第548期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《电力新干线》

讲座题目:透视新科技——电力新干线

主 持 人:胜 春

做客嘉宾:王永平,国家电网四川特高压工程建设指挥部总指挥。

郭 亮,中国科学院力学研究所工程师。

讲座时间:2024年4月1日~4月7日

(备注:讲座视频可循环播放)

透视新科技——电力新干线

讲座内容:

各位好,欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目!我是主持人胜春。今天要跟大家聊的话题是特高压输电技术。在我们国家拥有这项技术之前呢,我们的电力输送的距离是不到1000公里,有了它之后可以直送3000公里以上,那这背后到底隐藏着什么样的秘密呢?我们通过短片来进入今天的节目。2021年6月21日,我国的四川雅中到江西抚州正负800千伏特高压输电工程建设完成,并正式投入输电运营。同年6月28日,发电能力仅次于三峡工程的世界第二大水电站金沙江白鹤滩水电站正式投产发电。届时,这里平均每年发出超过620亿千瓦时的巨大电能,也将通过白鹤滩到江苏、白鹤滩到浙江的特高压输电线路送往江苏、浙江等华东地区。特高压输电是一种新的电力传输技术,从上世纪的七十年代开始,各个国家就已经开始研究这种新的输电技术。近二十年来,我国国家电网针对我国的实际情况,研发出具有自主知识产权、独树一帜的特高压输电技术。截止到2021年6月底,像这样拥有特高压输电技术的电力新干线,在我国已建成或正在建设的就有36条,规模远远领先于世界。

这项新的输电技术在实现远距离输电的同时,又是如何确保用电的稳定和安全的呢?我们今天请来的两位嘉宾,第一位是来自国家电网四川特高压工程建设指挥部的总指挥王永平,欢迎您!另外一位来自中科院力学所的工程师郭亮,欢迎您!为什么要建立这个电力的新干线?这个是根据我们国家的能源和消费的这种情况提出来的。我们的煤炭资源大概80%都在西北部地区,80%的水利资源都在西南部地区,80%的风、光的陆上资源也在西北部地区。而我们70%以上的消费需求都在中部地区,华东、华中这些地区,这些经济发达、增长比较快的地区。这样的话就造成了我们的消费需求和我们能源资源的存储点相距甚远,我们现在从新疆到我们华中地区直线距离大概要到3000多公里以上,这么远距离,这么一个消费和资源开发的一个情况,就需要实现一种传输,把西部地区的能源输送到需要的地方去。所以在国家层面提出了西电东送的战略,那么为了响应这个战略呢,那么国网公司也提出来了个叫“电从远方来”的实施路径。“电从远方来”。是的,那么要实现“电从远方来”,就要建设以特高压为主要输送方式的电力新干线。

这个西电东输您怎么理解郭亮?咱们就以刚才王总提到这个电力为主,我们说真正用电量比较大的大户全都在东部沿海地区,浙江、江苏、上海等等,那么这些都是用电的大户,但是实际我们现在发电主要还是靠煤,和刚才王总提到的这种风、这个水等等,那这些资源基本上大部分全都在西部或者西北部地区。你现在这些资源在西部,西北部地区,你用户又在东部地区,你就得想办法把西部地区的能源用在东部地区它的身上。那么在这个过程中有一个问题,就是你这边的资源怎么拿过来,我们正常情况下拿过来的话,我可以靠运输,靠其他的途径,但是最好的方式其实还是你从那边就把电发出来,直接我这边就可以使用。那么,这个时候架起一个电的这样一个桥梁,我就不需要运这些矿物质了,用电来进行传输的话,就意味着你必须给我拉线,这边做好了直接瞬间。我们说电的传输速度是光速一样,30万公里每秒,所以这个速度非常快的,那你这边做好了,这边就要传过来,那你就要有一个很好的一个新干线来保证它的传输,所以我们把这个作为电力新干线这样一个传输系统。过去我们的传统的传输技术,大概最多能够传多远,它的局限性在哪里?

以前我们的这个传统电网,最多传输距离,应该说不超过1000公里。不超过1000公里?应该说原来就是一个以省为界,以这个大区为界的一个就地的一个平衡的一个电力系统,那么现在有了这个西部地区的大力资源开发和东部地区的消费需求,需要这两个匹配的话,至少在2000到3000公里,所以传统电网是肯定是不适合于现在的这种消费和资源开发的需求。过去1000公里的概念,从西部传输,我们理解还传不到祖国的中部地区,是这个概念?是的。刚才我们说到这个特高压,这特高压到底有多高?咱们在一般术语里面,大家都在说家用电器是多少伏,以多少伏来说这个电压。那么在我们电网工程中呢,我们都是以千伏来说电压的等级。那么特高压呢,就是在这个千伏上还要加一个1000千伏和800千伏。所以说这个就相当于一个数量级大大的一个提升,它在国际的标准里面,直流正负800千伏以上和交流1000千伏及以上都叫特高压。采用这么高的电压来传输,是不是为了在传输的过程当中减少电能的损耗呢?

应该说输电的这个损耗,(由)这么四个方面来决定的,第一个就是传导的材料,就跟我们家庭里面的铜导线和铝导线一样。铜导线要贵一点,要好一点,传导性要好一点,寿命也长一些。家里头铝电线呢,就是价格也便宜一些,导电效果也差一些,第二个就是受制于导线的截面,或者说导线的这个粗细。大家知道我们家里头带的电器多,你导线要选粗一点,这也是这个原理。第三个就是我们的传输距离。第四个就是电压等级。在整个远距离传输的过程中,里边最重要的一个能量损耗,其实就是导线发热,咱们在家里边用电器的时候。比如说吹风机类似这样的东西,你把它插上之后,你工作一段时间之后,你去摸那个导线,你会发现导线也是烫的。那也就是说意味着我们家里边用的大功率电器,(电源线)都会在使用的过程中发热,那你想象我们刚才给大家那个画面是一个大功率传输的,一个特高压的这种传输的这种系统。这里边的导线,它的电量要远远大于你家里边那个几万倍,甚至几十万倍的这样一个体量。那么它的这个热量散失一定会发出来的,从电能转换为热能,就相当于是我们不希望的能量损耗。那我们的最重要的一个课题就是尽量减少能量的损耗,我们怎么办?

我们在电学上其实大家都知道,如果我同样地想把这一堆的功率,也就是说电能输送到你那儿去的时候,那么这些电能其实跟什么有关,其实是跟电流和电压都有关系,那么电流直接决定它发热的热量,那我就希望在传输过程中把电流降低,把电压升高,我们就做成了特高压的这种输电系统。那说到这儿呢,我们看看我们记者编辑的短片。在电力的远距离传输中,如果仅仅依靠改变输电线的材质,或加大输电线的截面积来降低传输中的损耗,那么首先会使建设成本大大提高。另一方面,将给施工带来难以想象的困难,而特高压输电技术只是通过提升电压、降低电流来减少传输过程中电能的损耗,从而实现更远距离的传输。不仅如此,特高压输电技术除了能把电能输送到更远的地方,还能把输电的能力大幅提升。比如一条1000千伏特高压输电线路,它就能完成五条原来的500千伏输电线路的输电量。而且线路架设所占用的土地,相对之前的输电线路也大大减少,这对当下的土地资源稀缺的现状更具有现实意义。所以特高压输电技术是目前世界上最高效、最经济的一种输电方式,但大幅度提升传输中的电压却并不那么简单。

它到底难在哪里?相对于传统的这个电网来讲,特高压技术主要我想有这么四个方面的难点吧。一个就是它的绝缘材料;第二个就是它的整个设备过电压水平;第三个传输这么大的容量,需要一个更高水平的安全稳定的系统控制;第四个就是关键的换流站的关键装备,关键设备这个研发,国产化的研发。咱们举个例子,就比如说像这些科幻的电影,或者说一些给孩子看的这种动画片,你可以想象这个城市我突然间对它进行了一个破坏,电力系统的破坏,突然间可能是我大量的,这种能量涌入到这个电力系统里边去。那你想这个能量特别大的时候,这个画面一般会是什么样子?它就会在这个线上,感觉像有那种雷电的那种感觉。嗞嗞的。对,对,对,一般我们看到这种片段都会有这种直观的感受。那我们说咱们这个技术难点其实在于哪儿,就在于我真的是把超级大的这些能量,放到了这个电线里边来进行传输,但是又非常安全,不会出现你在科幻片里面看到那种嗞嗞的像打闪,或者像打雷一样的这种后果性的东西会出现。而且是长期稳定,持续不断为我们所用的这种传输,那这个才是它真正的难点。

刚才说了,特高压的直流设备最关键的就是换流,就是两个进出阀,出口和进口这个换流阀。它要把这个西部地区的电汇集起来,然后传输两三千公里以外,送到东部地区再分配出去。阀门的这个研发是非常关键的,这种对材料上的要求也是一个难点,应该说也是一个科技攻关的一个难点。嗯,我们怎么来理解科研人员他们的努力付出取得的这个成果呢?就刚才我们提到的,它其实是一个阀门。这个阀门儿是你有东西进来到我这儿,我卡住你,然后我想放多少,再往外去放,在这样一个过程中,它起到了一个闸门的作用。那闸门大家都知道,比如说我们拿大坝举例子,最容易损坏的地方,也就是最重要的地方,其实就那道闸,你大坝坝体你要建得非常好,这是一定的。但是真正你会发现在整个工程的使用中,哪个地方最容易损坏,其实就是那个闸门,闸门如果你做得不好,可靠性不高,大坝还没坏,但你闸门就被冲破了,所以这个其实是我们国家的科研人员,科技工作者面临的最大的问题。所以真正做好了闸门,我们这个其他的再跟得上,那么这个技术就能够为我所用了。这个技术是我们取得了巨大的突破?

对,完全国产化了。应该说我们通过这么多年的努力吧,实现了我们材料的突破,尤其是复合材料在特高压中的应用。第二个呢,我们从一开始依赖进口的这个换流阀,实现了国产的自主研发。最关键的设备,我们实现了国产化的研发,这个也是非常不易的。特高压输电技术在以往的技术上取得那么大的突破,我们来看看近些年它取得的成果。随着电压等级的大幅提升,特高压传输过程中的安全稳定性自然成了人们关注的焦点。因为电压的提高对传输系统中的绝缘材料和关键设备的耐压性能要求也更高。这些年,在特高压输电技术研发过程中,国家电网曾先后组织几十家科研机构和高校,200多家设备制造企业在国际上无标准、无经验、无设备的情况下,依靠自主创新,成功研发出了与特高压相关的21大类310项关键技术,连续攻克了特高电压、特大电流下的绝缘特性、设备研制、试验技术等世界级难题。尤其是在特高压绝缘套管和特高压换流阀等“卡脖子”的材料和技术上取得重大成果,标志着我国在特高压远距离、大容量输变电核心技术上取得重大突破。所有关键设备全都实现了国产化,这是四川雅中到江西抚州正负800千伏特高压直流工程的换流站,也是特高压输电工程的“心脏”,这里装配的世界上电压等级最高、容量最大的单体变压器直流换流阀,开断能力最强的开关等一系列的关键设备都是我国自主研发制造的,而这些世界领先的装备就是特高压传输正常运行的安全保障。

除了以上您提到的,我们还在哪些方面有创新呢?应该说通过这么十年的努力吧,我们现在的这个特高压,已经从当初的单条输送能力640万(千瓦)提升到720万(千瓦),又提升到800万(千瓦),我们实现了双800的目标。800千伏,800万(千瓦)输送,双800,而且这个技术应该说是现在是公认的,国际公认的,比较成熟的。那么实现了这个目标,不光是整个工程效能得到了大大提升,同时我们在这方面也积累了丰富的经验,我们在直流特高压输电技术上,我们实现了国际标准的中国制定,应该说这也是非常不易的。这个国际标准是由中国来制定,这是让我们很骄傲和自豪的一个事情,因为你只有在这个行业当中处于绝对领先的地位,才可能制定它的标准。这也标志着我们的整体的设计、制造、管理水平,从以前的跟跑者实现了领跑者。目前我们国家已经运行的这个特高压输电线路,实际的应用的情况到底怎么样?

现在我们目前国内投运了特高压已经近30条,就我工作的地方四川而言,已经有三条投运了,三条特高压投运了,应该说每年我们从四川把四川的水电,源源不断地送往这个华中地区、华东地区,而且是在他们最需要电的时候,夏天最热的时候,保障他们的供应。我们现在通过这十年,我们累计已经输送了近万亿(千瓦时)的电量,我们一年向东部地区输送1000多亿(千瓦时)的清洁能源。这是什么概念?一条特高压输电能力是800万(千瓦),如果我们四川这四条特高压,加原来的三条特高压能够全部建成的话,我们累计一年的输送电力可以达到3000亿度(千瓦时)电。3000亿度(千瓦时)电相当于江苏省全年用电量的一半,而且是清洁能源,高比例的清洁能源。怎么看这个社会效益?在以往东部地区由于经济发展很快,供电的需求量很大,又没有特高压外面的主力电源来供应,它只有依靠铁路、公路、船运、输煤,在沿江密集建设火电厂,这样的话火电厂大家知道它有煤,有排放,也不环保,所以说造成了东部地区,节能环保的压力非常大。

那么国家提出来节能减排的要求以后,这几年从国家层面已经要求东部地区下调火电比例,那么电源供应逐渐下降,经济继续高速增长。这时候就需要从我们的外来输送清洁的电源到东部地区去。西部更多是清洁能源。对的,然后这边的话,相当于东部地区,它的污染就降低了。那么这是非常好的一条,西部地区还有除了煤炭资源以外,还有水电,还有风电,尤其是水电和风电,像风电这些资源在东部地区它的发电效率是非常低的,而在西部地区它的发电效率非常高。所以你这个风过来了之后,我电就发出来了,发出来之后你怎么把它收集起来,它如果用不掉,那么这个电就浪费掉了,所以如果我们建了这种特高压这种传输系统的话,就可以源源不断地把西部地区的水发出来的电,风发出来的电,都可以瞬间传递到东部地区,为它所用。这个时候就是王总刚才提到的,我逐步降低我在东部地区煤炭发电的比例,而提升新能源的比例。相当于是个此消彼长的一个过程,我利用这样一个特高压,不光是总量我能上升,还能够下调煤炭的比例,那么慢慢慢慢我们的能源都变成清洁能源,那这样的话既达到了我们社会发展的这个需求,又满足了我们节能减排的这样儿一个思路,那其实这也是我们两者都受益的过程。

由于这项技术的不断成熟,它带来一个良好的生态圈,是一个整个良性的循环。刚才王总也帮我们介绍到了,说这个特高压输电线路,在我们国家已经铺设了很多条,目前在建的有哪些?包括国家对它的规划又是什么样的?这次“十四五”的规划里边,已经在能源的发展纲要里面,把特高压纳入能源发展纲要。就我们国网而言,我们在“十四五”还有七条特高压工程即将开建,而且在“十四五”建成。就我们四川而言,我们已经投运了三条,我们现在已经在建两条,在“十四五”还将建设两条特高压。刚才我们也介绍了,我们国家呢,还有很多的这个特高压线路的这个建设过程当中,这项技术呢,也得到了国际的认可,很多国家呢,也希望中国到他们那里进行新的线路的建设,我们通过短片去了解一下。

目前,中国是世界上唯一一个将特高压输电技术投入商业运营的国家,经过多年的技术积累,中国特高压输电技术在国内遍地开花,仅四川一地就有已经建成或正在建设的七个特高压输电工程。特高压输电技术,不仅带动了我国电工装备制造产业全面升级,而且还走出国门,参与到其他国家的电力建设中。2014年,国家电网公司成功中标巴西美丽山水电特高压输电工程项目,并于2019年完成全部工程建设。这是巴西最长、输电量最大的一条电力干线。它跨越2000多公里,能满足2200万人口的用电需求,也被称为巴西经济发展的主动脉。近年来,我国还先后与哈萨克斯坦、俄罗斯、蒙古、巴基斯坦等国开展了互联互通特高压技术合作项目,实现了中国特高压输电技术、标准、装备、工程总承包全产业链输出,创造了350多亿美元的经济效益。现在,中国特高压输电技术不仅为世界提供着可借鉴的经验,也将为全装备工程总承包,全产业链输出,创造了350多亿美元的经济效益。现在中国特高压输电技术。不仅为世界提供着可借鉴的经验,也将为全球电力工业的建设发展做出更大贡献。

刚才您给我们介绍了我们这项技术,已经可以做到这个制定国际标准的水准了,我们可以理解它已经达到了相当高的水平了。就目前来讲,它还有哪些有待完善的空间?从特高压输电来讲,我想刚才说的影响特高压输电的四个因素,我想也是今后我们需要关注的方面。第一个就是传导材料,传导材料的话,应该说是现在目前还是一种常规的传导材料,如果有一天我们的超导材料取得革命性的突破,我们的超导材料能够实际应用到我们的工程中去,我相信现在是3000公里,以后很可能会突破5000公里,能够把更远的廉价的清洁的资源输送到我们需要的地方去。那我们在想,随着我们材料不断突破,我们传输的电能的增大等等,我们不仅仅可以为国内供电,甚至我们可以把电力输送到国外去?可以,现在我们国家电网规划里面已经有(和)周围的欧亚国家联网规划。在郭亮看来,这样的一个技术上的改变,这个意义是什么?特高压的这种输电系统,我既然能做到3000公里,那我从西部地区向我的东部地区能建到3000公里,我就可以接着再往西部再建3000公里,那就可以达到我们周边的几个邻国,那么这些邻国像胜春你刚才说的,可能电力系统,能源系统不发达,那我帮你修。一旦我们把电也都输送到国外去,可能对于他们来说,基础建设就会提升一大截,那么再跟中国的不管是贸易,还是文化,还是其他方面的交流,可能会更通畅、更顺畅。

我们不妨今天也来畅想一下未来,当我们这项技术不断成熟、不断进步的时候,给未来的整个社会的发展带来的会是什么?我就想着有一天,如果我们的材料技术,我们的控制技术,得到一个革命性的一个提升以后,我们最好是能够实现,在我们原来的输电走廊上就地提升我们的容量,就地提升我们的输送距离,就地提升我们的绿色能源的比例。同时,进一步通过这种低成本的投入和提升,使我们用户端享受到更优惠、更绿色的这个清洁能源。那我们就可以发同样的电,可以传输得更远,甚至提供给更多的人去使用,这是对人类一个巨大的贡献。如果我们未来这项技术得到了普及,所有的都是这种特高压的这种输电技术,那么成本相对比较低的这种清洁能源,我就可以直接为全国甚至全世界都能够所用,未来我们就可能会面临一个更好的工业化的未来。感谢各位收看今天的《透视新科技》节目,如果您想了解我们更多的节目内容呢?也可以下载央视频去收看往期的节目。我是胜春,今天的节目就到这儿了,咱们下期节目再见。

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