以为常的磁场，不会影响人类的健康。

4、直流输电系统的稳定性和可靠性较交流输电有所加强

交流输电系统要求所有连接在电力系统的同步发电机必须保持同步运行。

一旦在临界状态下交流系统因暂态事故引发全网失步震荡，可能导致交流网架无序解列，继而造成全网停电事故。

直流系统晶闸管换流阀本身的调制功能，不但可以调节有功功率，还可以对机电振荡产生阻尼，从而提高电力系统暂态稳定水平。

直流输电系统的投入不会增加原有电力系统的短路电流容量，也不受系统稳定极限的限制；

双极直流输电线路的一极出现故障，另一极仍可以大地作为回路输送一半的功率，提高了运行可靠性。

直流输电系统具备交流输电系统不具备的功能

直流输电通过晶闸管换流阀能够快速改变功率流动方向从而实现潮流翻转，这为不同系统之间的电力互供提供了方便。

直流输电可以通过背靠背方式实现不同频率及不同步的交流电网之间的互联，实现互供，提高运行效率。

例如：

著名的中俄背靠背直流联网工程便实现了黑龙江电网和俄罗斯远东电网的互联，建成后俄罗斯远东电网每年可向黑龙江电网送电43亿千瓦时。

三、在技术允许的范围内直流输电电压等级越高越经济

直流输电电压等级越高，可实现的输送容量越高，同时在工程投资及线路损耗方面都可以大大降低：

向上工程每千瓦每千米造价1.91元/（千瓦·千米），比±500千伏直流工程（三沪工程）每千瓦每千米造价2.16元/（千瓦·千米）降低11.6%，线路损耗前者约为后者的40%。

从对环境的影响来说，如果输电导线的分裂间距及导线间距设计得当，直流输电电压等级的提高并不会使线路沿线的电磁环境恶化：

±800KV向家坝-上海直流输电工程输电线下的无线电干扰水平和±500KV直流输电线路相当。

四、我国发展直流输电具备先天优势

低碳经济的发展对能源利用方式提出了新的要求：

在关停高耗能的小火电的同时，要大力促进核电、大型火力发电以及风电、水电等可再生能源的发展。

我国三分之二以上的水电、风电和煤炭等一次能源，尤其是可用于开发大型水电站、风电场和坑口电站的一次能源分布在三北及西南等经济欠发达地区，这些地区电力消纳能力有限，而经济发达的中东部及东南沿海地区却资源相对匮乏，当地电力无法满足需求，因此必须通过长距离输电，将三北及西南地区富余的电力输送到最需要的地方，实现资源的合理有效配臵。

供需两端距离较长，甚至可达到2000公里以上，这一距离通过直流方式实现电力传输更为经济：

前面我们已经论证，对于800公里以上的架空线路，直流输电更为经济。

1、大型坑口电站主要分布在山西、陕西和内蒙

我国煤炭资源的地理分布特点是以大兴安岭-太行山-雪峰山一线为界西多东少；以昆仑山-秦岭一线为界，北多南少。

全国大部分省区都分布有煤炭资源，而又相对集中分布在山西、内蒙古、陕西等省，这一地区的煤炭储藏量占全国的60%以上。

规划的十三大亿吨级煤电基地有一半以上集中在山西、内蒙和山西。

从距离来看，晋陕蒙地区除距离京津唐地区较近外，与东部及南部沿海等发达地区之间的距离都较远，超过1000公里，甚至可达2000公里以上。

2、大型水电主要分布在云贵川及西北地区

中国的水能资源居世界首位，水力资源理论蕴藏量为6.94亿千瓦，其中可开发装机容量为3.78亿千瓦，年发电量1.92万亿千瓦时，居世界首位。

根据我国水利资源客观情况确定的十三大水电基地总规划装机容量2.3亿千瓦，占全部可开发装机容量的60%以上。

十三大水电基地的金沙江、雅砻江、大渡河、乌江、长江上游、南盘江和红水河、澜沧江、黄河上游、黄河中游、怒江等十大基地都有条件建设百万千瓦以上的大型水电站，但这些基地都地处四川、重庆、云南、贵州和西北等偏远地区。

湘西、闽浙赣、东北等三大基地可开发的水电资源总容量也较为可观，但有条件建设百万千瓦以上大型水电站的资源并不多。

同时，这些地区水电资源相对分散，当地基本上可以消纳，无需向外地输送电力。

从距离来看，地处西北、西南的十大水电基地的电力如要实现向经济发达地区输送，其送电距离也大都达到1000公里左右，甚至可超过2000公里：

距离较近的三峡-上海的距离为1040公里；国网的特高压直流试验示范工程向家坝-上海的输送距离超过1900公里；已经启动的锦屏-苏南直流输电工程的输送距离超过2000公里。

3、大型风电场主要分布在三北及东部沿海

我国风电资源主要分布在三北地区，其中以内蒙古地区风力资源最为丰富。

根据我国千万千瓦级风电场规划，2020年之前，我国7大风电基地装机容量将达到1.26亿千瓦。

这些风电基地除了河北张家口承德以及江苏沿海之外，大都地处偏远，距离负荷中心距离较长。

酒泉基地的风电资源虽然有西北地区的750KV输电线路送往西北电网范围内，但如要向东部地区输送，仍需要建设大容量输电线路。

新疆哈密地区地处偏远，距离京津唐及东部沿海等地区都在2000公里以上。

内蒙古自治区面积辽阔，