1880年12月,美国纽约提供了真正意义上的公用照明电力服务,由BrushElectricCompanys建设的输电线路,供电距离在曼哈顿的几条街道之间,只有3.2公里;1889年,俄勒冈波特兰通用电气创造了14公里的输电距离,额定输送功率4千瓦,创造当时世界范围电力传输的“高压”奇迹。
125年后的今天,在中国,河南已经通过一条800千伏特高压直流输电通道与新疆相连,每年从新疆可以接受370亿千瓦时的电量,其线路总长2192公里,途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、河南六省(区)。自2009年以来,国家电网已经先后建成投运2条交流与3条直流特高压输电工程。
电力科学家们怎样从输电距离3.2公里纵深到2000公里以上?或者未来的5000公里?技术秘诀是提升输电电压。为此,科学家们为提高既看不见也摸不着的输电电压等级不懈努力:电网建设历史记录,百年来输送电压从10千伏、35千伏、110千伏、220千伏、330千伏、500千伏、750千伏,直到1000千伏。
但是,每一次提高电压都面临电力传输技术的障碍。交流输电电压一般分为高压、超高压和特高压,国际上高压通常指35-220千伏的电压;超高压通常指330千伏及以上、1000千伏以下的电压;特高压指1000千伏及以上的电压。每提高一个输电压等级,都面临技术极限的突破与挑战。
难题之一:提高电压与抑制电压
陈维江是特高压输电研究领域的专家,是国家电网公司交流建设部副主任,同时也是中国武汉特高压交流试验基地的主要建设者,在特高压输电重大关键技术的研究中发挥了重要作用。当记者在国家电网办公大楼的一间会议室问及特高压技术突破的最大难点是什么时,他回答:“首要攻克的是解决电压控制难题”。
特高压,顾名思义就是传输高等级的电压,科学家们千方百计提高电压传输等级,为何首要考虑的却是如何控制电压?“电压控制”是输电技术领域的重要概念,是指电源电压超过其额定值时的电压控制,包括三种方面:第一是运行电压控制,第二是内部过电压控制(包括暂时过电压、操作过电压以及特快速瞬态过电压),第三是雷击过电压控制(外部过电压)。
当电网正常运行时,线路50赫兹正弦波的电压是运行电压,比如1000千伏特高压线路,正常运行的线电压是1000千伏,500千伏超高压线路,运行电压就是500千伏,运行电压也被称为稳态电压;而过电压则是一种瞬态电压,只在某个瞬间突然出现,而不像正弦波那样反复不变。过电压要比运行电压高很多,如果以音响设备比喻,播放正常音量时可视为运行电压,而当插拔信号线瞬间发出的砰砰巨响可以视为过电压。电网里日常的线路、变压器、并联电抗器的投切、分合闸,乃至线路故障等都会引起线路的过电压,统称为内部过电压。而线路、杆塔、地线避雷线遭到自然雷击引起的过电压称为雷击过电压。
从超高压500千伏到特高压1000千伏,电压等级翻了一番,控制电压的允许值是简单的倍数关系吗?陈维江说“不是的”。他介绍:实际上,特高压允许运行电压升高的过电压裕量反而变小了。以运营电压做基础是1倍,在110千伏、220千伏时过载电压有3倍的裕度,当电压为500千伏时是2.0倍,750千伏是1.8倍,到1000千伏特高压时只有1.6倍的裕度。裕度,是指留有一定余地的程度。
“需求是要提高电压的传输等级,因为特高电压输送的能量大、距离长;但是从技术的要求上看,越是高电压等级,操作过电压允许的倍数越小,意味电压控制更加困难,”陈维江说。
使用什么手段抑制特高压内部过电压与雷击过电压呢?从2004年开始,中国电力科学研究院先后有几十位科研人员做1000千伏特高压交流输电系统过电压的研究,研究课题包括标准电压选择、过电压与绝缘配合、防雷防护、同塔双回路系统断路器瞬态、稳态过电压与电磁暂态优化等十多项研究。这些工程急需的科技成果,特别是相关参数经过仿真计算以及试验验证后,有力支撑了特高压设备研发与选型。
以抑制暂时过电压为例,最主要的设备就是电抗器,它也是特高压最重要的设备之一,因为线路在故障或无故障情况下甩负荷而引起电压突然升高,其幅值是按秒计算的,只能通过大容量的特高压电抗器有效限制工频过电压的幅值。在西安,中国西电集团公司副总经理、总工程师宓传龙的办公室,他向记者介绍了研制生产电抗器的过程,宓传龙获得2012年度国家科学技术进步特等奖,排名第三。
制造电抗器是西电的强项。宓传龙毫不掩饰西电的技术优势,上个世纪他们曾为三峡工程研制了±500千伏直流输电换流变压器和平波电抗器,结束了中国该类电工大型装备依赖进口的局面。2008年,西电承接为中国首条特高压交流试验示范工程研制1000千伏级320Mvar、240Mvar(兆乏,是无功补偿装置的补偿容量单位)特高压并联电抗器。
“电抗器也叫电感器,主要起保证线路输送的最大功率,限制电网电压突变和操作过电压引起的电流冲击的作用。因为电抗器的额定电压是1100千伏,与变压器额定电压1000千伏比较,特高压电抗器的绝缘水平比特高压变压器高出5%左右”,他介绍说。
西电研制国内首台特高压电抗器的过程非常顺利:首先制定了设计主要方案和确定相关参数,之后是制定电气方案、结构方案。在制定方案的过程中,如何验证参数?比如重绝缘参数?他们按比例制作了小模型,通过波峰测量实验模拟产品冲击波,测量每个线圈的重绝缘电场是怎样分布的。之后整理数据和计算值进行比较,看其相似度是多少?哪个地方电压差异比较多。之后再做实验,再验证。当反复比较后没
有出现太大的梯度(陡度)时,基本证明设计没有问题了。“这个过程大概多长时间?”宓传龙回答:“主要是做模型的时间,真正做实验半个月就完成了”。
2008年6月30日,一列D26B落下孔自承式载重火车,载着单台重量近百吨的庞然大物,经过31个小时的行程,最终驶向国家电网特高压1000千伏南阳开关站。这是中国西电集团为中国首个特高压工程—晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程运送的特高压大件设备——特高压电抗器。之后,重达200吨的西变1000千伏320Mvar特高压电抗器又运抵晋东南变电站……
难题之二:污秽环境下外绝缘子的配置
环境的恶化,对那个行业影响最大?如果说是电网并不夸张。我国大气污染的日益严重,工业生产排出的含盐废气,包括钠、钾、钙等,实时对输电线路绝缘进行攻击。
如果注意观察,在高压输电塔上悬挂一串串多盘伞状的绝缘子,它的下端就拴着高压线。日积月累飘落在绝缘子上的污秽灰尘,当遇到水分,包括雾、积雪融化和毛毛雨时,灰尘溶解瞬间变成了导电体,在电力场作用下出现强烈的放电现象,此时电网容易出现短路事故。绝缘子短路导致电网断电的重要原因,不是绝缘子本身被“击穿”,而是高压电沿着绝缘子表面的空气被“击穿”,电学称为“闪络”,俗称“污闪”。上世纪90年代北京办亚运会前,华北500千伏电网就曾发生过大面积污闪事故。
为了确保线路的安全运行,以往国际上通常采用停电清扫、不停电清扫和带电水冲洗方法。以200千伏以上高压输电线路为例,据美国能源信息署(EIA)统计,2012年美国200千伏以上高压输电线路只有30.7万公里,而中国达到51.4万公里,是美国的1.68倍。假设以高压输电两塔之间档距50米估算,约有1000万个输电塔需要人工经常清扫。上世纪80年代伴随空气污染的加重,电力科学家寻找到一种叫硅油的憎水性涂料,把它涂到陶瓷绝缘子表面,以增加绝缘子的憎水性。
随着各国的输电网向特高压、大容量、远距离输送方向的发展,传统绝缘子面临着巨大的挑战,使用复合材料绝缘子,不仅抗污闪性能好,也可减小塔头尺寸,同时减轻线路运行维护的工作量和停电次数,为电网带来巨大的经济效益。
在湖北武汉特高压交流试验基地户外试验场,记者看到地上摆放包括陶瓷、玻璃与复合材料三种不同材质的绝缘子。陈维江对记者说:“在低电压等级的时候,陶瓷、玻璃、复合材料的都可以用,我们叫‘三分天下’,但是到了特高压不能再大量使用瓷绝缘子,一方面由于输电线路经过的绝大部分地区面临难以解决污秽的问题,另一方面沿用瓷绝缘子增加片数会增加塔的承重”。
使用复合绝缘子在超高压、特高压输电线路上的运行,国外积累一些经验,比如加拿大、美国、前苏联均在高电压等级电线路部分采用了复合绝缘子。中国建设特高压电网,工程技术人员也瞄准了具有高抗张强度和高抗冲击性且重量轻的硅胶复合绝缘材料。但是,在特高压电网使用复合材料绝缘子,最大的约束条件是环境污染对绝缘子的影响,这是上述国家没有遇到的,也是中国的国情。
武汉特高压交流试验基地邬雄主任向记者介绍,根据实际取样调查,中国不同地区的污染程度分为四个等级,一级相对比较干净,级别越高、污染程度越高。我国第一条晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程,全线环境评估为二级起步,最严重的区域达四级-重度污染,该线起始于山西境内的长治变电站。
“我们的环境条件与日本和俄罗斯有很大的差别,他们的参数不能套用”,邬雄说。我国1000千伏交流输变电工程,绝缘子在整个工程造价中约占7%,在设计和设备选型阶段,绝缘子污秽外绝缘配置问题是输电线路设计的重大问题之一。
时间回到2008年,在武汉特高压试验基地巨大的环境气候实验室,工程技术人员按照室外真实型环境布置,按比例配成污秽物并刷在绝缘子上,经过干燥后的绝缘子串被高高挂起。之后,大小不同颗粒的冷雾、热雾轮番吹拂绝缘子表面,对其进行雨、雾、污秽特性试验,获得了包括绝缘子串长与人工污秽耐受电压的关系、不同串型下的污耐压特性以及附灰密度、上下表面不均匀积污对耐压影响等重要的实验数据。或者说,是获得了在确保线路安全运行同时,实现线路绝缘子的不清扫或者少清扫的重要参数。
武汉特高压交流试验基地是目前世界领先的实验室,具备包括1000米单回特高压试验线段、1000米同塔双回特高压试验线段、电磁环境实验室、环境气候实验室等试验装置的特高压交流试验手段。截至目前,实验基地共进行了31万多组试验,取得有效数据约7万组,完成特高压研究专项课题5项,为特高压交流试验示范工程的建设和运行提供了急需的科学数据。
目前,我国新建输电线路中,复合绝缘子的使用比例达到了43.7%,在特高压线路中,这一比例高达2/3。复合绝缘子为我国大电网的建设和运行提供了可靠保障,技术处于世界领先水平。
难题之三:控制电磁环境与控制电场
设想一下,如果一条上千公里的特高压输电线全线出处发生频闪的蓝色晕光,并伴随发出“嘶嘶”的声音,会是个什么情形?
蓝色晕光被称为电晕,英文词是Corona,与日冕共用,与日冕产生高温和辐射同理,发生电晕会出现放电现象,它产生的高频脉冲电流以及多高次谐波,将对无线电通讯造成干扰。输电线路所经之地,无线信号接收质量下降,尤其在雨、雪、雾天状况下会引起电晕损耗,造成电能的极大浪费。所以,控制导线导体表面的电场,抑制产生电晕,成为建设高电压等级输电网的第三个难题。
前苏联是世界上最早开展特高压输电技术研究的国家之一,也是迄今为止世界上唯一有特高压输电工程运行经验的国家。1985年8月,世界上第一条1150千伏线路埃基巴斯图兹——科克契塔夫——库斯坦奈在额定工作电压下带负荷运行,但是,放电声和电晕光环一直困扰着科学家。前苏联特高压输电线路自建设初始,可听噪声与电晕指标就稍高于规 定值,但由于线路大部分处于地广人稀地段,比如送端埃基巴斯图兹,加之后来降压到500千伏运行,实际上特高压的电磁环境控制,是个尚未被攻克的难题。
中国与前苏联经济资源地理分布状态不同,中国特高压线路的输送终端是沿海工业发达与人口绸密地区,如果不能有效限制在高电压与大电流作用下产生的强电磁环境,不仅仅是高频脉冲电流对无线信号的干扰,所产生的臭氧和氮氧化物将严重污染环境,最大的问题是工频磁场对人体、动物乃至植物的损害。在高压输电线路上如何限制电晕引起的能量损耗和电磁波对无线电的干扰,成为中国建设特高压输电网技术创新的另一个战场。
国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)与电气和电子工程师协会(IEEE)规定了工频电场和磁场的限制值:工频电场强度的限制值,线下最大电场强度为10-15千伏/米,公众活动区或邻近民房电场强度小于5千伏/米;工频磁场不得超过100微特斯拉(工频磁场磁感应强度单位)。当中国建设特高压试验工程的时候,上述两个指标仍是空白,此前,只有对500千伏以下输电网的限制值标准。在中国特高压电网参数指标设计阶段,中国选择了国际的通行限制值标准。
陈维江对记者介绍说:“高压架空线路在其周边产生的工频电场强度主要取决于线路电压等级的高低,随电压等级的提高,周边电场强度呈递增现象,在特高压输电线路的设计阶段,怎样有效的控制电磁环境,抑制电晕现象,导线结构、对地高度和金具优化设计是十分重要的”。
科学家们花了两年的时间,通过大量的仿真计算得出结论:在其他参数不变的情况下,随导线截面的增大,输电线路的表面场强减小,电晕损失也相应减少,无线干扰与噪音污染也大大降低。科学家们通过分析1000千伏交流输电线路不同分裂形式和不同子导线直径的导线表面电位梯度、导线起晕电压、导线电晕损耗、无线电干扰和可听噪声,比较了各种导线方案的优劣,最终结合工程提出了满足电气性能和机械特性要求、适合于我国特高压输电的导线截面及分裂形式,900平方毫米大截面钢芯铝绞线和扩径线最终研制成功。
如果细心观察特高压输电塔上的导线,这种超大截面的导线被固定在有8个孔径的间隔棒中,高等级电压正是通过八分裂的导线传输电流。到2020年,我国规划将建设2万多公里特高压线路,为今后特高压输电线路更大输送容量考虑,国家电网正在进行更大截面1000、1050、1120平方毫米的架空导线选型方案的研究。新型导线产品的研制已经成为特高压输电工程建设中迫切需要解决的问题。
难题之四:特高压设备的研制
在武汉,记者参观了两个变电站:其一是建于1982年的凤凰山变电站,这是我国第一座500千伏变电站;其二是荆门变电站,它是我国首个1000千伏特高压交流试验示范工程三个变电站之一。仅就感官上体验,两个变电站输电等级相差一倍,但在特高压荆门变电站设备场地,只能听到微弱的电磁声,测量噪音分贝值是36分贝,而凤凰山变电站的场地噪音是60分贝。荆门特高压变电站所有的设备为中国制造,而凤凰山变电站主要设备都是从日本进口。
国际上对特高压输电线路可听噪音的限值是50-60分贝,日本对环境要求严格,限值为50分贝,美国、意大利等国可听噪音限值处于50-60分贝之间。
毫无疑问,变电站噪音来自变电站的各种设备,包括特高压变压器、并联电抗器、封闭开关以及特高压避雷器、电压互感器、高压绝缘子等等。为什么1000千伏变电站环境噪音低于500千伏变电站,唯一解释只有一个:中国电工制造技术已经达到世界领先水平。
宓传龙带领记者在西电集团生产车间观看电抗器的生产现场:电抗器内部是一个中间套有线圈,外围用钢片做成饼状围起来的柱子,一块块大理石把铁饼隔开,专业术语叫“器隙”。“由于铁芯是断开的,增加了磁路的磁阻,根据磁路定律,电感 如何解决漏磁与振动噪音呢?他们改变750千伏和500千伏电抗器的结构,把单柱变成两柱。与一个柱子比较,每个单柱容量小了,有效地控制了漏磁。为了控制噪音,特别研制了压缩弹簧,通过强有力的螺杆压紧铁芯。毕竟是50赫兹的交流电,铁芯之间压得再紧还是有噪音和振动,于是,他们采取了进一步的减震的措施,比如加减震垫、减震弹簧等等。宓传龙自豪地说:“电抗器结构上磁分路、磁屏蔽、电场屏蔽,以及两个柱子串联、绝缘以及噪音减震,都是我们的创新”。
2008年2月13日,西电研制成功我国自主设计、自主制造的首台1000千伏、240Mvar高压并联电抗器,一次性通过实验,局放量30PC(扣除背景噪音后为零局放);最大振动32微米。而俄罗斯32千伏安的电抗器,噪音超过80分贝,西电同等型号的电抗器噪音只有40分贝。应该说,中国生产的特高压电抗器达到了世界最高水平。
在西电巨大的实验室里,记者看到特高压最关键的设备变压器。当被告知这是一台1700千伏特高压电力变压器时,受到巨大震惊。人所共知,当下中国特高压输电网使用的只是1000千伏变压器!当没有喘过气来的时候,巨浪再一次涌来,西电已经研制成功另一台2000千伏的变压器!
宓总说:1700千伏和2000千伏的变压器是为电抗器实验而研制的。因为变压器可以通过其他工频变压器做实验,而电抗器的实验需要高电压以及大负荷,所以实验变压器的电压必须高于电抗器以及大容量,通过超高压变压器对电抗器进行电流补偿。我们要做好抗电器,首先是要做好实验变压器。
这个时间节点更令人吃惊:1700千伏实验变压器的首次试验是2007年春节的大年初二。做实验时气氛非常紧张,以致宓传龙不敢到现场,他担心:会不会放炮?试验电压升到1100千伏延续了2个小时,当试验电压在10秒钟内上升到1340千伏并稳定后开始计时,试验过程延续了一分钟。
宓传龙强调说,这两台实验变压器是按照工程要求制作的,一般来讲,实验变压器比工程变压器的要求更高。当记者问道,为什么还要做2000千伏变压器?他回答道:我们正在研制±1100千伏的特高压直流输电,未来的电压有可能升高到1500-1600千伏,依靠什么对设备进行实验呢?所以我们必须要先行一步。
此前,中国500千伏输电网设备需要进口大容量变压器、电抗器等,而现在中国企业已建成世界同行中产能最大、水平先进、主辅配相对完整的交直流输变电成套设备制造体系,这是输变电设备制造业近十年来巨变,特高压设备制造处于世界领先的地位。
相关数据显示,目前,国内企业已占据我国输变电设备市场主导地位,并进军国际市场,实现了高端产品出口零的突破。国内企业在高端产品市场(500千伏及以上)份额,已从2005~2008年的42%上升至2009~2010年的63%。2009年以来,在国际金融危机的不利影响下,特高压主设备制造企业出口不降反升,500千伏以上产品的出口总额达100亿元、年增长率超过50%。特高压建设不仅提升了我国高端装备制造产业-电工制造的水平,也提高了全国乃至全球市场的竞争力。
