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瞭望丨特高压:电力珠峰

作者:排列5 发布时间:2020-12-17 07:35 点击数:

  5月3日,施工方国网四川电力送变电建设有限公司员工在青海—河南 ±800 千伏特高压直流输电工程(陕西段)工地上作业 陶明摄 / 本刊

  特高压输电技术是指交流1000千伏、直流±800千伏及以上电压等级的输电技术,与较低电压输电方式相比具有长距离、大容量、低损耗、节约土地资源的优势。我国第一条特高压输电工程于2009年1月6日正式投入运行,标志着我国电力输送技术达到世界领先水平,在世界各国引起热烈反响。特高压输电技术解决了我国电力跨区域远距离输送的难题,为大规模开发西部风光水可再生能源创造了条件,是我国能源革命的标志性技术成果和我国先进生产力发展的重大突破。

  ◇特高压技术彻底扭转了我国电力工业长期跟随西方发达国家发展的被动局面,诞生了“中国标准”,实现了“中国创造”和“中国引领”

  ◇特高压输电技术解决了我国电力跨区域远距离输送的难题,为大规模开发西部风光水可再生能源创造了条件,是我国能源革命的标志性技术成果和我国先进生产力发展的重大突破

  ◇特高压技术是世界能源输送的重要变革,它和我国的高铁、航天技术一样,都是我国对世界工业作出的重大贡献。它敲响了世界能源变革发展的鼓点,将有力推动世界领域的能源生产和消费变革

  11月3日,国家发改委正式核准总投资307亿元、输电容量800万千瓦的白鹤滩—江苏±800干伏直流输电工程。

  近期发布的《“新基建”之特高压产业发展及投资机会白皮书》预计,到2022年,中国特高压产业及其产业链上下游相关配套环节所带动的总投资规模将达到4140亿元;到2025年,特高压产业与其带动产业整体投资规模将达5870亿元。

  我国第一条特高压工程在11年前投入商业运行,这样一个有着传统基建气质的老面孔缘何又能荣升为新基建的一员?

  “特高压是目前世界上最先进的输电技术,是推动电力科技升级,保证能源供应安全、经济和环保的战略性技术。”在接受《瞭望》新闻周刊记者采访时,国网北京经济技术研究院原院长刘开俊谈到,特高压能成为新基建七大领域之一,是因为其代表了经济社会发展和产业提质振兴的主攻方向,具有产业链长、带动力强、经济社会效益显著等优势。

  “特别是能够推进包括换流阀、电力电子、新材料等高端装备制造的发展,符合国家产业升级的趋势。”刘开俊说。

  特高压输电技术是指交流1000千伏、直流±800千伏及以上电压等级的输电技术,与较低电压输电方式相比具有长距离、大容量、低损耗、节约土地资源的优势。

  2009年1月6日,我国第一条特高压输电工程正式投入运行,标志着我国电力输送技术达到世界领先水平,意义重大。

  一方面,特高压成套输电设备的研制成功,改变了我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,取得了从基础研究到工程实践的全面突破,实现了“中国创造”和“中国引领”。

  另一方面,特高压输电技术解决了我国电力跨区域远距离输送的难题,为大规模开发西部风光水可再生能源创造了条件,是我国能源革命的标志性技术成果和我国先进生产力发展的重大突破。

  2009年之春,晋东南—南阳—荆门1000千伏特高压交流试验示范工程投入运行后,时任国家电网公司总经理刘振亚访问美国,并与时任美国能源部部长朱棣文交谈。

  朱棣文表示“对中国搞的特高压很嫉妒”。他向刘振亚坦言:“这方面你们走到了美国的前面去了,我们很想和你们分享这个成果。”

  从当初的向国际同行学习到如今的引领世界,代表当今世界电网科技发展最高水平的特高压,已经成为“中国制造”一张闪亮的名片。

  从高压到超高压,再到特高压,输电电压每提高一个等级,都面临巨大的技术挑战。

  中国电网技术也曾一度沿着“引进—消化—吸收—再创新”的路径摸索前进,但到了特高压,这个模式行不通了:发达国家虽然趟了特高压这条道,但发展水平良莠不齐,也没有形成成熟的技术和设备,中国就是拿着钱也没地方买。

  依靠自主创新,突破现有工业基础、技术与人才储备等多种限制,就成为唯一的一条路,一条崎岖坎坷的路。

  早自1986年,中国就开始了对特高压技术的跟踪研究。此后我国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。

  即便如此,当国家发改委于2006年8月批准建设晋东南—南阳—荆门1000千伏特高压交流试验示范工程时,历经20年探索研究的特高压技术依然需要攻克多道难关。

  2008年3月,由特变电工沈变制造的1000千伏变压器顺利设计完成。作为特高压关键设备,该变压器凝聚了国内相关领域科技精英的无数心血,一旦试验成功,特高压工程的核心设备即大功告成。试验开始后,电压指针向上升起。忽然,伴随一记闷响的电击声,电压指针归零!所有人刹那间惊呆了。升压时间只有72秒,绝缘被击穿。第二次试验现场,变压器刚升压到29秒,“轰”的一声,电压指针再次归零。两次试验均失败。

  面对艰难处境,参与人员没有退缩动摇,而是实事求是总结经验,吸取教训,重新上路。最终在2008年6月,重达400吨、耗资5000万元的变压器试验取得圆满成功。

  这只是我国特高压事业中一个小小的插曲。为破解一系列世界级难题,形成拥有自主知识产权的核心技术,整个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”的方针,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,全面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,刷新了主要输变电设备的世界纪录,建成世界上电压等级最高、输电能力最强的交流输电工程。

  2013年1月8日上午,人民大会堂,国家科学技术奖励大会上,“特高压交流输电关键技术、成套设备及工程应用”荣获国家科学技术进步奖特等奖,这是我国电工领域在国家科技奖上收获的最高荣誉。“特高压±800千伏直流输电工程”也获得了中国工业大奖。

  在刘开俊看来,这两项技术是中国电力事业发展的重要里程碑,彻底扭转了我国电力工业长期跟随西方发达国家发展的被动局面,诞生了“中国标准”,实现了“中国创造”和“中国引领”。

  11月24日,世界首个特高压多端混合直流输电工程——昆柳龙直流工程昆北—龙门极2高低端换流器成功解锁,系统电压第一次跃升至800千伏,输送功率稳增到800兆瓦,标志着特高压进入柔性直流新时代。

  这是世界首次运用特高压混合直流和特高压柔性直流输电技术实现远距离送电,也是中国特高压技术的又一次突破。

  工程全部建成后,整体送电容量达800万千瓦。广东、广西受电端容量分别增加500万和300万千瓦,将进一步优化南方五省区的能源结构,支撑起更加稳定安全的西电东送绿色大电网。

  “特高压是解决我国能源资源与电力负荷逆向分布问题、实施国家‘西电东送’战略和电力跨区域大范围输送的核心技术。”刘开俊说。

  一是传输效率高。1000千伏特高压交流输电线千伏输电线千伏特高压直流输电能力是±500千伏输电线倍。

  二是输电距离远,线路损耗低。在输送相同功率的情况下,1000千伏特高压交流和±1100千伏特高压直流的输电距离分别是500千伏输电线倍,而线千伏线%。

  三是节约土地资源。当输送电功率相同时,采用1000千伏线千伏的线路相比,单位容量线%的土地资源。

  如此诱人的前景,让不少国家都觊觎这一技术。自上世纪60年代开始,美国、日本、苏联等发达国家就相继进行过特高压输电技术研究,并陆续有项目建设投入使用。但由于技术挑战、运营效益等问题,最终降压或停止运营。

  西方走不通或不愿走的路,为什么中国一定要走,而且要走出名堂?一句话,这是由中国的能源国情决定的。

  “十三五”以来,我国全社会用电量年均增速6.2%,年均新增用电量3600亿千瓦时,一年的新增量相当于世界用电量排名第11位的英国总水平。

  展望“十四五”,我国经济总体处于工业化中后期、城镇化快速推进期,电力需求仍会持续刚性增长。预计到2025年,全社会用电量在9万亿至10万亿千瓦时之间,年均增速4%~6%。

  在电力需求持续上升的背景下,我国的能源结构并不合理。“多煤少油缺气”的格局不仅导致能源利用效率低,还加大了环保压力。业内人士分析,要改变这一状况,至少可以从两个方面发力:一是促进煤炭的高效清洁利用,减少中东部环境压力;二是提高水电风电光伏等清洁能源的占比。

  当前及未来一段时期,煤电仍是我国的主力电源。但目前全国一半以上的燃煤装机分布在东部地区,东部区域已没有足够的土地资源和剩余环境容量继续大规模建设燃煤电厂。考虑到我国70%以上的煤炭资源保有储量分布在山西、内蒙古、陕西、新疆等地区,因此未来新增燃煤电厂将更多向环境容量相对较大的西部和北部地区布局。此举不仅可以缓解东部地区的环境压力,还可以通过煤电基地实现煤炭的集约高效开发和集中治理,减少污染物排放。

  与此同时,清洁能源在我国能源消费中的比例也将逐步提升,预计到2050年我国清洁电力发电量占全部发电量比重将接近50%。但我国80%以上的水能分布在四川、云南、西藏等西部地区,而风电光伏也都具备很强的属地性,只能在资源所在地区建设,因此清洁能源的大力发展也会使得新增装机向西部北部地区转移。

  与能源资源主要集中于西部和北部地区形成鲜明对比的是,我国2/3的能源需求又集中在东、中部地区。能源资源与用能中心呈逆向分布,二者距离遥远,决定了我国必须要进行大规模能源调配,实现远距离输电,而这正是特高压电网的擅长之举。

  例如“十三五”期间投运的准东—皖南±1100千伏直流工程输电距离长达3300公里,是目前国际上输电电压等级最高、输电距离最远的特高压直流工程,是特高压工程实现资源大规模、远距离输送的典型代表。

  “特高压输电技术的研发成功,为调整和优化我国能源结构创造了条件。”在刘开俊看来,特高压技术可以把煤电基地大规模建设的高效低排放的煤电输送到东中部地区,实现跨区域送电、大规模长距离输电,是推动能源资源优化配置的合理方式。更重要的是,以特高压电网为骨干的电网能够提高新能源并网和消纳能力,是加快能源结构调整、有效防治大气污染、推动生态文明建设的重要举措。

  截止到2019年底,我国特高压建设历经十余年推进已经建成“十二交十四直”共26条特高压工程,特高压交直流工程已经全面覆盖我国七个区域电网。

  从特高压交流来看,2009年1月我国投产了世界首条商业运营的特高压交流输电工程。2019年9月有着“万里长江第一廊”之称的苏通GIL综合管廊工程正式投运,该工程是世界上首次在重要输电通道中采用特高压GIL技术,同时也标志着世界首个区域型特高压交流环网——华东特高压环网正式闭环运行。截止到2019年底,“三华”地区已投产特高压主变容量约1.35亿千伏安,输电线万公里。

  从特高压直流来看,2010年6、7月我国分别投产了±800千伏云广、向上直流工程,输送容量分别为500万、640万千瓦,是世界首批±800千伏特高压直流输电工程。随后“十二五”“十三五”期间投产的特高压直流工程输送容量进一步增大,电压等级进一步提高。尤其是2019年9月投运的准东—皖南±1100千伏直流,输电容量达到了1200万千瓦,是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输电距离最远、技术水平最先进的直流输电工程。截止到2019年底,国内已有14个特高压直流输电工程投入运行,合计输送容量1.1亿千瓦,输电线万公里。

  中国在特高压技术突破和工程建设方面所取得的成就,也得到了国际社会的认可。国际上多家权威机构对特高压输电技术的评价很高,普遍认为特高压输电技术代表了当今电网最重要的发展趋势之一,是电力工业发展史上的一个重要里程碑,能够极大地解决未来的能源危机。

  “世界范围内存在的能源供需矛盾,客观上需要跨洲际、更大范围的资源优化配置。”刘开俊说,随着国际社会对生态环境和气候变化问题关注的提升,各国不断提高能源开发的环保和排放标准,努力实现能源开发的清洁化。基于特高压技术的跨国、跨洲能源输送和电网互联的建设是一项安全、经济、高效、成熟的战略选择,是实现全球范围内的资源优化配置,解决能源问题的长远之策。

  目前,俄罗斯、印度、巴西等国都将特高压输电作为能源电力发展的重要方向,并积极寻求与中国的技术合作。

  2014年,我国特高压直流输电技术成功走出国门,应用在巴西美丽山水电站特高压直流送出项目中。该项目不仅能解决巴西电源与负荷不匹配问题,满足近2200万人口的用电需求,而且可以带动当地电源、电工装备和原材料等上下游产业升级,为振兴巴西经济提供有力支撑。

  该项目实现了中国特高压直流输电技术、标准和设备的全方位走出去,为后续海外直流工程的执行提供了成熟的经验和借鉴,为中国特高压技术服务国际市场提供了示范,也成为中国企业走向世界的又一张新名片。

  “我国已经在世界上率先掌握了特高压输电的核心技术,由我国确定的特高压标准已经成为国际标准。”在刘开俊看来,特高压技术是世界能源输送的重要变革,它和我国的高铁、航天技术一样,都是我国对世界工业作出的重大贡献。它敲响了世界能源变革发展的鼓点,将有力推动世界领域的能源生产和消费变革。(记者 尚前名)


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