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涨知识|中国是如何被点亮:从受制于人到前无古人
2024-04-13 08:02:01 | 作者:米乐m6在线

  10月11日,国家重点研发计划项目《特高压交直流混联大电网运行关键技术标准研究》编制的30项国家标准,一次性全部正式对外发布。它涵盖电网仿真分析、继电保护、安全稳定控制、调度自动化、网源协调、新能源调度等关键技术领域,是电力标准化支撑特高压交直流混联大电网发展的重要里程碑。

  从受制于人到前无古人、再到“中国创造”和“中国引领”,我们的特高压输电技术发展之路走得坎坷,也走得漂亮。

  近年来,在逐步构建特高压交直流混联大电网的过程中,中国电力冲破了哪些“卡脖子”的困境?在构建清洁低碳、安全高效能源体系的大背景下,传统特高压输电工程要怎么样应对全新挑战?

  一百多年前的一个夏夜,在上海南京路江西路西北转角处,十余盏弧光灯缓缓亮起。路边,大批民众聚集围观,好奇又惊恐地议论着眼前的稀奇玩意儿。

  这是在中国大地上点亮的第一批电灯,标志着中国电力工业进入初创时期。当时,我们的发电设备全部来自国外,城市电网孤立分散、孱弱不堪。全国35千伏及以上线千米,人均年用电量只有7.94千瓦时,还不到现在一个成年人一天用电量的1/4。

  新中国成立后,电力工业迎来曙光。20余年间,东北220千伏和陕甘青330千伏骨干网架相继形成,初步建成比较完整的电力工业体系,但人均发电量还很低,缺电、限电现象普遍。

  70年代末,全国掀起改革开放浪潮。为不让电力短缺拖国民经济发展后腿,电力工业走上联网之路,以省级和跨省电网建设为重点,各电网相互支援,合理规划利用资源。到80年代末、90年代初,中国已逐步形成了东北、华北、华东、华中、西北、川渝和南方7个以500千伏线路为联络线的跨省电网。

  *能源分布和负荷中心距离太远。我国幅员辽阔,70%以上的电力消费集中在东中部地区,而能源富集地区位于西部腹地。大规模、长距离的能源运输绝非易事,依靠传统电压送电的损耗过高。

  *电力基建失衡。输电通道建设滞后于电源建设,导致部分地区发的电送不出去。

  为了解决这一些难题,中国决定建设“电力高速公路”——发展特高压输电技术,搭建特高压电网。所谓特高压输电技术,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,特高压输电具有长距离、大容量、低损耗、节约土地资源的优势。

  从上世纪80年代开始,中国就对特高压技术进行跟踪研究,先后将特高压输电技术探讨研究列入国家“七五”“八五”和“十五”科技攻关计划。但这些探索多停留在理论层面,毕竟当时我们还在为发展超高压技术和设备而苦苦求索。1985年,我国首个500千伏直流工程葛上直流开建时,变电站的草皮、螺帽、钉子、水龙头都要全套进口。

  面对困境,科研人员并没有退缩,将引进、改良先进的技术并实现国产化作为突破重重电力难关的独特路径。2005年,西北750千伏输变电国产化示范工程顺利投产,我国输变电设备制造能力极大提高,为特高压技术装备研发和应用创造条件。

  2006年8月,国家发改委正式核准在晋东南—南阳—荆门建1000千伏特高压交流试验示范工程。三年后,项目顺利建成并投入商业运行,标志着中国掌握了特高压技术,率先进入特高压时代。

  2010年6月,±800千伏云南—广东特高压直流输电示范工程全面投运。这是世界首条特高压直流工程,推动中国进入交直流特高压混合电网时代。只能跟在发达国家身后搞“跟踪式”创新的中国,逐渐形成了拥有自主知识产权的核心技术,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。

  掌握了特高压技术后,中国迎来特高压电网规模化建设和完善提升阶段,西电东送、南北互供和全国联网成为大势所趋。2015年,随着青海省最后3.98万无电人口实现通电,中国全面解决了无电人口用电问题。

  不过,新的问题又随之而来。比如关键技术或零部件“卡脖子”、电网资源优化配置不足、传统电网不适应清洁能源发展等新问题逐渐凸显。

  在特高压面前,中国电网过去那套“引进—消化—吸收—再创新”的技术路径已经行不通了。一方面,发达国家的特高压输电技术发展水平良莠不齐,没有成熟的技术和设备;另一方面,部分电力系统关键原材料长期被国外企业垄断,技术壁垒高筑。

  2021年3月27日,施工队在宁波舟山港主通道舟岱大桥敷设高压随桥电缆。图|IC photo

  高压直流电缆的在允许电压下不导电的材料核心技术就是一个例子。高压直流电缆是柔性直流输电技术的关键装备,可大范围的应用于城市电网改造、跨区域直流联网、高寒地区输电、海上平台供电等领域。直流电缆分为充油电缆、绕包绝缘电缆和挤包绝缘电缆三种。其中,挤包直流电缆主要是采用聚乙烯为绝缘介质,因内部结构坚固、生产安装方便、运维成本低而广受业内关注。要想研制出适用于更高电压等级电缆的在允许电压下不导电的材料,就要在提升现有基础树脂的综合性能上下功夫。

  然而,作为全球第一大电缆制造国,中国却长期面临在允许电压下不导电的材料技术“卡脖子”的困境,电缆主在允许电压下不导电的材料和屏蔽层材料长期被国外企业垄断。

  国产绝缘材料所用的国产基础树脂,在洁净度、击穿场强、电导率等方面与国外差距较大。同时,针对绝缘材料复配交联控制技术、绝缘材料批量制备超净化工艺技术、温度电导特性等方面的基础研究仍待加强。由于技术保密,国外企业只公布极其有限的产品信息,我们难以通过这一些信息来区分绝缘性能甚至指导材料开发,高端电工装备自主可控及能源互联网发展受到严重制约。

  为打破技术垄断,国内高校、制造厂商、科研院所组成攻关团队,系统开展仿真设计、材料研发、电缆制造、系统匹配、试验评价等关键技术探讨研究,以求逐步突破材料空间电荷调控与匹配、电缆挤出圆整度控制及附件核心部件设计等关键技术。

  终于,2020年,国产在允许电压下不导电的材料±535千伏直流电缆、高压直流电缆附件相继通过型式试验,我国超高压直流电缆系统及在允许电压下不导电的材料核心技术实现突破。

  技术创新远不止于跟随他人步伐。当我们不再受制于人,技术革新往往会面临前无古人的境况。

  随着技术的发展,中国的特高压向着更高千伏迈进。更高电压等级,意味着更大的输电能力、更远的输送距离和更低的输电损耗,同时也伴随着更大的风险和更严峻的挑战。

  ±1100千伏特高压建设是我国的首创工程,在国内外没有一点可遵循的标准和规范。其中,柔性直流穿墙套管这一关键设备的研制,成为制约我们国家发展直流输电工程的技术瓶颈。

  柔性直流穿墙套管是连接换流站阀厅内部和外部高电压大容量电气装备的唯一电气贯通设备,单体承载全系统电压和电流,起到通流、绝缘和机械支撑作用,堪称直流输电系统的“咽喉”。

  为了实现这一瓶颈的突破,多家研究机构统筹产学研资源、抽选技术骨干,多次开展套管精细化建模仿真、真型样机试验论证,最终形成性能更优的国产套管设计的具体方案。今年6月,在乌东德电站送电广东广西特高压多端柔性直流示范工程柳州换流站内,我国自主研发的±800千伏柔直穿墙套管成功投运、稳定运行,中国人终于用上了自己制造的特高压柔直穿墙套管。

  截至2020年底,中国已建成“14交16直”在建“2交3直”共35个特高压工程,在运在建特高压线万公里,远远领先于世界。在国际上“无标准、无经验、无设备”的情况下,依靠自主创新,我国成功研发出了与特高压相关的21大类、310项关键技术,连续攻克了特高电压、特大电流下的绝缘特性、设备研制、试验技术等世界级难题,所有关键设备全都实现了国产化。

  正如前文所讲,我国的能源资源和电力需求呈逆向分布。因此,优化电力资源配置、推动能源及电力跨区域输送,是中国电网建设的重点难题之一。

  新世纪伊始,随着“西电东送”工程落地,西部地区兴建起一批大型能源基地和特高压输电通道,为东中部地区发展输送源源不断的“血液”。然而,在经济持续发展和电力消耗增长的大背景下,到“十三五”期间,东中部地区负荷中心所需的新增区外来电至少还有1亿千瓦的缺口,电网资源优化配置能力还要进一步提升。

  2019年10月12日,检修工人在宁夏灵武市白土岗乡灵州换流站对±800千伏灵州—绍兴特高压直流输电线路进行检修。 图|中新社

  要解决这一问题,就要逐步加强特高压工程建设。依照国家电网规划,“十三五”期间要在“四交五直”工程基础上,加快建设“五交八直”特高压工程,并在2018年以前开工建设“十交两直”特高压工程。截至2020年,国家电网已累计建成投运“十四交十二直”26项特高压工程,居世界第一。

  这些工程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次生产的能源创造条件,也为东中部地区用电提供保障。2018年夏季,江苏用电负荷连续破亿时,多条特高压从西南、华北、华东等地送入江苏,高峰值超过2100万千瓦,基本满足当地电力需求。

  全国联网不仅解决了东中部地区的用电需求,更是促进了西部地区的用电稳定和经济发展,有效地将资源优势转变为经济优势。

  西藏的电力结构以水电为主,冬春枯水季节发电严重不足,夏季丰水期电力又难以消纳。未解决这一突出矛盾,青藏联网工程和川藏联网工程相继投运。如今,青藏联网工程双向累计输送电量突破100亿千瓦时,其中由青海向西藏输送71亿千瓦时,由西藏向外输送夏季富余水电32亿千瓦时,有力保障青藏两省区经济社会持续健康发展。(数据截至2020年)

  尽管如此,西藏当地电网骨干网架仍未全部贯通,占林芝面积约70%的墨脱县、波密县和察隅县尚未被纳入主电网覆盖范围。直到2017年,藏中联网工程开始开工建设。它跨越三地市十区县,是世界海拔最高、海拔跨度最大、自然条件最复杂输变电工程,其建设难度可想而知。

  以绝缘为例,稀薄的空气使得绝缘系数大幅度降低,要求高压线与塔身的安全距离要更远、距离地面要更高。原本500千伏的电网,在高原上必须提高到750千伏甚至更高。更高等级意味着工程材料的增长,再加上当地生态环境脆弱,难以开辟临时施工道路运送施工物料,只能依靠人力、索道等传统运输方式织起一张“绿色电网”。

  2018年8月,位于昌都市芒康县拉乌山海拔4300米的500千伏芒康变电站1号主变成功带电,世界海拔最高的500千伏变电站建成投运。

  藏中联网工程不仅能满足西藏中部经济社会持续健康发展的用电需求,也提高了系统供电的可靠性和清洁能源外送消纳能力。藏中联网工程具备40万千瓦输送能力,远期可提升至百万千瓦,年输送电量27亿千瓦时,为藏中能源开发与外送创造有利条件。

  随着技术进步和规模化发展,据测算,全球陆上风电、光伏发电的竞争力将在2025年前全面超过化石能源,全球清洁能源占一次能源消费比重将超70%,清洁能源发电装机占总装机比重将超80%。未来,形成清洁主导、电力为中心的能源格局,是世界能源转型大趋势。

  对中国而言,发展清洁能源更是至关重要,毕竟中国的能源形势从一开始就是“困难模式”。

  首先是煤电问题突出。我国煤炭占一次能源消费比重约58%,一半以上用于发电,且探明储量只能开采50年。

  其次是油气受制于人。我国石油、天然气占一次能源消费比重约27%,受资源条件限制,生产与消费缺口持续扩大,对外依存度分别达72%、43%,保障油气安全压力巨大。

  水能、陆上风能、太阳能资源技术可开发量分别超过6亿、35亿、100亿千瓦,目前开发率分别低于50%、4%、5%。面对这样的资源现实,同时为保障国家能源安全,全力发展清洁能源成为核心选项。

  因此,我们的电网建设必须适应清洁能源大发展的需求。但是,我国的清洁能源主要分布在西部地区,东中部地区想要用到清洁能源并不容易。

  “十二五”以来,西部地区的风电、光伏装机量骤增,输电通道建设却落后于电源建设,导致“弃风”“弃光”“弃水”现象严重。2016年,全国“三弃”电量高达1100亿千瓦时,超过同年三峡水电站发电量约170亿千瓦时,直接经济损失超500亿元。

  要根本解决新能源送出、消纳问题,还要靠特高压以及建立在特高压网架基础上的智能电网。为此,“十三五”期间,我国规划建设一批特高压项目,打通输送清洁能源的高速通道,青海—河南±800千伏特高压直流输电工程就是这里面之一。

  青海是我国清洁能源最丰富的省份之一,大量富余的清洁电力亟待送往上千公里之外的东中部负荷中心。不过,利用特高压技术输送清洁能源,我们还面临着系统电压控制稳定的难题。

  传统的特高压直流犹如高速列车,运载量大、一站直达,而“始发站”的太阳能、风能等清洁能源就像自由出行的游客,何时出行、多少人出行均具有随机性。风光能源不稳定、功率波动大,电网对变压器的电压调节能力有一定的要求较以往更高。分接开关是变压器执行电压调节功能的最核心装备,其设计一直是制约国产化的关键点。

  为了解决这一难题,科研团队提出了几十种技术方案,推导了上百页分析算稿,经过反复研究论证仿真,最终实现了分接开关动作次数减少90%,明显提高了设备常规使用的寿命,保障了工程的顺利投运和安全运行。

  2020年12月,青海—河南±800千伏特高压直流输电工程正式投运,成为全世界首个新能源远距离输送大通道,每年可向华中地区输送400亿千瓦时清洁电能,将河南全社会用电量的1/8转化为绿电。

  2020年,我国向国际社会做出“碳达峰”与“碳中和”承诺。为促进能源调整和节能减排,今年8月,白鹤滩—浙江±800千伏特高压直流输电线路工程安徽段开工建设,为大规模电力外送消纳提供支撑。未来,特高压将不仅是新的输电技术,更是新的资源配置平台、新的低碳发展道路,肩负能源转型、清洁低碳和绿色发展的重任。

  从“拉闸限电”到灯火通明,特高压输电进入千家万户,煤油灯也只是存在于遥远的记忆中。如今,中国人民不仅能用上电,还能用好电。

  2018年2月,青藏高原深处的玉麦乡连通西藏电网主网。因地处边陲,在很长一段时间里,玉麦乡用电仅靠1座125千瓦的小水电站支撑。为实现户户通电,用上稳定电,国家电网投入635万元架设了一条15千米的10千伏线路。接入大电网后,玉麦乡乡民用上了各种现代化电器。

  不仅是在日常生活中,每当危急关头,中国电力总是能挺身而出、支撑起无数的生命之光。

  2020年初,新型冠状病毒肺炎疫情暴发。为避免交叉感染、缓解医护压力,雷神山、火神山医院上装上了“千里眼”,供电员工可利用智能电力用户个人信息采集系统,坐在办公的地方里远程监测电力设备正常运行情况,运用智慧化手段保障供电安全,为抗疫提供强有力的支撑。

  同年春天,全国各地开启复工复产,陕北—湖北±800千伏特高压直流输电线路工程(湖北段)也正式开工,直接带动设备生产规模约120亿元,增加就业岗位超过4万个,带动电源等相关产业投资超过700亿元,助力经济复苏。

  此外,企业复工电力指数也被推广和应用,为助力疫情后经济复苏。当时,浙江省杭州市余杭区的37家医药重点企业中,有4家因原材料断供等原因复产率不到50%。上下游企业的复工电力数据迅速精确锁定产业链“断点”,有关负责人得以迅速反应、上门对接,帮企业解决困难。

  7月20日下午,狂风骤雨袭击郑州,极端天气给电网安全稳定运行带来严峻考验。当晚,郑州大学第三附属医院由于积水严重突然断电。对于医院来说,断电是致命的伤害。当地电力部门紧急启动Ⅰ级防汛应急响应,全力开展应急抢修、保电等工作,抢修队的队员们冒雨敷设电缆。经过5个小时的奋战,次日凌晨5点,医院手术室和ICU病房的灯终于亮了。

  与此同时,电力部门还密切跟踪天气变化,细化预警信息报送,严格24小时应急值班值守,持续开展设备特巡消缺,对低洼地区变电站,配电房等区域防汛隐患开展排查,备齐备足防汛物资,确保平安度过汛期。

  随着电力事业的发展,人民慢慢的变多地享受到电带来的好处,家家户户都感受到了电的温暖,成为“人民电业为人民”的真实写照。

  2014年2月,中国国家电网与巴西国家电力公司联合中标美丽山一期项目;2017年和2019年,美丽山水电特高压直流送出一期和二期项目先后建成投运。这是巴西最长、输电量最大的一条电力干线万人口的用电需求。

  除巴西外,我国还先后与哈萨克斯坦、俄罗斯、蒙古国、巴基斯坦等国开展相互连通特高压技术合作项目,实现中国特高压输电技术、标准、装备、工程总承包、全产业链输出,创造了350多亿美元的经济效益。

  将来,中国电网技术也将继续为全球电力工业发展提供宝贵经验,做出更大贡献。

  2.周孝信、陈树勇、鲁宗相,《电网和电网技术发展的回顾与展望——试论三代电网》,《中国电机工程学报》2013年第22期;

  3.韩先才、孙昕、陈海波、邱宁、吕铎、王宁华、王晓宁、张甲雷,《中国特高压交流输电工程技术发展综述》,《中国电机工程学报》2020年第14期;

  4.李文华,《重磅独家揭秘中国特高压前世今生》,中国能源报,2021年3月30日;

  5.赵忆宁,《特高压曲折之路:解决四大技术难题》,21世纪经济报道,2014年5月15日;

  6.李维康、李文鹏,《高压直流电缆国产化取得关键突破》,中国电力网,2021年2月2日;

  7.宋明霞,《特高压确立中国标准体系 拥有完全自主知识产权》,《中国经济周刊》2016年第21期;

  8.《疫情防控,电力“黑科技”大显身手》,经济日报,2020年2月18日;

  9.王信茂,《新中国70年电力工业跨越发展的回顾》,中国电力网,2019年9月23日;

  10.尚前名,《为什么中国在特高压领域能后来居上》,《瞭望》2020年第49期;

  本文为瞭望智库个人独创的文章,如需转载请在文前标注明确来源瞭望智库(zhczyj)及作者信息,否则将严格追究法律责任。

  原标题:《中国如何被点亮?曾经草皮、钉子、水龙头都要全套进口,甚至拿着钱也没地方买技术……》



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