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特高压:如何实现"中国引领"?
2014/7/3 13:45:08    新闻来源:科技日报

迄今为止,世界公认在整个产业领域全方位实现了"中国引领"的,唯有特高压。

从"中国制造"到"中国创造"是质的提升,从"中国创造"到"中国引领"则是革命性飞跃。

获2012年度国家科技进步奖特等奖的"特高压交流输电关键技术、成套设备及工程应用",使特高压这一备受社会关注、并一度伴有诸多争议的输电技术,终于"修成正果"。

体现国家意志

特高压输电技术,世界看中国。这不是哪个人、哪个团队、哪个企业能做成的,而是体现了国家意志。

说它体现国家意志,是因为特高压从最早提出到项目研发,再到工程实践,自始至终瞄准世界电力发展趋势和技术制高点,紧密围绕国家重大战略需求,政府支持,企业主导,产学研联合,社会各方广泛参与,用科学手段和方法,以应用为目的,破解了重大技术难题。

项目提出和主持实施者、国家电网公司总经理刘振亚指出,世界电力工业发展的历史表明:用电需求持续增长推动电网规模不断扩大、电压等级不断提升,相邻电压等级之比在2倍及以上。500千伏输电有力支撑了我国近30年经济社会发展,但我国能源资源与需求呈逆向分布,70%以上的能源需求集中在中东部,可用能源资源却远离需求中心,76%的煤炭集中在北部和西北部、80%的水能资源集中在西南部,陆地风能和太阳能等新能源也大量分布在西北部,供需相距800—3000公里,现有500千伏输电系统面临着远距离、大容量输送能力不足,走廊资源紧缺等瓶颈制约,亟待升级至1000千伏等级。

他介绍,"特高压交流输电代表国际高压输电的最高水平。上世纪60至90年代,美国、日本、前苏联等发达国家曾开展过试验研究,但没有形成成熟适用的技术和设备。"我国研发特高压交流输电技术,既面临高电压、强电流的电磁与绝缘技术世界级挑战,又面临重污秽、高海拔的严酷自然环境影响,创新难度极大。所以说,世界性的电网科技难题在中国,创新的动力也在中国。

据介绍,我国从l986年开始,将特高压输电技术研究连续列入国家"七五"、"八五"和"十五"科技攻关计划,为特高压技术研究积累了宝贵经验;特高压交流输电技术研发先后列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要》和"十一五"国家科技支撑计划。西北750千伏输变电国产化示范工程的顺利投产和三峡送出±500千伏直流输电工程的成功实践,使我国输变电设备的制造能力和水平有了很大提高,为特高压技术装备研发和应用创造了条件。到2006年8月国家发改委批准建设晋东南至荆门1000千伏特高压交流试验示范工程时,"发展特高压输电,在技术上没有难以克服的障碍,在工程上已具备实际应用的条件"。

正视技术挑战

当然,特高压这一引领国际输电技术进步方向的工程所提出的巨大技术挑战,又是必须正视的。刘振亚强调,我国发展特高压需在已有科技和工业基础上自主创新,率先攻克世界上一个全新电压等级输电所需的全套技术,并立足国内、在世界上首次研制全套特高压设备。"这是我国各常规电压等级发展过程中未曾经历的重大考验"。他介绍,需要全面攻克四大突出难题:

电压控制。包括稳态电压控制和瞬态过电压抑制。特高压系统输送容量大、距离远,正常运行时,最高电压应控制在1100千伏以下,沿线稳态电压接近平衡分布,但故障断开时,电压分布发生突变,受端电压大幅抬升;开关操作时,会产生幅值极高的瞬态过电压,这些电压升高直接威胁到系统和设备安全。为确保特高压系统大容量电力可靠传输,必须攻克各种状态下电压控制难题。

外绝缘配置。包括空气间隙和固体绝缘介质沿面。特高压系统外绝缘尺度大,空气间隙的耐受电压随间隙距离增大不再线性增加,呈现明显饱和效应;我国大气环境污染严重,绝缘子在污秽情况下的沿面闪络电压大幅降低;线路铁塔高,雷电绕击导线概率明显增加。为确保特高压系统安全可靠,必须破解复杂环境下外绝缘配置的难题。

电磁环境控制。包括工频电场、工频磁场,可听噪声和无线电干扰。特高压线路、变电站构成的多导体系统结构复杂、尺度大,导体间相互影响显著,带电导体表面及附近空间的电场强度明显增大,电晕放电产生的可听噪声和无线电干扰影响突出。为确保特高压工程环境友好,必须攻克极高电场下电磁环境控制难题。

设备研制。特高压设备包括变压器、开关等9大类40余种,额定参数高,电、磁、热、力多物理场协调复杂。国外没有成熟经验可供借鉴,国内设备制造业设计研发、试验检测能力不足。按照现有技术简单线性放大,就会使得设备体积过大,造价过高,且部分设备无法运输,自主研制难度极大。为掌握核心制造技术,必须攻克成套设备研制中的系列难题。

创新破解难题

为破解这些世界级难题,形成拥有自主知识产权的核心技术,项目依托试验示范工程建设,坚持"基础研究—设备研制—试验验证—系统集成—工程示范"方针,产学研用协同攻关,联合国内电力、机械行业的科研、制造、设计、高校等100余家单位近5万人,共开展180余项关键技术研究、9大类40余种关键设备研制,在电压控制、外绝缘配置、电磁环境控制、成套设备研制、系统集成、试验能力6大方面实现了创新突破,掌握了特高压交流输电核心技术,研制成功了全套关键设备,建成世界上电压等级最高、输电能力最强的交流输电工程。

 

创新点1 电压控制。项目研究确定了特高压交流输电标准电压。创新形成了稳态电压控制技术、瞬态过电压抑制和潜供电弧抑制技术。

一是提出了高压电抗器与低压侧大容量可投切容抗、感抗相结合的无功控制方法以及高性能避雷器、高压电抗器及断路器合闸电阻有机组合的过电压深度抑制方法,为电压优化控制奠定坚实基础;二是建立了潜供电弧运动的数学模型,掌握了电弧熄灭的演变规律。通过优化高抗中性点接地电抗器参数,成功实现0.7秒内快速重合闸。

通过以上创新,在国际上首次实现了特高压系统电压优化控制。试验示范工程瞬态过电压抑制在1.5倍以下,稳态电压控制在合理范围。

创新点2 外绝缘配置。项目揭示了复杂环境下特高压系统外绝缘非线性放电特性,研发了空气间隙、绝缘子配置和雷电防护技术。

一是首次获得了外绝缘特性全系列真型试验数据, 建立了长空气间隙放电过程的数学模型,掌握了大尺度外绝缘的非线性放电特性;二是提出了基于长波前冲击试验的过电压绝缘配合方法、大吨位复合绝缘子配置方案,攻克了重污秽条件下外绝缘配置难题,绝缘子串长由16米缩短至9.7米;三是建立了雷电先导发展过程的三维仿真模型,提出了基于雷电活动、地形、地貌特征的差异化雷电防护方法,解决了雷电绕击的突出难题。试验示范工程运行三年无雷击跳闸。

通过以上创新,在世界上首次实现了复杂环境下特高压系统外绝缘优化配置。线路铁塔重量降低64%、造价降低 60%。

创新点3 成套设备研制。项目创新形成了特高压输变电设备设计、制造和试验关键技术,建立了完整的技术产业体系。

在变压器方面:首次采用主体变与调压变分离布置方案,显著提高可靠性并有效减轻运输重量;提出了三柱并联绕组电流分配及磁路平衡方法,有效控制发热和振动;提出了地/低电位高场强控制方法、主纵绝缘与出线绝缘结构方案,实现了无局部放电设计。研制成功世界上容量最大、损耗最低的单体式特高压变压器。

在开关方面:采用六氟化硫气体绝缘金属封闭开关技术,减少占地面积约50%;研制出双断口和四断口高效能灭弧室,显著提高了开断能力;提出了隔离开关加装阻尼电阻方法,有效抑制操作引起的特快速瞬态过电压。研制成功世界上短路电流开断能力最强,额定峰值耐受电流最大的特高压开关设备。

 

在其他设备方面:提出了大通流能力、低残压比的金属氧化物电阻片配方,高强度、强憎水性有机复合材料配方,大尺度环氧套管高温整体成形工艺等。研制出高性能避雷器等系列产品。

通过以上创新,自主研制成功代表国际最高水平的全套特高压交流输变电设备,改变了中国在电气设备制造领域长期从发达国家"引进技术、消化吸收"的发展模式,首次实现了中国创造。

创新点4 电磁环境控制。项目揭示了复杂多导体系统的电场分布规律,创新形成了特高压系统电磁环境控制技术。

一是建立了特高压复杂多导体系统工频电场计算模型;首次开展了全场域电场分析,掌握了导体表面和空间的电场分布规律;二是提出了导线布置方案、金具电晕控制方法,有效控制带电导体表面和附近空间的电场场强;三是提出了线路对无线电台站、邻近输油输气管道的电磁影响防护措施。

通过以上创新,实现了特高压工程环境友好目标,试验示范工程电磁环境实测值满足国家环保要求。

创新点5 系统集成。项目提出了特高压输变电工程整套设计和施工方法、设备现场试验方案,研制出线路带电作业工器具和试验装备等。形成了工程设计、施工、调试、运行全套技术规范,建成了特高压交流试验示范工程。工程连接华北、华中两大区域电网。建成后实际输送功率达到252万千瓦,扩建后超过500万千瓦,成为世界上电压等级最高、输电能力最强的交流输电工程。

创新点6 试验能力。项目提出了综合模拟高海拔、重覆冰、重污秽等环境条件的高压试验方法,断路器整极63千安试验方法和杆塔真型力学试验系统构建方案,研制出长波前冲击电压发生装置和量值溯源用精密电压互感器等,建成了特高压交流试验基地,杆塔力学试验基地等设施。形成了国际上可试参数最高的高电压、强电流试验检测能力,建立了完整的特高压试验研究体系。

带动全面升级

依托项目,我国电力科技和输变电装备制造水平大幅提升,创新能力显著增强,改变了我国输变电行业长期跟随西方发达国家发展的被动局面,确立了在高压输电领域的国际领先地位。

项目建成试验示范工程,与采用500千伏方案相比,节省走廊占地1/2至2/3,减少输电损耗2/3。工程投运以来,一直保持安全稳定运行,累计向华中地区送火电296.44亿千瓦时,替代输煤约960万吨、极大缓解了华中地区严重缺电局面,拉动GDP增长达3200多亿元;向华北地区送水电122.81亿千瓦时,减少弃水电量55亿千瓦时,节约用煤400多万吨、减排二氧化碳1200多万吨,成为我国南北方向一条重要能源输送通道。

 

项目带动我国输变电装备制造业实现全面升级。特高压设备设计研发、制造工艺和试验检测能力达到国际领先水平。研发成果还反哺应用到超高压设备技术改进,特高压主设备制造企业核心竞争力大幅提升,已掌握国内市场主导权,并全面进军国际市场,实现了高端产品出口零的突破。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,500千伏以上产品的出口总额达100亿元、年增长率超过40%,特高压业绩已成为国内企业打开国际市场的金色名片。

项目大幅提升我国在国际电工领域的影响力和话语权。我国特高压标准电压已成为国际标准。国际电工委员会(IEC)认为中国的特高压工程是 "电力工业发展史上的一个重要里程碑"。国际大电网委员会(CIGRE)、电气和电子工程师协会(IEEE)成立了8个由我国专家主导的特高压工作组,正在主导编制相关国际标准。

中国在特高压输电领域的成功实践,震动了国际同行。

比较有代表性的反应,当属诺贝尔物理学奖获得者、美国能源部长朱棣文2010年11月29日在华盛顿国家新闻俱乐部发表题为《能源领域竞争正在成为美国新的卫星时刻》的演讲,他满怀深意地指出:"中国挑战美国创新领导地位并快速发展的相关领域包括:最高电压、最高输送容量的特高压交流输电。"

国际大电网委员会(CIGRE)A3.22 工作组的最终技术报告《交流800千伏以上的变电站设备技术规范综述》(报告编号456)中,对中国特高压交流输电技术和试验示范工程的有关评价为:"特高压交流试验示范工程的成功建设是特高压交流关键技术和关键设备重要的突破性成果,对保证中国的电力可靠供应、推动特高压输电技术在世界范围内的研究和应用具有重大意义。"

部分国外资深技术专家在"2009 特高压输电技术国际会议"上,对中国发展特高压交流输电技术和建设特高压交流试验示范工程发表的公开评论摘录如下:

国际大电网委员会(CIGRE)秘书长让˙科瓦尔:"今年1月试验示范工程的投运是一个伟大的技术成就,无疑也是电力工业发展史上的一个重要里程碑。" "当我们讲到未来,意味着更高的电力消耗和更多的可再生能源,风能、水电、太阳能通常都是不太稳定的,或是间断式的,只有通过坚强的互联系统和一些储能技术才能让我们更好地发挥可再生能源的潜力。采用更高的输电电压,如特高压或在较小系统中的超高压,可提高输电容量、减少损耗和基础建设投资。"

 

国际电工委员会(IEC)副主席恩诺˙里斯:"谈到特高压,IEC坚信,这种输电技术能够极大地解决未来的能源危机。之所以这么说,关键在于它拥有大容量、高效率、长距离输电优势,这是解决问题的关键。""祝贺中国在发展特高压技术方面所做出的努力和取得的成就。这些工作非常有助于推动IEC 框架内的新技术工作,确保中国领先世界的新兴技术能用于国际标准制定,进而服务全球市场。"

世界能源理事会(WEC)联网工作组主任克勒里奇:"特高压输电技术代表了当今电网最重要的发展趋势之一,在大容量、长距离电力输送和大电网互联方面起着至关重要的作用。""中国发展特高压是负荷中心远离能源中心的客观条件决定的,也是满足经济快速发展的必然选择。特高压交、直流系统不仅对中国,对全球其他国家,包括工业化国家同样具有重要意义。"

规划美丽愿景

刘振亚介绍,项目成果除应用于已建成投运的特高压交流试验示范工程及其扩建工程,还在在建的安徽"两淮"煤电基地送上海特高压交流工程中得到应用。发展特高压输电已列入国家"十二五"规划纲要和国家能源科技"十二五"规划。预计"十二五"末,将建成特高压交流工程线路1.8万公里、变电容量约1.6亿千伏安,可支撑中东部地区受入电力约2亿千瓦,节约当地土地资源3400公顷,每年节约电力供应成本600亿元。

而在国家电网更长远的规划中,通过建设特高压电网,到2020年,华北、华东、华中受入电力流规模3.5亿千瓦,区外来电占用电负荷的35%,其中,晋陕蒙宁新煤电2.8亿千瓦,西南水电7000万千瓦,大型风电基地1亿千瓦。

届时,这样一幅美丽愿景将展现在我们面前:

煤电运紧张矛盾从根本上解决。2020年特高压电网跨区煤电电力流占煤炭跨区配置总量的23%,山西、鄂尔多斯、蒙东、新疆四大能源基地输煤输电比例将由目前的14∶1调整至2020年的3.4∶1,公路运煤量可从2011年的4亿吨下降至2020年的1亿吨。告别过度依赖输煤的能源配置方式。

火电燃煤成本降低。我国主要煤炭产区电煤价格比中东部地区低2—4倍。在煤炭基地建厂通过特高压电网直接送达负荷中心,可降低火电燃煤成本1560亿元。

节约电源装机容量。华东、华中和华北三个电网最大负荷出现的时间不同,电网间有明显的错峰效益,节约电源装机容量。2020年国家电网可节约装机3200万千瓦。

扩大水电消纳范围。水电发电季节性特征突出,西南水电就地消纳,丰水期将出现大量弃水。通过特高压电网在更大范围内消纳水电,可以避免弃水,2020年消纳西南水电弃水电量343亿千瓦时,相当于节约煤炭1430万吨。

 

提高风电、太阳能等清洁能源消纳能力。我国风能资源主要集中在北部、西北部和东北部,当地用电负荷低,供热机组比重大,调峰能力差,缺乏抽水蓄能、燃气电站等灵活调节电源,风电就地消纳市场规模十分有限。特高压电网形成后,可以利用华北、华中和华东电网的调峰能力,消纳"三北"地区风电。2020年全国风电装机2亿千瓦,通过特高压电网消纳约1亿千瓦。

取得显著社会环境效益。在西部建设煤电基地,利用西部较为丰富的土地资源和环境空间,替代东部比较稀缺的土地资源,优化我国环境资源。可以节省土地6000公顷,获得土地效益184亿元;减少中东部二氧化硫排放55万吨,获得环保效益45亿元。

电价具有竞争力。大型电源基地的电力通过特高压输送到中东部负荷中心,考虑输电环节的费用后,到网电价仍低于当地煤电平均上网电价0.06—0.13元/千瓦时。

原标题:特高压:如何实现"中国引领"

 

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