“未來的電網(wǎng)將更加可靠、對環(huán)境更加友好，更加有效、更加靈活和更加經(jīng)濟(jì)。”在第三屆中國電力發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新院士論壇上，中國工程院院士鄭健超向人們描述了未來電網(wǎng)的形態(tài)。他說，未來電網(wǎng)應(yīng)該更加可靠，能夠抵御各種自然災(zāi)害，防止人因失誤的能力更強(qiáng);它對環(huán)境更加友好，線路、變電站變得更緊湊，以大幅度降低占地需求，把電磁環(huán)境影響降低到公眾可接受的程度;它將更加有效，即電力傳輸和轉(zhuǎn)換效率、電網(wǎng)資源利用效率都將進(jìn)一步提升;它將更加靈活，可讓更多的可再生能源發(fā)電電源接入電網(wǎng)，可適應(yīng)各種運(yùn)行方式和用戶多樣化的需求;它將更加經(jīng)濟(jì)，造價(jià)低、經(jīng)濟(jì)上有競爭力。

新型設(shè)備研發(fā)的方向取決于電網(wǎng)發(fā)展的趨勢和需求。鄭健超認(rèn)為，隨著特高壓和智能電網(wǎng)加速建設(shè)，新一代電網(wǎng)的發(fā)展對電網(wǎng)設(shè)備的創(chuàng)新提出了重大需求，而新材料、新技術(shù)、新工藝、新器件的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)輸配電設(shè)備的變革提供了技術(shù)機(jī)遇。

新一代電網(wǎng)設(shè)備與傳統(tǒng)設(shè)備相比，技術(shù)性能有顯著提升。“其工程應(yīng)用將對電網(wǎng)的未來產(chǎn)生革命性的影響。”鄭健超的介紹引起了人們極大的興趣。

可以裝進(jìn)手提箱的變壓器

變壓器，是人們較為熟悉、能經(jīng)常接觸到的電網(wǎng)設(shè)備。目前，傳統(tǒng)變壓器靠機(jī)械的分級開關(guān)調(diào)壓，不能連續(xù)快速調(diào)節(jié)電壓，無法滿足智能變電站的要求。由于結(jié)構(gòu)和尺寸限制，傳統(tǒng)變壓器也無法安裝在封閉電器之內(nèi)。

鄭健超向大家展示了近年來的研究熱點(diǎn)——固態(tài)變壓器，又稱智能萬用變壓器。它傳輸?shù)墓β拭芏缺葌鹘y(tǒng)變壓器大2個數(shù)量級，重量和尺寸卻相應(yīng)降低了2個數(shù)量級。鄭院士對此作了一個形象的比喻，即可以實(shí)現(xiàn)“把笨重的傳統(tǒng)配電變壓器變成小巧的固態(tài)變壓器裝進(jìn)手提箱”的目標(biāo)。這為建設(shè)高度緊湊化、全封閉、電磁環(huán)境影響小的智能變電站創(chuàng)造了條件。

除變壓功能外，固態(tài)變壓器還具有連續(xù)快速調(diào)壓、變頻、動態(tài)無功補(bǔ)償、電能質(zhì)量控制等功能，把原來多種設(shè)備的功能融合為一體。“這是未來智能電網(wǎng)最基礎(chǔ)的設(shè)備。現(xiàn)在，大家對用交流還是直流有爭議，如果以后采用了這樣的設(shè)備，則由控制系統(tǒng)說了算，既可同步又可異步，這個問題就迎刃而解了。”鄭院士指出，固態(tài)變壓器將首先在配電網(wǎng)應(yīng)用，包括高層樓宇供電、電力機(jī)車供電、電動車快速充電、風(fēng)電光伏發(fā)電等間歇式電源直接接入最終用戶等。這種設(shè)備以后還有可能進(jìn)入輸電網(wǎng)使用，將對同步/異步聯(lián)網(wǎng)、系統(tǒng)穩(wěn)定控制、大型風(fēng)電站接入、動態(tài)無功控制產(chǎn)生重要影響。

未來輸電線路導(dǎo)體新選擇

從地球到月球架設(shè)一條“天梯”?這是鄭健超在演講中舉的一個例子。未來輸配電線路的研究目標(biāo)之一，是采用超導(dǎo)材料或其他高電導(dǎo)率材料，降低輸配電線路的能源損耗。碳納米管導(dǎo)線就是其中一種材料。

碳納米管導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度比超高強(qiáng)度的鋼材還高2個數(shù)量級，由碳納米管組成的碳纖維理論強(qiáng)度為鋼的100倍。直徑1毫米的碳纖維足以承受20多噸的總重量。鄭健超說，如果想從地球到月球架設(shè)一條“天梯”，即使用強(qiáng)度最高的鋼材，其自重也會把導(dǎo)線拉斷，而碳納米管導(dǎo)線則可以勝任。此外，碳納米管電導(dǎo)率可以做得比銅的電導(dǎo)率更高，而重量只是電阻相同的銅導(dǎo)線的1/6。因此，碳納米管導(dǎo)線是未來輸電線路導(dǎo)體的一種極好選擇。在先進(jìn)電池、儲能設(shè)備的電極材料和各種電力、電子器件的接觸材料等方面會有重大應(yīng)用前景。

電網(wǎng)建設(shè)推動科研創(chuàng)新與國產(chǎn)化進(jìn)程

鄭健超表示，傳統(tǒng)的電網(wǎng)設(shè)備，在工程應(yīng)用上已有百年歷史。而新材料、新技術(shù)、新器件的出現(xiàn)，為研發(fā)新一代電網(wǎng)設(shè)備創(chuàng)造了條件。電網(wǎng)建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展，也為科研創(chuàng)新提供了更優(yōu)良的土壤，加速了新一代電網(wǎng)設(shè)備的面世。

比如，非超導(dǎo)故障電流限制器，鄭健超介紹說，這種限制器在電網(wǎng)黑啟動時如遇短路故障仍有限流功能，故障發(fā)生后1.0毫秒即進(jìn)入限流狀態(tài)，動作迅速可靠。通過特高壓電網(wǎng)的建設(shè)實(shí)踐，他們現(xiàn)在已設(shè)計(jì)出一種適用于超高壓、特高壓電網(wǎng)的自啟動無源高速限流器，動作時間可壓縮至60微秒，可靠性和響應(yīng)時間均優(yōu)于現(xiàn)有的超導(dǎo)限流器。

“從220千伏到500千伏，再到現(xiàn)在的特高壓，有很多技術(shù)創(chuàng)新問題在電壓等級的跨越中得以解決。更重要的是加速了國產(chǎn)化的進(jìn)程。”鄭健超回憶起我國第一條500千伏葛洲壩—上海直流輸電線路，設(shè)備、技術(shù)全部從國外引進(jìn)。“如今，我們的交流特高壓工程核心設(shè)備都是中國制造了。去年錦屏—蘇南特高壓直流工程投運(yùn)，我們自主知識產(chǎn)權(quán)的換流閥研制成功而且應(yīng)用性能非常好。”鄭院士表示，國家電網(wǎng)公司花了很大的力氣促進(jìn)設(shè)備國產(chǎn)化，在建的幾項(xiàng)特高壓工程國產(chǎn)化程度更高，這對電網(wǎng)發(fā)展和科技創(chuàng)新來說都是大好事。