中國儲能網(wǎng)訊：迄今為止，世界公認(rèn)在整個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域全方位實現(xiàn)了“中國引領(lǐng)”的，唯有特高壓。
從“中國制造”到“中國創(chuàng)造”是質(zhì)的提升，從“中國創(chuàng)造”到“中國引領(lǐng)”則是革命性飛躍。
獲2012年度國家科技進(jìn)步獎特等獎的“特高壓交流輸電關(guān)鍵技術(shù)、成套設(shè)備及工程應(yīng)用”，使特高壓這一備受社會關(guān)注、并一度伴有諸多爭議的輸電技術(shù)，終于“修成正果”。
體現(xiàn)國家意志
特高壓輸電技術(shù)，世界看中國。這不是哪個人、哪個團(tuán)隊、哪個企業(yè)能做成的，而是體現(xiàn)了國家意志。
說它體現(xiàn)國家意志，是因為特高壓從最早提出到項目研發(fā)，再到工程實踐，自始至終瞄準(zhǔn)世界電力發(fā)展趨勢和技術(shù)制高點，緊密圍繞國家重大戰(zhàn)略需求，政府支持，企業(yè)主導(dǎo)，產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合，社會各方廣泛參與，用科學(xué)手段和方法，以應(yīng)用為目的，破解了重大技術(shù)難題。
項目提出和主持實施者、國家電網(wǎng)公司總經(jīng)理劉振亞指出，世界電力工業(yè)發(fā)展的歷史表明：用電需求持續(xù)增長推動電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大、電壓等級不斷提升，相鄰電壓等級之比在2倍及以上。500千伏輸電有力支撐了我國近30年經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，但我國能源資源與需求呈逆向分布，70%以上的能源需求集中在中東部，可用能源資源卻遠(yuǎn)離需求中心，76%的煤炭集中在北部和西北部、80%的水能資源集中在西南部，陸地風(fēng)能和太陽能等新能源也大量分布在西北部，供需相距800—3000公里，現(xiàn)有500千伏輸電系統(tǒng)面臨著遠(yuǎn)距離、大容量輸送能力不足，走廊資源緊缺等瓶頸制約，亟待升級至1000千伏等級。
他介紹，“特高壓交流輸電代表國際高壓輸電的最高水平。上世紀(jì)60至90年代，美國、日本、前蘇聯(lián)等發(fā)達(dá)國家曾開展過試驗研究，但沒有形成成熟適用的技術(shù)和設(shè)備?！蔽覈邪l(fā)特高壓交流輸電技術(shù)，既面臨高電壓、強電流的電磁與絕緣技術(shù)世界級挑戰(zhàn)，又面臨重污穢、高海拔的嚴(yán)酷自然環(huán)境影響，創(chuàng)新難度極大。所以說，世界性的電網(wǎng)科技難題在中國，創(chuàng)新的動力也在中國。
據(jù)介紹，我國從l986年開始，將特高壓輸電技術(shù)研究連續(xù)列入國家“七五”、“八五”和“十五”科技攻關(guān)計劃，為特高壓技術(shù)研究積累了寶貴經(jīng)驗;特高壓交流輸電技術(shù)研發(fā)先后列入《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》和“十一五”國家科技支撐計劃。西北750千伏輸變電國產(chǎn)化示范工程的順利投產(chǎn)和三峽送出±500千伏直流輸電工程的成功實踐，使我國輸變電設(shè)備的制造能力和水平有了很大提高，為特高壓技術(shù)裝備研發(fā)和應(yīng)用創(chuàng)造了條件。到2006年8月國家發(fā)改委批準(zhǔn)建設(shè)晉東南至荊門1000千伏特高壓交流試驗示范工程時，“發(fā)展特高壓輸電，在技術(shù)上沒有難以克服的障礙，在工程上已具備實際應(yīng)用的條件”。
正視技術(shù)挑戰(zhàn)
當(dāng)然，特高壓這一引領(lǐng)國際輸電技術(shù)進(jìn)步方向的工程所提出的巨大技術(shù)挑戰(zhàn)，又是必須正視的。劉振亞強調(diào)，我國發(fā)展特高壓需在已有科技和工業(yè)基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新，率先攻克世界上一個全新電壓等級輸電所需的全套技術(shù)，并立足國內(nèi)、在世界上首次研制全套特高壓設(shè)備。“這是我國各常規(guī)電壓等級發(fā)展過程中未曾經(jīng)歷的重大考驗”。他介紹，需要全面攻克四大突出難題：
電壓控制。包括穩(wěn)態(tài)電壓控制和瞬態(tài)過電壓抑制。特高壓系統(tǒng)輸送容量大、距離遠(yuǎn)，正常運行時，最高電壓應(yīng)控制在1100千伏以下，沿線穩(wěn)態(tài)電壓接近平衡分布，但故障斷開時，電壓分布發(fā)生突變，受端電壓大幅抬升;開關(guān)操作時，會產(chǎn)生幅值極高的瞬態(tài)過電壓，這些電壓升高直接威脅到系統(tǒng)和設(shè)備安全。為確保特高壓系統(tǒng)大容量電力可靠傳輸，必須攻克各種狀態(tài)下電壓控制難題。
外絕緣配置。包括空氣間隙和固體絕緣介質(zhì)沿面。特高壓系統(tǒng)外絕緣尺度大，空氣間隙的耐受電壓隨間隙距離增大不再線性增加，呈現(xiàn)明顯飽和效應(yīng);我國大氣環(huán)境污染嚴(yán)重，絕緣子在污穢情況下的沿面閃絡(luò)電壓大幅降低;線路鐵塔高，雷電繞擊導(dǎo)線概率明顯增加。為確保特高壓系統(tǒng)安全可靠，必須破解復(fù)雜環(huán)境下外絕緣配置的難題。
電磁環(huán)境控制。包括工頻電場、工頻磁場，可聽噪聲和無線電干擾。特高壓線路、變電站構(gòu)成的多導(dǎo)體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺度大，導(dǎo)體間相互影響顯著，帶電導(dǎo)體表面及附近空間的電場強度明顯增大，電暈放電產(chǎn)生的可聽噪聲和無線電干擾影響突出。為確保特高壓工程環(huán)境友好，必須攻克極高電場下電磁環(huán)境控制難題。
設(shè)備研制。特高壓設(shè)備包括變壓器、開關(guān)等9大類40余種，額定參數(shù)高，電、磁、熱、力多物理場協(xié)調(diào)復(fù)雜。國外沒有成熟經(jīng)驗可供借鑒，國內(nèi)設(shè)備制造業(yè)設(shè)計研發(fā)、試驗檢測能力不足。按照現(xiàn)有技術(shù)簡單線性放大，就會使得設(shè)備體積過大，造價過高，且部分設(shè)備無法運輸，自主研制難度極大。為掌握核心制造技術(shù)，必須攻克成套設(shè)備研制中的系列難題。
創(chuàng)新破解難題
為破解這些世界級難題，形成擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，項目依托試驗示范工程建設(shè)，堅持“基礎(chǔ)研究—設(shè)備研制—試驗驗證—系統(tǒng)集成—工程示范”方針，產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同攻關(guān)，聯(lián)合國內(nèi)電力、機械行業(yè)的科研、制造、設(shè)計、高校等100余家單位近5萬人，共開展180余項關(guān)鍵技術(shù)研究、9大類40余種關(guān)鍵設(shè)備研制，在電壓控制、外絕緣配置、電磁環(huán)境控制、成套設(shè)備研制、系統(tǒng)集成、試驗?zāi)芰?大方面實現(xiàn)了創(chuàng)新突破，掌握了特高壓交流輸電核心技術(shù)，研制成功了全套關(guān)鍵設(shè)備，建成世界上電壓等級最高、輸電能力最強的交流輸電工程。
創(chuàng)新點1 電壓控制。項目研究確定了特高壓交流輸電標(biāo)準(zhǔn)電壓。創(chuàng)新形成了穩(wěn)態(tài)電壓控制技術(shù)、瞬態(tài)過電壓抑制和潛供電弧抑制技術(shù)。
一是提出了高壓電抗器與低壓側(cè)大容量可投切容抗、感抗相結(jié)合的無功控制方法以及高性能避雷器、高壓電抗器及斷路器合閘電阻有機組合的過電壓深度抑制方法，為電壓優(yōu)化控制奠定堅實基礎(chǔ);二是建立了潛供電弧運動的數(shù)學(xué)模型，掌握了電弧熄滅的演變規(guī)律。通過優(yōu)化高抗中性點接地電抗器參數(shù)，成功實現(xiàn)0.7秒內(nèi)快速重合閘。
通過以上創(chuàng)新，在國際上首次實現(xiàn)了特高壓系統(tǒng)電壓優(yōu)化控制。試驗示范工程瞬態(tài)過電壓抑制在1.5倍以下，穩(wěn)態(tài)電壓控制在合理范圍。
創(chuàng)新點2 外絕緣配置。項目揭示了復(fù)雜環(huán)境下特高壓系統(tǒng)外絕緣非線性放電特性，研發(fā)了空氣間隙、絕緣子配置和雷電防護(hù)技術(shù)。
一是首次獲得了外絕緣特性全系列真型試驗數(shù)據(jù), 建立了長空氣間隙放電過程的數(shù)學(xué)模型，掌握了大尺度外絕緣的非線性放電特性;二是提出了基于長波前沖擊試驗的過電壓絕緣配合方法、大噸位復(fù)合絕緣子配置方案，攻克了重污穢條件下外絕緣配置難題，絕緣子串長由16米縮短至9.7米;三是建立了雷電先導(dǎo)發(fā)展過程的三維仿真模型，提出了基于雷電活動、地形、地貌特征的差異化雷電防護(hù)方法，解決了雷電繞擊的突出難題。試驗示范工程運行三年無雷擊跳閘。
通過以上創(chuàng)新，在世界上首次實現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下特高壓系統(tǒng)外絕緣優(yōu)化配置。線路鐵塔重量降低64%、造價降低 60%。
創(chuàng)新點3 成套設(shè)備研制。項目創(chuàng)新形成了特高壓輸變電設(shè)備設(shè)計、制造和試驗關(guān)鍵技術(shù)，建立了完整的技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系。
在變壓器方面：首次采用主體變與調(diào)壓變分離布置方案，顯著提高可靠性并有效減輕運輸重量;提出了三柱并聯(lián)繞組電流分配及磁路平衡方法，有效控制發(fā)熱和振動;提出了地/低電位高場強控制方法、主縱絕緣與出線絕緣結(jié)構(gòu)方案，實現(xiàn)了無局部放電設(shè)計。研制成功世界上容量最大、損耗最低的單體式特高壓變壓器。
在開關(guān)方面：采用六氟化硫氣體絕緣金屬封閉開關(guān)技術(shù)，減少占地面積約50%;研制出雙斷口和四斷口高效能滅弧室，顯著提高了開斷能力;提出了隔離開關(guān)加裝阻尼電阻方法，有效抑制操作引起的特快速瞬態(tài)過電壓。研制成功世界上短路電流開斷能力最強，額定峰值耐受電流最大的特高壓開關(guān)設(shè)備。
在其他設(shè)備方面：提出了大通流能力、低殘壓比的金屬氧化物電阻片配方，高強度、強憎水性有機復(fù)合材料配方，大尺度環(huán)氧套管高溫整體成形工藝等。研制出高性能避雷器等系列產(chǎn)品。
通過以上創(chuàng)新，自主研制成功代表國際最高水平的全套特高壓交流輸變電設(shè)備，改變了中國在電氣設(shè)備制造領(lǐng)域長期從發(fā)達(dá)國家“引進(jìn)技術(shù)、消化吸收”的發(fā)展模式，首次實現(xiàn)了中國創(chuàng)造。
創(chuàng)新點4 電磁環(huán)境控制。項目揭示了復(fù)雜多導(dǎo)體系統(tǒng)的電場分布規(guī)律，創(chuàng)新形成了特高壓系統(tǒng)電磁環(huán)境控制技術(shù)。
一是建立了特高壓復(fù)雜多導(dǎo)體系統(tǒng)工頻電場計算模型;首次開展了全場域電場分析，掌握了導(dǎo)體表面和空間的電場分布規(guī)律;二是提出了導(dǎo)線布置方案、金具電暈控制方法，有效控制帶電導(dǎo)體表面和附近空間的電場場強;三是提出了線路對無線電臺站、鄰近輸油輸氣管道的電磁影響防護(hù)措施。
通過以上創(chuàng)新，實現(xiàn)了特高壓工程環(huán)境友好目標(biāo)，試驗示范工程電磁環(huán)境實測值滿足國家環(huán)保要求。
創(chuàng)新點5 系統(tǒng)集成。項目提出了特高壓輸變電工程整套設(shè)計和施工方法、設(shè)備現(xiàn)場試驗方案，研制出線路帶電作業(yè)工器具和試驗裝備等。形成了工程設(shè)計、施工、調(diào)試、運行全套技術(shù)規(guī)范，建成了特高壓交流試驗示范工程。工程連接華北、華中兩大區(qū)域電網(wǎng)。建成后實際輸送功率達(dá)到252萬千瓦，擴(kuò)建后超過500萬千瓦，成為世界上電壓等級最高、輸電能力最強的交流輸電工程。
創(chuàng)新點6 試驗?zāi)芰?。項目提出了綜合模擬高海拔、重覆冰、重污穢等環(huán)境條件的高壓試驗方法，斷路器整極63千安試驗方法和桿塔真型力學(xué)試驗系統(tǒng)構(gòu)建方案，研制出長波前沖擊電壓發(fā)生裝置和量值溯源用精密電壓互感器等，建成了特高壓交流試驗基地，桿塔力學(xué)試驗基地等設(shè)施。形成了國際上可試參數(shù)最高的高電壓、強電流試驗檢測能力，建立了完整的特高壓試驗研究體系。
帶動全面升級
依托項目，我國電力科技和輸變電裝備制造水平大幅提升，創(chuàng)新能力顯著增強，改變了我國輸變電行業(yè)長期跟隨西方發(fā)達(dá)國家發(fā)展的被動局面，確立了在高壓輸電領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。
項目建成試驗示范工程，與采用500千伏方案相比，節(jié)省走廊占地1/2至2/3，減少輸電損耗2/3。工程投運以來，一直保持安全穩(wěn)定運行，累計向華中地區(qū)送火電296.44億千瓦時，替代輸煤約960萬噸、極大緩解了華中地區(qū)嚴(yán)重缺電局面，拉動GDP增長達(dá)3200多億元;向華北地區(qū)送水電122.81億千瓦時，減少棄水電量55億千瓦時，節(jié)約用煤400多萬噸、減排二氧化碳1200多萬噸，成為我國南北方向一條重要能源輸送通道。
項目帶動我國輸變電裝備制造業(yè)實現(xiàn)全面升級。特高壓設(shè)備設(shè)計研發(fā)、制造工藝和試驗檢測能力達(dá)到國際領(lǐng)先水平。研發(fā)成果還反哺應(yīng)用到超高壓設(shè)備技術(shù)改進(jìn)，特高壓主設(shè)備制造企業(yè)核心競爭力大幅提升，已掌握國內(nèi)市場主導(dǎo)權(quán)，并全面進(jìn)軍國際市場，實現(xiàn)了高端產(chǎn)品出口零的突破。2009年以來，在國際金融危機的不利影響下，特高壓主設(shè)備制造企業(yè)出口不降反升，500千伏以上產(chǎn)品的出口總額達(dá)100億元、年增長率超過40%，特高壓業(yè)績已成為國內(nèi)企業(yè)打開國際市場的金色名片。
項目大幅提升我國在國際電工領(lǐng)域的影響力和話語權(quán)。我國特高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓已成為國際標(biāo)準(zhǔn)。國際電工委員會(IEC)認(rèn)為中國的特高壓工程是 “電力工業(yè)發(fā)展史上的一個重要里程碑”。國際大電網(wǎng)委員會(CIGRE)、電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)成立了8個由我國專家主導(dǎo)的特高壓工作組，正在主導(dǎo)編制相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)。
中國在特高壓輸電領(lǐng)域的成功實踐，震動了國際同行。
比較有代表性的反應(yīng)，當(dāng)屬諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、美國能源部長朱棣文2010年11月29日在華盛頓國家新聞俱樂部發(fā)表題為《能源領(lǐng)域競爭正在成為美國新的衛(wèi)星時刻》的演講，他滿懷深意地指出：“中國挑戰(zhàn)美國創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)地位并快速發(fā)展的相關(guān)領(lǐng)域包括：最高電壓、最高輸送容量的特高壓交流輸電?！?
國際大電網(wǎng)委員會(CIGRE)A3.22 工作組的最終技術(shù)報告《交流800千伏以上的變電站設(shè)備技術(shù)規(guī)范綜述》(報告編號456)中，對中國特高壓交流輸電技術(shù)和試驗示范工程的有關(guān)評價為：“特高壓交流試驗示范工程的成功建設(shè)是特高壓交流關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備重要的突破性成果，對保證中國的電力可靠供應(yīng)、推動特高壓輸電技術(shù)在世界范圍內(nèi)的研究和應(yīng)用具有重大意義?！?
部分國外資深技術(shù)專家在“2009 特高壓輸電技術(shù)國際會議”上，對中國發(fā)展特高壓交流輸電技術(shù)和建設(shè)特高壓交流試驗示范工程發(fā)表的公開評論摘錄如下：
國際大電網(wǎng)委員會(CIGRE)秘書長讓˙科瓦爾：“今年1月試驗示范工程的投運是一個偉大的技術(shù)成就，無疑也是電力工業(yè)發(fā)展史上的一個重要里程碑。” “當(dāng)我們講到未來，意味著更高的電力消耗和更多的可再生能源，風(fēng)能、水電、太陽能通常都是不太穩(wěn)定的，或是間斷式的，只有通過堅強的互聯(lián)系統(tǒng)和一些儲能技術(shù)才能讓我們更好地發(fā)揮可再生能源的潛力。采用更高的輸電電壓，如特高壓或在較小系統(tǒng)中的超高壓，可提高輸電容量、減少損耗和基礎(chǔ)建設(shè)投資?！?
國際電工委員會(IEC)副主席恩諾˙里斯：“談到特高壓，IEC堅信，這種輸電技術(shù)能夠極大地解決未來的能源危機。之所以這么說，關(guān)鍵在于它擁有大容量、高效率、長距離輸電優(yōu)勢，這是解決問題的關(guān)鍵?！薄白ＹR中國在發(fā)展特高壓技術(shù)方面所做出的努力和取得的成就。這些工作非常有助于推動IEC 框架內(nèi)的新技術(shù)工作，確保中國領(lǐng)先世界的新興技術(shù)能用于國際標(biāo)準(zhǔn)制定，進(jìn)而服務(wù)全球市場?！?
世界能源理事會(WEC)聯(lián)網(wǎng)工作組主任克勒里奇：“特高壓輸電技術(shù)代表了當(dāng)今電網(wǎng)最重要的發(fā)展趨勢之一，在大容量、長距離電力輸送和大電網(wǎng)互聯(lián)方面起著至關(guān)重要的作用?！薄爸袊l(fā)展特高壓是負(fù)荷中心遠(yuǎn)離能源中心的客觀條件決定的，也是滿足經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的必然選擇。特高壓交、直流系統(tǒng)不僅對中國，對全球其他國家，包括工業(yè)化國家同樣具有重要意義。”
規(guī)劃美麗愿景
劉振亞介紹，項目成果除應(yīng)用于已建成投運的特高壓交流試驗示范工程及其擴(kuò)建工程，還在在建的安徽“兩淮”煤電基地送上海特高壓交流工程中得到應(yīng)用。發(fā)展特高壓輸電已列入國家“十二五”規(guī)劃綱要和國家能源科技“十二五”規(guī)劃。預(yù)計“十二五”末，將建成特高壓交流工程線路1.8萬公里、變電容量約1.6億千伏安，可支撐中東部地區(qū)受入電力約2億千瓦，節(jié)約當(dāng)?shù)赝恋刭Y源3400公頃，每年節(jié)約電力供應(yīng)成本600億元。
而在國家電網(wǎng)更長遠(yuǎn)的規(guī)劃中，通過建設(shè)特高壓電網(wǎng)，到2020年，華北、華東、華中受入電力流規(guī)模3.5億千瓦，區(qū)外來電占用電負(fù)荷的35%，其中，晉陜蒙寧新煤電2.8億千瓦，西南水電7000萬千瓦，大型風(fēng)電基地1億千瓦。
屆時，這樣一幅美麗愿景將展現(xiàn)在我們面前：
煤電運緊張矛盾從根本上解決。2020年特高壓電網(wǎng)跨區(qū)煤電電力流占煤炭跨區(qū)配置總量的23%，山西、鄂爾多斯、蒙東、新疆四大能源基地輸煤輸電比例將由目前的14∶1調(diào)整至2020年的3.4∶1，公路運煤量可從2011年的4億噸下降至2020年的1億噸。告別過度依賴輸煤的能源配置方式。
火電燃煤成本降低。我國主要煤炭產(chǎn)區(qū)電煤價格比中東部地區(qū)低2—4倍。在煤炭基地建廠通過特高壓電網(wǎng)直接送達(dá)負(fù)荷中心，可降低火電燃煤成本1560億元。
節(jié)約電源裝機容量。華東、華中和華北三個電網(wǎng)最大負(fù)荷出現(xiàn)的時間不同，電網(wǎng)間有明顯的錯峰效益，節(jié)約電源裝機容量。2020年國家電網(wǎng)可節(jié)約裝機3200萬千瓦。
擴(kuò)大水電消納范圍。水電發(fā)電季節(jié)性特征突出，西南水電就地消納，豐水期將出現(xiàn)大量棄水。通過特高壓電網(wǎng)在更大范圍內(nèi)消納水電，可以避免棄水，2020年消納西南水電棄水電量343億千瓦時，相當(dāng)于節(jié)約煤炭1430萬噸。
提高風(fēng)電、太陽能等清潔能源消納能力。我國風(fēng)能資源主要集中在北部、西北部和東北部，當(dāng)?shù)赜秒娯?fù)荷低，供熱機組比重大，調(diào)峰能力差，缺乏抽水蓄能、燃?xì)怆娬镜褥`活調(diào)節(jié)電源，風(fēng)電就地消納市場規(guī)模十分有限。特高壓電網(wǎng)形成后，可以利用華北、華中和華東電網(wǎng)的調(diào)峰能力，消納“三北”地區(qū)風(fēng)電。2020年全國風(fēng)電裝機2億千瓦，通過特高壓電網(wǎng)消納約1億千瓦。
取得顯著社會環(huán)境效益。在西部建設(shè)煤電基地，利用西部較為豐富的土地資源和環(huán)境空間，替代東部比較稀缺的土地資源，優(yōu)化我國環(huán)境資源。可以節(jié)省土地6000公頃，獲得土地效益184億元;減少中東部二氧化硫排放55萬噸，獲得環(huán)保效益45億元。
電價具有競爭力。大型電源基地的電力通過特高壓輸送到中東部負(fù)荷中心，考慮輸電環(huán)節(jié)的費用后，到網(wǎng)電價仍低于當(dāng)?shù)孛弘娖骄暇W(wǎng)電價0.06—0.13元/千瓦時。
