科技大讲堂

横跨3000公里送电到华东,中国这个输电工程厉害了!

  去年9月底,在新中国成立70周年前夕,中国电力人为祖国华诞献上了两份特别的礼物——新疆准东送安徽皖南±1100千伏特高压输电工程、长江底穿越的苏通1000千伏特高压综合管廊工程双双投运,这两大特高压创新工程,一个上天、一个过江,进一步扩大了中国在特高压领域的国际领先优势。

  今天我们就来说说其中之一——新疆准东昌吉送安徽皖南古泉±1100千伏特高压直流输电线路工程。

  

  (准东-皖南±1100千伏特高压直流输电工程地理图)

  (一)±1100千伏工程只是送电更远这么简单?

  新疆准东昌吉送安徽皖南古泉±1100千伏特高压直流输电线路工程起于新疆昌吉换流站,止于安徽宣城古泉换流站,沿途经过新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、安徽共6个省级行政区,斜跨大半个中国,跋涉3324公里,输电容量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、技术水平最先进的输电线路。

  之前我们谈过,国外的很多特高压输电线路是中国一手打造的(如巴西美丽山±800千伏特高压直流输电工程),不吹不黑,特高压技术的最尖端成果还是在中国,要研究特高压技术的最新进展也得把目光聚焦在中国。

  为什么我们能够在特高压领域一骑绝尘呢?因为我们有其他任何国家和地区都无法比拟的先天优势,即一张规模宏大的电力输送网架,管理上“一以贯之”、地域上“四海八荒”的电力网络给了远距离、大功率输送蓬勃发展的广阔空间。

  同时,因为幅员辽阔、电网互联程度较高,中国的电网面临的运行风险也更高,这与国外或小区域电网或分散区域电网“松松垮垮”的情况是大不相同的,因此我们的特高压线路开始规划设计时就要考虑到线路架设运行、负荷承载能力、超负荷短时过载能力以及互联电网安全等诸多方面。

  这种优势与挑战并行的特殊情况培育形成了中国特高压发展壮大的“沃土”。

  

  (到2019年6月中国已建成“九交十直”、在建“三交一直”工程示意)

  大家可能不理解这有什么厉害的,不就是送电远了点吗?

  要知道,此前直流输电最高电压是±800千伏(这也是中国先投入使用的),国际上没有建设±1100千伏直流输电线路的先例。我们之前曾科普过,随电压的升高绝缘制造难度呈指数级递增,研发费用巨大,而且不一定能成功。

  此次国家电网组织国内外联合攻关,攻克了±1100千伏直流输电系统方案论证、超长空气间隙绝缘等世界级难题,使得直流电压等级从±800上升至±1100千伏,输送容量从640万千瓦上升至1200万千瓦,经济输电距离(即能保持较好盈利的输电距离)提升至3000-5000公里,每千公里输电损耗降至约1.5%,进一步提高了输电效率,降低了送电成本,节约了宝贵的土地资源。

  以后如果都是这种动辄三千公里的线路送电,就可以在西部等能源丰富、人烟稀少的地方建电厂,直接送到东部来,东部地区的大部分发电厂可以退役,没有高耸的大烟囱和发电机组的轰鸣声,只有稳定充沛的电力,优美宜人的环境。

  

  (准东-皖南±1100千伏特高压直流输电工程实景)

  拥有技术和成果的确很厉害,但真正能在一个行业里做到“长青不倒”则必须要有掌握国际标准的话语权。换言之,国际标准制定水平是衡量一个国家行业核心竞争力的关键。通过制定标准抢占技术制高点,已成为世界各国参与全球竞争、提高核心竞争力的重要途径。

  华为与高通争夺5G行业标准就是为了占领今后5G国际市场的制高点,掌握话语权。目前中国的特高压交流输电标准电压已被推荐为国际标准电压,国际大电网委员会与电气和电子工程师学会先后成立了由中国主导的9个特高压输电工作组,国际电工委员会(IEC)成立了特高压交流输电系统技术委员会(TC122)。

  中国已经是这一领域当之无愧的行业领导者,这是祖国的荣誉,更是全体电力从业者的荣誉。

  (二)准东-皖南±1100千伏输电工程厉害在哪儿?

  准东-皖南±1100千伏线路实施过程中,实现了建模、设计、制造、维护等多方面的突破,重塑了业界标杆。

  一是突破了特高压直流成套设计、特高压换流阀阀塔内暂态电压分布数学模型建模仿真、高端换流变压器绝缘等关键技术,实现了“直流电压、交流电压和输送容量”的全面提升。

  之前我们曾经科普过,特高压直流技术研究有两大难点,一是换流阀,二是绝缘。特高压换流阀由数千个晶闸管、电阻电容组成,其在换流过程中会产生不规则谐波,对输出电压造成不利影响,对这一影响的研究需要借助数学建模与数值计算进行精确勾勒,涉及的理论艰深复杂,目前成功完成仿真计算的寥寥无几。

  而对特高压直流绝缘的研究主要集中换流变压器上,换流变压器在运行中既要承受交流电应力作用,又要承受较大分量的直流电应力作用,因此变压器绝缘尤其是阀侧绝缘需要有足够的耐受裕度。

  据了解,换流变压器在运行中的绝缘事故在全部事故中所占比例高达50%,因此绝缘水平的仿真测算十分重要,但是如此高电压等级的换流变压器测试数据极少,因此从建模到计算要求理论上精度极高,以此保证实际运行满足要求。

  

  (左图为特高压换流变压器,右图为换流阀)

  二是突破了特高压直流换流阀、换流变压器、隔离开关、避雷器、直流系统用复合绝缘子等特高压直流输电领域关键装备。

  中国在换流阀制造领域也是真正实现了“弯道超车”,西方早在1954年就建成了世界第一个使用换流阀的工业性直流工程,而中国从1985年才正式开始研究直流输电,至2010年才研制完成A5000型±800kV/4750A特高压直流换流阀,打破了西方长期的技术垄断,此后一路高歌猛进,换流变压器、通断线路的开关、防止雷击的避雷器、增加绝缘的绝缘子等难关也一一被攻克。

  

  (±800千伏特高压的巨大绝缘子串)

  三是采用先进的高电压、大电流、低损耗换流技术和新一代智能电网技术,破解了远距离大功率高电压直流输电、跨大区电网互联等世界级技术难题。

  所谓智能电网技术,是指集成应用新能源、新材料、新设备和先进传感技术、信息通信技术和自动控制技术,形成具有高度信息化、自动化、互动化特征的新型现代化电网,解决的关键问题在于大范围电网的互联,应用数学中网络理论与电力市场博弈理论结合,用计算机手段计算并预测未来电力流动,最终可以实现能源的合理配置。

  

  (智能电网与智慧城市)

  (三)特高压输电,对中国能源优化配置意义深远

  新疆能源资源丰富,具备大规模开发煤电、风电的条件。

  准东地区煤炭资源品质优良、开发条件好,适宜就地发电,已探明煤炭储量高达2136亿吨。同时,新疆也是国家规划建设的9个大型风电基地之一,风电可开发量超过2亿千瓦,潜力巨大。

  搭上特高压输电快车道,可以实施大规模“疆电外送”,促进新疆能源基地集约化开发,将新疆的资源优势转化为经济优势。

  

  (新疆煤炭分布图,其中中间红色位置附近即为准东煤田)

  

  (新疆风力可开发资源巨大)

  准东-皖南±1100千伏特高压直流输电线路每8小时20分就可以送出1亿度电,这些电能可以驱动上千列高铁从北京开到广州,可以为200万辆电动汽车充满电。该线路启动后,每年可送电660亿度电,可同时点亮4亿盏30瓦的电灯,满足5000万家庭的用电需求,约减少燃煤运输3024万吨,对促进新疆能源基地开发和全国范围的能源优化配置具有重大意义。

  同时,东部地区电力供需矛盾紧张、土地资源紧缺、环境压力巨大,已不具备进一步扩大火电装机的条件,急需大量外入电力。

  此外,特高压电网投资大,中长期经济效益显著,具有产业链长、带动力强等特点,可有力带动电源、电工装备、用能设备等上下游产业,对稳经济、调结构、惠民生也有十分重要的拉动作用。

  据了解,准东-皖南±1100千伏特高压直流工程投资达407亿元,增加输变电装备制造业产值285亿元,直接带动电源等相关产业投资约1018亿元,可增加就业岗位2.8万个。

  结语

  新疆准东昌吉送安徽皖南古泉±1100千伏特高压直流输电采用先进的高电压、大电流、低损耗换流技术和装备制造技术,成功实现电压和容量的双提升,首次具备在3000~5000公里的范围内输送千万千瓦级电力的能力,是中国电力领域取得的划时代创新成果,开国际特高压远距离输电领域的先河。

  一个±1100千伏直流工程的输电能力即可满足中国一个中等发达省份一半左右的用电需求,经济输电距离可满足跨国送电和洲际送电的需要,未来建立全球联网的电力系统不再是梦。

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