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从拉闸限电到世界标准,这项技术打通电力“高速铁路”

日期:2022-10-22    来源:北京科技报  作者:赵天宇

国际电力网

2022
10/22
12:33
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关键词: 特高压输电技术 输电系统 输电技术

能源是经济发展的基石。在过去的十年里,我国能源自主保障能力显著提升,建成了全球最大的清洁发电体系,能源结构不断优化,有力地保障了国民经济的稳定运行。

近年来,中国在电气工程、电力技术领域逐步发展壮大,经过六十多年的发展,如今中国拥有了全世界最强大的电力工业体系:2021年全国发电装机容量约23.8亿千瓦,稳居世界第一;以央企国家电网为例,目前拥有专利数超2万件,排名世界第三;仅储能电池方面的专利数就占到全球的67.56%;同时我国也是世界最大的电力输出国。

尤其是在世界上最先进的输电技术——特高压输电技术领域,我国已经掌握了具有自主知识产权的特高压输电技术,是领先世界的重大自主创新成果,牵头制定了国际范围内公用的特高压输电线路标准,让中国标准和世界标准划上等号。

▲安徽池州,航拍特高压线路九华密集通道(图片来源/视觉中国)

什么是特高压输电

在我国电网运行系统中,电压分为输电和配电两个系统,输电系统是以输送电源至同级或下级变电站为目的,一般电压等级较高。配电系统是以输送电源至配电负载为目的,一般电压等级不超过110kV。

简单来说,从发电厂到升压变电站、输电网的是输电系统;从降压变电站到配电网再到电视、空调等用电设备的是配电系统。

根据欧姆定律可知,电流在传输过程中会出现损耗。距离、材料都是导致损耗的重要原因,尤其是传输距离,越远损耗就越大,降低输电损耗的办法之一就是提高输电电压,因此有了高压电的概念。

在我国,高压电网指的是220kV电网。在高压电基础上发展起来的超高压,可以达到500kV。但即便如此,超高压直流输电技术,仍然不足以应对上千公里的长距离输电,电流损耗甚至可以达到20%或更多。

继续提高直流输电的电压,传统绝缘材料无法承受,会导致电网系统发生故障,增加火灾等事故的风险,这就需要特高压直流输电技术支持。

特高压技术,指交流1000kV和直流±800kV电压等级的输电技术。该技术最大的特点是能够实现长途高效输电,尤其对于国土广阔、人口众多或者区域资源分布不均的国家来说,更如“雪中送炭”一般,也被称为“电工领域5G网”“电力系统高速铁路”。

国家电网公司提供的数据显示,一回路特高压直流电网可以送600万千瓦电量,相当于现有500kV直流电网的5-6倍,送电距离也是后者的2到3倍,且能节省60%的土地资源。

▲特高压输电示意图(图片来源/华尔街见闻)

从白手起家到自力更生

事实上,中国发展特高压输电也是“无奈之举”,因为中国的基本国情,决定了电力生产和消耗在地域分布上的极不平衡。

全国三分之二的煤炭资源都集中在陕西、山西和内蒙古三省区,80%的水电资源集中在西南地区,光伏、风能资源则主要集中在西北、内蒙古等地。但人口最密集、用电需求最高的却是中东部的16个省,这就导致长距离输电需求量很大。电力技术不仅是科学问题,更是我国能源安全的重要保障。

与桥梁、土木等“传统优势”领域不同,在输电技术上,中国没有太多技术储备,基本属于白手起家。所以直到改革开放初期,因为供电不足,各地拉闸限电的情况还较为普遍。

为了解决电能供应问题,20世纪80年代,我国从西方引进了电压等级为500kV的输变电技术(此前多数地区是220kV普通输电)。可随着经济社会的快速发展,500kV的输电技术也遇到了供求天花板,需要继续提升输电功率,向特高压领域进军。

在能源领域,特高压输电一直是世界级难题,美国、苏联、日本、意大利等国都开展过特高压研究试验、设备研制和工程尝试,但受制于政治、经济、技术等因素,最终都以失败告终。

从2000年开始,相关部门先后组织几十家科研机构和高校、几百家设备制造企业,形成了几千套方案,共几十万人参与,在国际上“无标准、无经验、无设备”的情况下,攻克了特高压输电技术诸多世界级难题。

我国自主研制的±800kV特高压直流换流变压器,创造了世界单体容量最大、技术难度最高、产出时间最短的世界纪录。

我国改进技术研发的特高压节能导线导电率,从61.0%IACS(导电率,是表示物质传输电流能力强弱的一种测量值)提高到63.5%IACS,极大降低了特高压输电过程中的损耗,每年可降低电力输送损耗几十亿度。

▲2022年6月26日,重庆,在白鹤滩-浙江±800kV特高压直流输电工程重庆黔江分段施工现场,工人在100多米的高处开展高空作业(图片来源/视觉中国)

这些科技创新成果,离不开国家有关部门的重视,更离不开无数科研工作者埋头苦干,发扬求实创新、艰苦奋斗的科学家精神。例如中国工程院院士李立浧就是国内特高压直流输电领域的专家,被誉为“直流输电第一人”。在特高压±800kV直流技术上,他带领专家和团队攻坚克难,研制了13大类73种主要电气设备,获得关键技术141项,创造了37项世界第一,成为我国在该领域“领先世界”的主要推动者之一。

中国科学院院士陈维江,是高电压与绝缘技术专家,曾获国家科学技术进步特等奖、国家技术发明二等奖。他长期从事电力系统电磁瞬态分析方法与防护技术研究。这些科研成果,有效支撑了我国特高压输电技术的成功研发。

成立于1981年的中国电工技术学会,是由以电气工程师、电工科学技术工作者为主体的学术性群团组织,也是发展中国电气工程事业的重要社会力量。学会坚持以学术交流为中心,面向电工科技前沿和国民经济建设的需要,积极开展学术交流活动。中国科协《重要学术会议指南(2022)》中,共收录8个来自中国电工技术学会的会议,像中国电工技术学会学术年会、第五届国际电气与能源大会、世界电动车大会中国分会场等会议,都是影响力较大、参与人数较多的学术会议。

“双碳”背景下的新机遇

2009年,我国第一条特高压输电线路晋东南—南阳—荆门全线贯通,中国成为了世界上第一个全面掌握特高压输电技术,并将其投入商业运营的国家。

此后十余年间,我国特高压输电技术又取得了历史性突破:截止到2021年底,我国共有33条特高压线路投入使用,覆盖全国七大电网区域,输电线路工程接近4万公里,相当于绕地球一周。

技术上的领先让中国掌握了更多话语权。目前在特高压技术领域,中国牵头制定了国际范围内公用的特高压输电线路标准,且拥有全部专利使用权。这意味着其他国家就算是研发出了国产技术,也必须遵守中国的标准,才被允许在国际上出售。

中国先后与菲律宾、葡萄牙、澳大利亚、希腊、俄罗斯等国合作,开始了特高压输电的全球布局。全球168个国家与国家电网签订了技术领域合作协议,意味着中国特高压技术已经开始走出国门,走向世界。

(图片来源/视觉中国)

在“双碳”大背景下,如今电力系统正面临着一场深刻的革命,特高压技术也走到了一个全新的路口。

未来随着传统火电占比的下降,风电、太阳能绿电清洁能源占比的上升,传统“发电、输电、变电、配电、用电”模式将因此改变,也将给中国电力工程行业发展带来更多机遇和挑战。

一方面,作为碳中和过程中电力远程输送的载体,特高压技术是保障能源安全,加速实现“双碳”目标的重要支撑,起到平衡能源与负荷分布、促进新能源消纳的作用。

另一方面,特高压项目还能有效带动地方经济发展。据测算,“十四五”期间,我国东北、蒙西、山西、西北、西南等区域直流外送通道需增加输送能力8452万千瓦,需新增特高压直流工程投资约2600亿元,这对促进上下游产业链发展,将起到积极作用。特高压有望继续加速发展,迎来更大的成长空间。


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