向前走一步的中國特高壓技術

文／本刊記者王思童／

發展特高壓 設備是關鍵

有時，向前一步，是件很難的事。

曾經有個測驗：籠子里，一旦某只猴子抓住了鐵籠，測驗者即用高壓水槍向它噴水。不是噴向其中一只，而是全體“連坐”。反復多次后，老猴子們不愿再靠近鐵籠，甚至當新加入的猴子企圖靠近時，猴群里的其他猴子還會圍聚過來群毆它。與猴群實驗的結果類似，我們生存于既定的社會規則，并習慣于安全的行為方式，因為一旦逾矩便會付出代價，由此潛意識中形成了各種行為的邊界。習慣舒適，不逾邊界，便不敢向前一步。只是，一個真正有能力掌控自己乃至行業命運的人，一定是勇于突破常規之人。

發展特高壓技術，是國家站在能源和電力工業發展全局高度作出的重大戰略決策。依托特高壓創新實踐，國內電工裝備制造企業在世界上率先掌握了特高壓成套設備制造的核心技術，具備了批量生產能力，自主創新能力和制造水平顯著提升，全面實現了產業升級，在國內外市場競爭中取得了重大突破，特高壓設備已經成為我國電工裝備制造企業走向世界的閃亮名片。在11月21日的特高壓設備制造及應用高峰論壇上，我們看到了張猛、鐘俊濤、姚為正等人的身影，可以說他們是中國特高壓追隨者，同樣也是引領中國特高壓技術先走一步的杰出代表。“我們這一路走來，走得很辛苦，確實不容易。”西安西電開關電氣有限公司黨委書記、副總經理張猛更是將多年的艱辛化為一句感慨。

發展特高壓，設備是關鍵。特高壓輸電代表了國際高壓輸電技術研究、設備制造和工程應用的最高水平。2004年底國家電網公司提出發展特高壓輸電之時，世界上沒有商業化運行的特高壓工程，沒有成熟的特高壓設備和技術。既“不能買”，也“買不來”，中國研發特高壓設備，必須走自主創新的國產化路線。國家電網公司總經理助理孫昕指出，特高壓設備國產化研制面臨三大挑戰：技術難度大、可靠性要求高、研發基礎薄弱。特高壓設備大都達到了現有設計制造的極限，需要承受高強度、極不均勻的電、磁、熱、力聯合作用，但受制造、運輸等條件嚴格限制，尺寸、重量不能簡單線性放大，需要研發新技術、新結構和新材料，實現重大技術突破。特高壓輸電容量大、系統位置重要，必須具有與其重要性相適應的高可靠性。我國的特高壓工程是國家正式核準建設的需要商業化運行、具有示范效應的工程，需要在全電壓、大功率下長期安全運行，關系電網發展方式，進一步增加了國產化研制壓力。特高壓項目啟動之初，國內500kV設備及關鍵原材料、組部件仍主要依賴進口，技術、標準和設備均建立在引進、消化、吸收基礎上，基礎薄弱、受制于人。在我國工業和技術基礎上，自主開發世界上一個全新的、最高電壓等級輸電所需的全套設備并安全運行，極具挑戰和風險。為應對特高壓設備國產化研制的艱巨任務、在較短時間內取得全面突破，國家電網公司研究提出了依托工程、業主主導、專家咨詢、質量和技術全過程管控的產學研用聯合創新模式，集中國內電力、機械行業的優勢資源和力量，建立創新聯合體，立足國內、開放式創新，形成創新合力。

西電開關張猛談到：“我最近一直在想特高壓究竟帶給我們什么。是我們把設備完成了，滿足了工程的需要嗎？這一點當然對，但似乎不全面。我想了很久，感覺更重要的一點是，特高壓的建設和發展使電工制造業得到了重生和升華。”

制造業的重生與升華

“制造業的重生和升華”這一觀點高度概括特高壓技術為制造業帶來的價值。在特高壓交流試驗示范工程的建設過程中，國內100多家電工裝備企業參與了特高壓設備的研制和供貨，所有設備都在中國制造，沒有一臺整機從國外進口，設備國產率達到了90%以上。特高壓為實現裝備自主化發揮了巨大作用。

中國直流輸電的發展經歷了四個階段：一是核心設備進口階段。二是到了2005年左右，我國開始技術研發，從而進入中國企業牽頭承擔自主工程，但是采用國外的技術路線。這時，實際上是從國外進口設備和技術，然后進行國產化制造。這個過程盡管設備實現了國產化，但是技術路線是采用國外的，獨立的自主知識產權是受到限制的。三是進入特高壓時代后，采用了以我為主、聯合研制的方法。四是完全采用自主化，我國企業開始生產具有獨立知識產權的產品。許繼集團有限公司總經理助理、許繼集團柔性輸電系統公司總經理姚為正談到，“從常規的500千伏到800千伏到1000千伏，換流閥和控制保護的研究過程分為三部分，一是關鍵技術研究，二是產品研制，三是工程應用。電壓等級從500千伏上升到800千伏的時候，換流閥要承受更高電壓、更大電流所帶來的難題，所以這方面要突破。此外，由于沒有相關技術經驗可供借鑒參考，我國的研制和試驗都是從零開始的，因此研制過程十分不易。”姚為正繼續說到，“我從2005年參與到特高壓換流閥的研制中，可以說幾乎完整地經歷了直流輸電發展的四個階段。我的感受是：剛開始的時候是‘老外’干，我們看著他們干，我們是外行；后來，是‘老外’干，我們在旁邊看；在國產化的時段，是‘老外’帶著我們干；最后，是我們自己干。在我們成功研制最高電壓等級的產品和技術的過程中，我們有一段時間還帶著‘老外’干。我們可以非常自信和自豪地說，我們在這個領域占領了世界的制高點。”

依托特高壓工程，我國直流設備研制走過了一段輝煌之路。國家電網公司交流建設部王紹武博士認為，特高壓技術與產品的進步，表現為我國全面攻克特高壓設備核心技術難題，成功研制全系列特高壓交流設備等方面。“一個顯著的事實是，對比2009年建成的我國首條特高壓交流工程和2013年建成的第二條交流特高壓工程，我們可以清晰地發現，工程國產化率進一步提高，關鍵設備實現了批量化制造。”王紹武說。資料顯示，首條特高壓交流工程的設備國產化率在90%以上，而第二條全部55臺特高壓變壓器和高抗、33個間隔的特高壓開關及其他設備均為國產，且為大批量穩定制造。這顯示出“國產特高壓設備具有強大的市場競爭力和廣闊的應用前景”，王紹武評價說。

除了打破了國內直流輸電成套設備對國外企業的依賴，提升了自主化直流設備的市場競爭力，為直流產品走出國門奠定了基礎。由于采用國產化的零部件，項目的研發成功拉動了上游配套產品的技術發展，使大部分關鍵配套零部件產業達到國際領先產業水平，帶動了行業技術進步和發展。此外，國家電網還建設了世界一流的直流控制保護和換流閥試驗能力，為特高壓直流輸電技術的持續提升提供了試驗保障能力。例如，100萬千伏安特高壓變壓器研制上，我國研制成功兩柱并聯、三柱并聯兩種結構形式的1000MVA單體式特高壓變壓器并實現工程應用，創造了變壓器行業電壓等級、單體容量、單柱容量的世界紀錄，具備有載調壓能力，實現無局部放電設計，溫升、損耗、噪音等關鍵性能指標國際領先。又如，特高壓升壓變壓器研制方面，我國研制成功發電廠用400MVA單體式特高壓升壓變壓器樣機，可與百萬機組形成“一機一變”搭配。安徽平圩電廠三期工程將采用該技術，直接升壓至1000kV接入皖電東送特高壓工程。此外，在關鍵組部件、原材料上，國際市場高壓輸變電設備用高端原材料、組部件長期被國外少數專業廠或跨國公司壟斷，存在價格昂貴、供貨不穩定等突出問題，影響整機設備國產化、影響工程造價和工期。國家電網公司在全力推進特高壓主設備國產化研制過程中，同步組織了關鍵組部件、原材料的國產化，實現重要突破。

立足國內輸變電設備采購助力民族裝備制造業升級

特高壓工程讓國內設備企業掌握了一批具有自主知識產權的裝備制造核心技術，形成了全套特高壓輸變電設備的國內批量生產能力，實現了中國輸變電裝備制造業的技術升級。特高壓交流試驗示范工程的設備采購全部立足于國內，變壓器和高壓電抗器完全自主開發、設計和制造，使我國相關產品的制造能力處于世界領先水平；采用中外聯合設計、產權共享、合作生產、國內制造模式生產出的特高壓開關設備，代表當前最高技術水平。

特高壓工程建設為我國開關裝備制造業提供了巨大的發展機遇。西安西電開關電氣有限公司黨委書記、副總經理張猛指出，自2005年以來，特高壓工程建設對中國的開關制造業提供了巨大的發展機遇，使中國開關制造業在研發能力、制造能力、試驗能力、組織管理能力等方面得到顯著的發展。從設備生產和制造方面講，我國已成為世界主要的開關設備研制國家。一是研發能力得到長足進步。在研發特高壓的時候，我們掌握了三維的設計和分析方法。產品設計實現了全三維設計，實現了數字化精確設計和數字化制造。二是工藝技術與制造能力得到提升。一個開關設備要制造出來，離不開許多裝備，比如說機械加工、絕緣件生產，還有電鍍、焊接等。通過特高壓，我們實現了數字化、網絡化生產線，我們建立了在中國乃至世界上最先進的一流生產線。我們還能通過控制中心可以看到所有設備的加工能力，以及加工狀態和加工的效果。這些進步，在開展特高壓研發之前是不敢想象的。特高壓建設使我們理念得到更新，方法得到提高，信息得到增強。三是試驗檢測能力得到提高。西安高壓電器研究院全面掌握了特高壓開關設備的型式試驗技術，建成世界上能力完備的特高壓開關設備型式試驗檢測平臺。它配備了大容量的實驗室，有兩臺6500兆伏安發射器。同時，有一個全天候的絕緣實驗室，工頻電壓1800千伏，沖擊電壓4800千伏。參與特高壓工程建設也讓西安西電開關電氣有限公司認識到智能化開關設備測試平臺的巨大作用。特高壓的發展使我們對智能化、電子技術在開關上的運用起到了推動作用。總之，在特高壓工程的實施過程中，中國開關制造企業在研發能力、制造能力、試驗能力、組織管理能力、國際影響力等方面得到了極大的發展。

特高壓輸變電工程的建設對特高電壓變壓器、電抗器等相關設備的研制提出了更高的需求。特高壓變壓器具有電壓等級高、容量大、外限尺寸大、可靠性要求高等特點，其研制存在絕緣問題、漏磁及損耗問題、繞組抗短路能力問題、油流分布及繞組溫升問題等難點。特變電工沈陽變壓器集團有限公司副總經理鐘俊濤談到，根據我國電力資源分布與電力負荷的嚴重不均衡狀況以及大電網發展的客觀要求，將進一步加大跨區西電東送規模和跨區電網之間的交換容量。為了減少電能輸送的損耗，必須提高輸電線路的電壓，或用直流輸送。為此迫切需要研制特高電壓變壓器、電抗器以滿足輸變電工程建設的需要。另一方面，在特高壓電網建設以前，我國的區域電網的最高交流電壓為500kV級，西北地區為330kV級，已經無法滿足電網容量進一步增加和全國聯網的需要。因此也需要提高電壓等級。國際上自從20世紀60年代發展了750kV的輸電線路后，近幾年來，美國、前蘇聯、日本、法國等一些國家已先后研制出1000kV級的輸變電設備。從1986年起特高壓輸電研究先后被列入我國“七五”、“八五”和“十五”科技攻關計劃，1990～1995年，國務院重大辦組織“遠距離輸電方式和電壓等級論證”；1990～1999年，國家科委組織“特高壓輸電前期論證”和“采用交流百萬伏特高壓輸電的可行性”等專題研究。2004年以來，國家電網公司就特高壓輸電工程關鍵技術組織了全面系統研究。 因此，特變電工沈變公司在特高壓變壓器研制過程中，就是依據特高壓工程建設，著力解決上述問題。特變電工沈變公司2008年共生產四臺特高壓變壓器，通過了現場交接試驗并投入運行。實驗表明，各項技術指標均滿足技術協議和運行的要求，標志著在國家電網公司及相關專家支持和指導下，我國掌握了特高壓1000千伏交流變壓器的設計和制造技術。于特高壓變壓器的質量問題，還有一點需要注意。我們在以往特高壓變壓器的生產過程當中發現，包括國外進口的很多材料都含有金屬雜質、絕緣物雜質，只要有一點雜質混入特高壓變壓器中，就可能造成產品故障。因此，這對于企業的管理水平是一個很大的考驗。這需要變壓器生產廠家持續改進管理水平，持續提高設備制造能力。

通過特高壓項目的研發和設備制造，我國重大裝備制造能力和技術水平大幅提升，將有利于反哺500千伏和750千伏設備制造，穩固我國自主研發制造的主導地位。中國正從輸變電大國逐步轉變為輸變電強國。更重要的是，依托特高壓工程推進裝備自主化，全面提升了我國制造業的水平，也充分體現一個國家裝備制造業的技術水平和實力，更體現了一個國家的國際競爭力。