從拉閘限電到世界標(biāo)準(zhǔn)，這項(xiàng)技術(shù)打通電力“高速鐵路”
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)>>
撰文/記者 趙天宇 編輯/劉昭
審核專(zhuān)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(zhuān)利數(shù)超2萬(wàn)件，排名世界第三；僅儲(chǔ)能電池方面的專(zhuān)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)。
▲安徽池州，航拍特高壓線路九華密集通道（圖片來(lái)源/視覺(jué)中國(guó)）
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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(chēng)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(jiàn)聞）
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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(kāi)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，美國(guó)、蘇聯(lián)、日本、意大利等國(guó)都開(kāi)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(kāi)始，相關(guān)部門(mén)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。
▲2022年6月26日，重慶，在白鶴灘-浙江±800kV特高壓直流輸電工程重慶黔江分段施工現(xiàn)場(chǎng)，工人在100多米的高處開(kāi)展高空作業(yè)（圖片來(lái)源/視覺(jué)中國(guó)）
這些科技創(chuàng)新成果，離不開(kāi)國(guó)家有關(guān)部門(mén)的重視，更離不開(kāi)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(zhuān)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(zhuān)家和團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，研制了13大類(lèi)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(zhuān)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(kāi)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）》中，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)、第五屆國(guó)際電氣與能源大會(huì)、世界電動(dòng)車(chē)大會(huì)中國(guó)分會(huì)場(chǎng)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。
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“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(mén)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(zhuān)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(kāi)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(kāi)始走出國(guó)門(mén)，走向世界。
（圖片來(lái)源/視覺(jué)中國(guó)）
在“雙碳”大背景下，如今電力系統(tǒng)正面臨著一場(chǎng)深刻的革命，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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