1880年12月,美國紐約提供了真正意義上的公用照明電力服務,由BrushElectricCompanys建設的輸電線路,供電距離在曼哈頓的幾條街道之間,只有3.2公里;1889年,俄勒岡波特蘭通用電氣創造了14公里的輸電距離,額定輸送功率4千瓦,創造當時世界范圍電力傳輸的“高壓”奇跡。

125年后的今天,在中國,河南已經通過一條800千伏特高壓直流輸電通道與新疆相連,每年從新疆可以接受370億千瓦時的電量,其線路總長2192公里,途經新疆、甘肅、寧夏、陜西、山西、河南六省(區)。自2009年以來,國家電網已經先后建成投運2條交流與3條直流特高壓輸電工程。

電力科學家們怎樣從輸電距離3.2公里縱深到2000公里以上?或者未來的5000公里?技術秘訣是提升輸電電壓。為此,科學家們為提高既看不見也摸不著的輸電電壓等級不懈努力:電網建設歷史記錄,百年來輸送電壓從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,每一次提高電壓都面臨電力傳輸技術的障礙。交流輸電電壓一般分為高壓、超高壓和特高壓,國際上高壓通常指35-220千伏的電壓;超高壓通常指330千伏及以上、1000千伏以下的電壓;特高壓指1000千伏及以上的電壓。每提高一個輸電壓等級,都面臨技術極限的突破與挑戰。

難題之一:提高電壓與抑制電壓

陳維江是特高壓輸電研究領域的專家,是國家電網公司交流建設部副主任,同時也是中國武漢特高壓交流試驗基地的主要建設者,在特高壓輸電重大關鍵技術的研究中發揮了重要作用。當記者在國家電網辦公大樓的一間會議室問及特高壓技術突破的最大難點是什么時,他回答:“首要攻克的是解決電壓控制難題”。

特高壓,顧名思義就是傳輸高等級的電壓,科學家們千方百計提高電壓傳輸等級,為何首要考慮的卻是如何控制電壓?“電壓控制”是輸電技術領域的重要概念,是指電源電壓超過其額定值時的電壓控制,包括三種方面:第一是運行電壓控制,第二是內部過電壓控制(包括暫時過電壓、操作過電壓以及特快速瞬態過電壓),第三是雷擊過電壓控制(外部過電壓)。

當電網正常運行時,線路50赫茲正弦波的電壓是運行電壓,比如1000千伏特高壓線路,正常運行的線電壓是1000千伏,500千伏超高壓線路,運行電壓就是500千伏,運行電壓也被稱為穩態電壓;而過電壓則是一種瞬態電壓,只在某個瞬間突然出現,而不像正弦波那樣反復不變。過電壓要比運行電壓高很多,如果以音響設備比喻,播放正常音量時可視為運行電壓,而當插拔信號線瞬間發出的砰砰巨響可以視為過電壓。電網里日常的線路、變壓器、并聯電抗器的投切、分合閘,乃至線路故障等都會引起線路的過電壓,統稱為內部過電壓。而線路、桿塔、地線避雷線遭到自然雷擊引起的過電壓稱為雷擊過電壓。

從超高壓500千伏到特高壓1000千伏,電壓等級翻了一番,控制電壓的允許值是簡單的倍數關系嗎?陳維江說“不是的”。他介紹:實際上,特高壓允許運行電壓升高的過電壓裕量反而變小了。以運營電壓做基礎是1倍,在110千伏、220千伏時過載電壓有3倍的裕度,當電壓為500千伏時是2.0倍,750千伏是1.8倍,到1000千伏特高壓時只有1.6倍的裕度。裕度,是指留有一定余地的程度。

“需求是要提高電壓的傳輸等級,因為特高電壓輸送的能量大、距離長;但是從技術的要求上看,越是高電壓等級,操作過電壓允許的倍數越小,意味電壓控制更加困難,”陳維江說。

使用什么手段抑制特高壓內部過電壓與雷擊過電壓呢?從2004年開始,中國電力科學研究院先后有幾十位科研人員做1000千伏特高壓交流輸電系統過電壓的研究,研究課題包括標準電壓選擇、過電壓與絕緣配合、防雷防護、同塔雙回路系統斷路器瞬態、穩態過電壓與電磁暫態優化等十多項研究。這些工程急需的科技成果,特別是相關參數經過仿真計算以及試驗驗證后,有力支撐了特高壓設備研發與選型。

以抑制暫時過電壓為例,最主要的設備就是電抗器,它也是特高壓最重要的設備之一,因為線路在故障或無故障情況下甩負荷而引起電壓突然升高,其幅值是按秒計算的,只能通過大容量的特高壓電抗器有效限制工頻過電壓的幅值。在西安,中國西電集團公司副總經理、總工程師宓傳龍的辦公室,他向記者介紹了研制生產電抗器的過程,宓傳龍獲得2012年度國家科學技術進步特等獎,排名第三。

制造電抗器是西電的強項。宓傳龍毫不掩飾西電的技術優勢,上個世紀他們曾為三峽工程研制了±500千伏直流輸電換流變壓器和平波電抗器,結束了中國該類電工大型裝備依賴進口的局面。2008年,西電承接為中國首條特高壓交流試驗示范工程研制1000千伏級320Mvar、240Mvar(兆乏,是無功補償裝置的補償容量單位)特高壓并聯電抗器。

“電抗器也叫電感器,主要起保證線路輸送的最大功率,限制電網電壓突變和操作過電壓引起的電流沖擊的作用。因為電抗器的額定電壓是1100千伏,與變壓器額定電壓1000千伏比較,特高壓電抗器的絕緣水平比特高壓變壓器高出5%左右”,他介紹說。

西電研制國內首臺特高壓電抗器的過程非常順利:首先制定了設計主要方案和確定相關參數,之后是制定電氣方案、結構方案。在制定方案的過程中,如何驗證參數?比如重絕緣參數?他們按比例制作了小模型,通過波峰測量實驗模擬產品沖擊波,測量每個線圈的重絕緣電場是怎樣分布的。之后整理數據和計算值進行比較,看其相似度是多少?哪個地方電壓差異比較多。之后再做實驗,再驗證。當反復比較后沒