從一窮二白拉閘限電到24小時(shí)燈火通明,這項(xiàng)技術(shù)打通電力“高速鐵路”,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),讓中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和世界標(biāo)準(zhǔn)劃上等號(hào)。
(資料圖)
撰文/記者 趙天宇 編輯/劉昭
新媒體編輯/房永珍
審核專家
馬靜(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師,中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)副主任)
能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石。在過(guò)去的十年里,我國(guó)能源自主保障能力顯著提升,建成了全球最大的清潔發(fā)電體系,能源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化,有力地保障了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定運(yùn)行。
近年來(lái),中國(guó)在電氣工程、電力技術(shù)領(lǐng)域逐步發(fā)展壯大,經(jīng)過(guò)六十多年的發(fā)展,如今中國(guó)擁有了全世界最強(qiáng)大的電力工業(yè)體系:2021年全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量約23.8億千瓦,穩(wěn)居世界第一;以央企國(guó)家電網(wǎng)為例,目前擁有專利數(shù)超2萬(wàn)件,排名世界第三;僅儲(chǔ)能電池方面的專利數(shù)就占到全球的67.56%;同時(shí)我國(guó)也是世界最大的電力輸出國(guó)。
尤其是在世界上最先進(jìn)的輸電技術(shù)——特高壓輸電技術(shù)領(lǐng)域,我國(guó)已經(jīng)掌握了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的特高壓輸電技術(shù),是領(lǐng)先世界的重大自主創(chuàng)新成果,牽頭制定了國(guó)際范圍內(nèi)公用的特高壓輸電線路標(biāo)準(zhǔn),讓中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和世界標(biāo)準(zhǔn)劃上等號(hào)。
什么是特高壓輸電
在我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中,電壓分為輸電和配電兩個(gè)系統(tǒng),輸電系統(tǒng)是以輸送電源至同級(jí)或下級(jí)變電站為目的,一般電壓等級(jí)較高。配電系統(tǒng)是以輸送電源至配電負(fù)載為目的,一般電壓等級(jí)不超過(guò)110kV。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),從發(fā)電廠到升壓變電站、輸電網(wǎng)的是輸電系統(tǒng);從降壓變電站到配電網(wǎng)再到電視、空調(diào)等用電設(shè)備的是配電系統(tǒng)。
根據(jù)歐姆定律可知,電流在傳輸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)損耗。距離、材料都是導(dǎo)致?lián)p耗的重要原因,尤其是傳輸距離,越遠(yuǎn)損耗就越大,降低輸電損耗的辦法之一就是提高輸電電壓,因此有了高壓電的概念。
在我國(guó),高壓電網(wǎng)指的是220kV電網(wǎng)。在高壓電基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的超高壓,可以達(dá)到500kV。但即便如此,超高壓直流輸電技術(shù),仍然不足以應(yīng)對(duì)上千公里的長(zhǎng)距離輸電,電流損耗甚至可以達(dá)到20%或更多。
繼續(xù)提高直流輸電的電壓,傳統(tǒng)絕緣材料無(wú)法承受,會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障,增加火災(zāi)等事故的風(fēng)險(xiǎn),這就需要特高壓直流輸電技術(shù)支持。
特高壓技術(shù),指交流1000kV和直流±800kV電壓等級(jí)的輸電技術(shù)。該技術(shù)最大的特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)途高效輸電,尤其對(duì)于國(guó)土廣闊、人口眾多或者區(qū)域資源分布不均的國(guó)家來(lái)說(shuō),更如“雪中送炭”一般,也被稱為“電工領(lǐng)域5G網(wǎng)”“電力系統(tǒng)高速鐵路”。
國(guó)家電網(wǎng)公司提供的數(shù)據(jù)顯示,一回路特高壓直流電網(wǎng)可以送600萬(wàn)千瓦電量,相當(dāng)于現(xiàn)有500kV直流電網(wǎng)的5-6倍,送電距離也是后者的2到3倍,且能節(jié)省60%的土地資源。
▲特高壓輸電示意圖(圖片來(lái)源/華爾街見聞)
從白手起家到自力更生
事實(shí)上,中國(guó)發(fā)展特高壓輸電也是“無(wú)奈之舉”,因?yàn)橹袊?guó)的基本國(guó)情,決定了電力生產(chǎn)和消耗在地域分布上的極不平衡。
全國(guó)三分之二的煤炭資源都集中在陜西、山西和內(nèi)蒙古三省區(qū),80%的水電資源集中在西南地區(qū),光伏、風(fēng)能資源則主要集中在西北、內(nèi)蒙古等地。但人口最密集、用電需求最高的卻是中東部的16個(gè)省,這就導(dǎo)致長(zhǎng)距離輸電需求量很大。電力技術(shù)不僅是科學(xué)問(wèn)題,更是我國(guó)能源安全的重要保障。
與橋梁、土木等“傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)”領(lǐng)域不同,在輸電技術(shù)上,中國(guó)沒(méi)有太多技術(shù)儲(chǔ)備,基本屬于白手起家。所以直到改革開放初期,因?yàn)楣╇姴蛔?,各地拉閘限電的情況還較為普遍。
為了解決電能供應(yīng)問(wèn)題,20世紀(jì)80年代,我國(guó)從西方引進(jìn)了電壓等級(jí)為500kV的輸變電技術(shù)(此前多數(shù)地區(qū)是220kV普通輸電)??呻S著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,500kV的輸電技術(shù)也遇到了供求天花板,需要繼續(xù)提升輸電功率,向特高壓領(lǐng)域進(jìn)軍。
在能源領(lǐng)域,特高壓輸電一直是世界級(jí)難題,很多國(guó)家都開展過(guò)特高壓研究試驗(yàn)、設(shè)備研制和工程嘗試,但受制于政治、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素,最終都以失敗告終。
從2000年開始,相關(guān)部門先后組織幾十家科研機(jī)構(gòu)和高校、幾百家設(shè)備制造企業(yè),形成了幾千套方案,共幾十萬(wàn)人參與,在國(guó)際上“無(wú)標(biāo)準(zhǔn)、無(wú)經(jīng)驗(yàn)、無(wú)設(shè)備”的情況下,攻克了特高壓輸電技術(shù)諸多世界級(jí)難題。
我國(guó)自主研制的±800kV特高壓直流換流變壓器,創(chuàng)造了世界單體容量最大、技術(shù)難度最高、產(chǎn)出時(shí)間最短的世界紀(jì)錄。
我國(guó)改進(jìn)技術(shù)研發(fā)的特高壓節(jié)能導(dǎo)線導(dǎo)電率,從61.0%IACS(導(dǎo)電率,是表示物質(zhì)傳輸電流能力強(qiáng)弱的一種測(cè)量值)提高到63.5%IACS,極大降低了特高壓輸電過(guò)程中的損耗,每年可降低電力輸送損耗幾十億度。
這些科技創(chuàng)新成果,離不開國(guó)家有關(guān)部門的重視,更離不開無(wú)數(shù)科研工作者埋頭苦干,發(fā)揚(yáng)求實(shí)創(chuàng)新、艱苦奮斗的科學(xué)家精神。例如中國(guó)工程院院士李立浧就是國(guó)內(nèi)特高壓直流輸電領(lǐng)域的專家,被譽(yù)為“直流輸電第一人”。在特高壓±800kV直流技術(shù)上,他帶領(lǐng)專家和團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難,研制了13大類73種主要電氣設(shè)備,獲得關(guān)鍵技術(shù)141項(xiàng),創(chuàng)造了37項(xiàng)世界第一,成為我國(guó)在該領(lǐng)域“領(lǐng)先世界”的主要推動(dòng)者之一。
中國(guó)科學(xué)院院士陳維江,是高電壓與絕緣技術(shù)專家,曾獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步特等獎(jiǎng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。他長(zhǎng)期從事電力系統(tǒng)電磁瞬態(tài)分析方法與防護(hù)技術(shù)研究。這些科研成果,有效支撐了我國(guó)特高壓輸電技術(shù)的成功研發(fā)。
成立于1981年的中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì),是由以電氣工程師、電工科學(xué)技術(shù)工作者為主體的學(xué)術(shù)性群團(tuán)組織,也是發(fā)展中國(guó)電氣工程事業(yè)的重要社會(huì)力量。學(xué)會(huì)堅(jiān)持以學(xué)術(shù)交流為中心,面向電工科技前沿和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要,積極開展學(xué)術(shù)交流活動(dòng)。中國(guó)科協(xié)《重要學(xué)術(shù)會(huì)議指南(2022)》,共收錄8個(gè)來(lái)自中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)的會(huì)議,像中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)等會(huì)議,都是影響力較大、參與人數(shù)較多的學(xué)術(shù)會(huì)議。
▲了解更多《重要學(xué)術(shù)會(huì)議指南(2022)》信息,請(qǐng)掃描二維碼
“雙碳”背景下的新機(jī)遇
2009年,我國(guó)第一條特高壓輸電線路晉東南—南陽(yáng)—荊門全線貫通,中國(guó)成為了世界上第一個(gè)全面掌握特高壓輸電技術(shù),并將其投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的國(guó)家。
此后十余年間,我國(guó)特高壓輸電技術(shù)又取得了歷史性突破:截止到2021年底,我國(guó)共有33條特高壓線路投入使用,覆蓋全國(guó)七大電網(wǎng)區(qū)域,輸電線路工程接近4萬(wàn)公里,相當(dāng)于繞地球一周。
技術(shù)上的領(lǐng)先讓中國(guó)掌握了更多話語(yǔ)權(quán)。目前在特高壓技術(shù)領(lǐng)域,中國(guó)牽頭制定了國(guó)際范圍內(nèi)公用的特高壓輸電線路標(biāo)準(zhǔn),且擁有全部專利使用權(quán)。這意味著其他國(guó)家就算是研發(fā)出了國(guó)產(chǎn)技術(shù),也必須遵守中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn),才被允許在國(guó)際上出售。
中國(guó)先后與菲律賓、葡萄牙、澳大利亞、希臘、俄羅斯等國(guó)合作,開始了特高壓輸電的全球布局。全球168個(gè)國(guó)家與國(guó)家電網(wǎng)簽訂了技術(shù)領(lǐng)域合作協(xié)議,意味著中國(guó)特高壓技術(shù)已經(jīng)開始走出國(guó)門,走向世界。
在“雙碳”大背景下,如今電力系統(tǒng)正面臨著一場(chǎng)變革,特高壓技術(shù)也走到了一個(gè)全新的路口。
未來(lái)隨著傳統(tǒng)火電占比的下降,風(fēng)電、太陽(yáng)能綠電清潔能源占比的上升,傳統(tǒng)“發(fā)電、輸電、變電、配電、用電”模式將因此改變,也將給中國(guó)電力工程行業(yè)發(fā)展帶來(lái)更多機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
一方面,作為碳中和過(guò)程中電力遠(yuǎn)程輸送的載體,特高壓技術(shù)是保障能源安全,加速實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要支撐,起到平衡能源與負(fù)荷分布、促進(jìn)新能源消納的作用。
另一方面,特高壓項(xiàng)目還能有效帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。據(jù)測(cè)算,“十四五”期間,我國(guó)東北、蒙西、山西、西北、西南等區(qū)域直流外送通道需增加輸送能力8452萬(wàn)千瓦,需新增特高壓直流工程投資約2600億元,這對(duì)促進(jìn)上下游產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,將起到積極作用。特高壓有望繼續(xù)加速發(fā)展,迎來(lái)更大的成長(zhǎng)空間。■
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