特高压:搭建电网“新高速”

时间:2022-09-09 04:31:09

特高压:搭建电网“新高速”

追赶,对中国而言,并不陌生。一个大国的崛起,从落后、模仿到创新,其间的艰苦卓绝不言自明。近期,国家电网的“特高压交流输电关键技术、成套设备及工程应用”获得了2012年度国家科技进步奖特等奖项目,中国一跃成为了特高压技术领域的领跑者,其电压控制、外绝缘配置、电磁环境控制、成套设备研制、系统集成、试验能力等六大创新突破使我国电网顺利实现了大容量、远距离地电力输送,在中国电力工业发展史上画下了浓墨重彩的一笔,也为实现中国电网智能化建设、优化我国电力资源的配置提供了强大的推动力。

加快建设特高压电网是建设坚强智能电网,实施“一特四大”战略的关键。国家电网公司自2004年提出建设特高压电网以来,坚持走自主创新道路,实现了一系列重大突破。特别是公司自主建设的1000千伏晋东南―南阳―荆门特高压交流试验示范工程和向家坝―上海±800千伏特高压直流输电示范工程的建成投运和稳定运行,全面验证了发展特高压的可行性、安全性、经济性和优越性,在世界电网科技领域实现了“中国创造”和“中国引领”。

特高压“特”在使命和责任

当下,我国正处于转型发展的关键时期,能源、电力领域也面临着新一轮能源变革的巨大挑战。如何推动新能源建设,实现绿色发展、低碳发展?如何实现传统能源的集约、高效、清洁利用,构建安全可靠、经济高效的能源供应体系,推进能源的可持续发展?

电网作为集能源输送、市场交易、优化配置等功能于一体的基础设施,长期以来承受着用电负荷持续快速增长、需求空间增大、远距离大容量逆向分布的传输等多重压力;因此常常面临着电力不足、手忙脚乱等问题。为转变电力发展方式,推进能源发展战略转型,国家电网公司本着求变、突围的态度开始了发展特高压的探索之旅。

特高压,顾名思义,“特别高”的电压,电力通过高压线路完成远程输送,再通过变压器降低电压等级供千家万户使用。作为目前世界上最高的电压等级,特高压输电相当于一千千伏及以上的输电电压等级,是低压系统的2500倍以上。如此高的输电等级,能否建、如何建,这两个命题给了“摸着石头过河”的国家电网重如山的压力,从特高压发展的萌芽阶段到渐渐成熟,这一项目一直受到社会各界的关注与热议;从政府、企业、学界到产学研联合、社会各方面共同参与,这项工程呈现出前所未有的复杂多变与棘手。

然而,为加快转变经济发展方式,为我国能源和电力发展的深层次矛盾提供了必要的技术支撑,2011年上半年,特高压被纳入国家“十二五”规划纲要。自此,特高压项目由研究论证与示范建设阶段转向了全面加快建设阶段。

到300多米的煤矿井下面去,到铁路、公路输煤集运站、运输港口去,到铁路干线、水运线、电厂去,每一位工作者都以强烈的使命感与责任感投入这个全新的项目,每一步研究推进都是一一勘验调研的结晶,每一份数据、报告都是科学规划、认真总结收获的成果。于是,捷报频传,纵横网架为我国“大能源”格局的形成搭建起了空中“新高速”。

2012年12月12日,锦屏―苏南±800千伏特高压直流工程投入运行,这是目前世界上输送容量最大、送电距离最远、电压等级最高、技术最先进的直流输电工程,树立了直流输电新的里程碑。同时,淮南―浙北―上海交流工程加快推进,哈密南―郑州、溪洛渡―浙西直流工程开工建设,淮南―南京―上海、浙北―福州、雅安―武汉交流工程获准开展前期工作……

目前,一批特高压工程正加紧建设,特高压将进入全面加快发展、大规模建设的新阶段。初步预计,到2015年,我国将建成“两纵两横”特高压网架和7回特高压直流工程;2017年,建成“三纵三横”特高压网架和13回特高压直流工程;2020年,建成“五纵五横”特高压网架和20回特高压直流工程,全国形成“三华”(华北、华中、华东)电网、东北电网、西北电网和南方电网等四个同步电网,联接大型能源基地和主要负荷中心,实现大规模“西电东送”、“北电南送”的能源配置格局,适应全面建成小康社会对电力增长的需求。

届时,将投产特高压线路7.8万千米、变电容量3.2亿千伏安、换流容量3.3亿千瓦,全国形成4个同步电网,联接大型能源基地和主要负荷中心,东中部地区受入电力流达到3.5亿千瓦,每年输送电量1.6万亿千瓦时。

领跑世界的六大创新

如果说,未来几年国家电网将进入特高压时代,那么创新将是我国特高压技术继续领跑世界的不二利器。截至目前,特高压项目通过产学研用协同攻关,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。

电压控制:电压控制包括稳态过电压抑制和瞬态电压控制两个方面。特高压输电系统由于电压等级特别高,输电线路的充电功率很大,约为500千伏输电线路的4~5倍,再加上特高压输电线路沿线电压分布也不均匀,想将稳态电压控制在1000千伏~1100千伏范围内非常难。另外,对于瞬态过电压抑制,由于开关操作等产生的瞬态过电压幅值很高,因此,对设备绝缘材料的要求也极高。

经过无数次的设想、试验,国家电网提出了稳态电压控制方法,高性能避雷器、高压电抗器及断路器合闸电阻有机组合的系统过电压抑制方法,以及潜供电弧计算方法及抑制方案等,成功实现了稳态电压优化控制和瞬态过电压深度抑制。

外绝缘配置:安全为先,如何让特高压带电的导线不会对周围的人和物放电,是建设特高压项目必须解决的第一个关键问题。为此,外绝缘配置项目通过反复测验发现复杂环境下特高压系统外绝缘非线性放电特性,并由此研发了空气间隙、绝缘子配置和雷电防护技术。

空气间隙和绝缘子是特高压交流线路高压导线与杆塔钢架之间外绝缘的基本手段,为进行合理尺度的外绝缘配置,尽量降低建设成本,电网公司研制了大容量长波前冲击电压发生装置、人工气候试验系统等试验设施,通过建立外绝缘电气仿真模型和开展真型试验,创新获得了大量第一手数据,解决了该技术难题,满足了工程设计需要。

成套设备研制:在特高压工程建设过程中,国家电网公司立足自主创新,成功研制出了代表世界最高水平的一系列适用于特高压工程的输变电相关设备,共计9大类、40余种设备,如特高压变压器、开关、串联补偿装置等。这些设备涉及领域多,专业面广,集成了电气、机械、电力电子、通信测量和自动控制等技术,并且电压等级是最高的,容量也是最大的,国外没有经验可以借鉴,代表了电力科技的前沿水平。其研制难点主要体现在设备的设计及优化、生产工艺实现、可靠性及其评估等方面。

特高压设备的成功研制,创造了一大批世界纪录,让我国掌握了核心技术,形成了批量生产能力,提升了设备检测能力,实现了国内电工装备制造的产业升级,在国际特高压设备制造领域形成了相对技术优势和竞争优势。

电磁环境控制:有了电荷,就会产生电压,有了电压就会产生电场。电荷如果定向移动,就会产生电流,就会产生磁场。特高压线路和变电站架构尺度大、结构复杂,因此构成了多导体系统。这种带电导体表面及附近空间的电场强度显著增大,容易引发强烈电晕放电。如何让特高压成为“环保使者”,产生的电场、磁场对环境完全无害,这是特高压在电磁环境方面面临的一大挑战。

基于此,特高压项目组摸清了复杂多导体系统的电场分布规律,提出了导线型式和布置方案、金具电晕控制方法、线路对无线台站、邻近输油输气管道的电磁影响防护措施等,使得特高压工程电磁环境各项指标与500千伏工程相当,实现了“环境友好”。其中,线路走廊边沿实测工频电场强度小于每米4千伏,严于世界卫生组织推荐的国际标准。

系统集成:特高压输电工程是一个庞大而复杂的人造系统,在我国为首次建设,其科研设计、设备选型、施工安装、调试运行等多个环节紧密关联、相互约束。如何优化协调工程各单元和设备的配置方案,使各系统间达到安全性、经济性、可靠性的有机协调统一,是工程建设的突出难题。

项目提出了特高压输变电工程整套设计和施工方法、设备现场实验方案,研制出线路带电作业工器具和实验设备等,形成了工程设计、施工、调试、运行全套技术规范。

试验能力:“试验是检验真理的唯一标准”,为了使特高压施工中可能遇到的难题提前在实验室内解决,减少事故发生,对模拟复杂环境条件下的特高压试验技术与试验能力都提出了严峻的挑战。无论是电压等级更高(接近或超过特高压等级),研制无标准可循,还是输变电设备的设备尺寸更大,试验所需空间加大,这些都增加了实现的难度。通过创新,我们把试验技术与能力全部提升上来了,试验参数、能力和规模都达到了国际领先水平。

“智造”电网的“神经中枢”

基于六大创新而成的特高压技术,如神奇的潘多拉魔盒,其搭建的电网“新高速”创造了互为备用、降低损耗和占地、推动技术进步及社会发展等多方面的联网效益与社会效益,带给了国人无限的憧憬与希望。

自特高压交流试验示范工程正式投运以来,华北和华中两大电网之间实现了大规模的电量交换,并成功完成了特高压交流试验示范工程输电年度交易。

据国家电网北京经济技术研究院总工程师韩丰介绍,特高压交流试验示范工程全面验证了特高压输电容量大、距离远、损耗低、占地省、经济性好的优势。从经济效益角度看,首先,试验示范工程电价具有较强的市场竞争力,未来商业化运营具有良好的市场空间;其次,试验示范工程财务指标良好,投资回收和偿债能力较强;再次,单纯从经济角度分析,综合考虑工程投资、输电损耗等差异,按照全运行周期进行年费用比较,特高压试验示范工程的经济性优于500千伏常规工程。未来有望建成的“三华”特高压电网,作为一个规模巨大的电网,在这个大电网中如果能实现各个电压等级间的互动和上下级调度之间的互动,就能显著提高能源的综合利用效率。

除了联网效益与社会效益最大化,发展特高压输电技术,也是发展清洁能源的需要。正如国家电网公司总经理、党组书记刘振亚所言,我国的清洁能源主要是风电和太阳能,且集中在中国的北部和西部。清洁能源需要远距离输送几千公里到东部。从技术开发量来讲,那里的资源几乎是取之不尽的,但必须通过特高压向东南部输送。

中国智能电网的建设需要坚强的特高压技术作为“神经中枢”来驱动,以创新多赢来实现综合价值最大化,树立长远利益观,引领社会发展,为未来递交一份实现科学发展、绿色发展、可持续发展的满意答卷。

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