向前走一步的中國特高壓技術(shù)

文／本刊記者王思童／

發(fā)展特高壓 設(shè)備是關(guān)鍵

有時，向前一步，是件很難的事。

曾經(jīng)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(fù)多次后，老猴子們不愿再靠近鐵籠，甚至當(dāng)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(jié)果類似，我們生存于既定的社會規(guī)則，并習(xí)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(xí)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(yè)命運的人，一定是勇于突破常規(guī)之人。

發(fā)展特高壓技術(shù)，是國家站在能源和電力工業(yè)發(fā)展全局高度作出的重大戰(zhàn)略決策。依托特高壓創(chuàng)新實踐，國內(nèi)電工裝備制造企業(yè)在世界上率先掌握了特高壓成套設(shè)備制造的核心技術(shù)，具備了批量生產(chǎn)能力，自主創(chuàng)新能力和制造水平顯著提升，全面實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)升級，在國內(nèi)外市場競爭中取得了重大突破，特高壓設(shè)備已經(jīng)成為我國電工裝備制造企業(yè)走向世界的閃亮名片。在11月21日的特高壓設(shè)備制造及應(yīng)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(lǐng)中國特高壓技術(shù)先走一步的杰出代表?！拔覀冞@一路走來，走得很辛苦，確實不容易。”西安西電開關(guān)電氣有限公司黨委書記、副總經(jīng)理張猛更是將多年的艱辛化為一句感慨。

發(fā)展特高壓，設(shè)備是關(guān)鍵。特高壓輸電代表了國際高壓輸電技術(shù)研究、設(shè)備制造和工程應(yīng)用的最高水平。2004年底國家電網(wǎng)公司提出發(fā)展特高壓輸電之時，世界上沒有商業(yè)化運行的特高壓工程，沒有成熟的特高壓設(shè)備和技術(shù)。既“不能買”，也“買不來”，中國研發(fā)特高壓設(shè)備，必須走自主創(chuàng)新的國產(chǎn)化路線。國家電網(wǎng)公司總經(jīng)理助理孫昕指出，特高壓設(shè)備國產(chǎn)化研制面臨三大挑戰(zhàn)：技術(shù)難度大、可靠性要求高、研發(fā)基礎(chǔ)薄弱。特高壓設(shè)備大都達(dá)到了現(xiàn)有設(shè)計制造的極限，需要承受高強度、極不均勻的電、磁、熱、力聯(lián)合作用，但受制造、運輸?shù)葪l件嚴(yán)格限制，尺寸、重量不能簡單線性放大，需要研發(fā)新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)和新材料，實現(xiàn)重大技術(shù)突破。特高壓輸電容量大、系統(tǒng)位置重要，必須具有與其重要性相適應(yīng)的高可靠性。我國的特高壓工程是國家正式核準(zhǔn)建設(shè)的需要商業(yè)化運行、具有示范效應(yīng)的工程，需要在全電壓、大功率下長期安全運行，關(guān)系電網(wǎng)發(fā)展方式，進(jìn)一步增加了國產(chǎn)化研制壓力。特高壓項目啟動之初，國內(nèi)500kV設(shè)備及關(guān)鍵原材料、組部件仍主要依賴進(jìn)口，技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備均建立在引進(jìn)、消化、吸收基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)薄弱、受制于人。在我國工業(yè)和技術(shù)基礎(chǔ)上，自主開發(fā)世界上一個全新的、最高電壓等級輸電所需的全套設(shè)備并安全運行，極具挑戰(zhàn)和風(fēng)險。為應(yīng)對特高壓設(shè)備國產(chǎn)化研制的艱巨任務(wù)、在較短時間內(nèi)取得全面突破，國家電網(wǎng)公司研究提出了依托工程、業(yè)主主導(dǎo)、專家咨詢、質(zhì)量和技術(shù)全過程管控的產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合創(chuàng)新模式，集中國內(nèi)電力、機械行業(yè)的優(yōu)勢資源和力量，建立創(chuàng)新聯(lián)合體，立足國內(nèi)、開放式創(chuàng)新，形成創(chuàng)新合力。

西電開關(guān)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(shè)備完成了，滿足了工程的需要嗎？這一點當(dāng)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(shè)和發(fā)展使電工制造業(yè)得到了重生和升華?！?/p>

制造業(yè)的重生與升華

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

中國直流輸電的發(fā)展經(jīng)歷了四個階段：一是核心設(shè)備進(jìn)口階段。二是到了2005年左右，我國開始技術(shù)研發(fā)，從而進(jìn)入中國企業(yè)牽頭承擔(dān)自主工程，但是采用國外的技術(shù)路線。這時，實際上是從國外進(jìn)口設(shè)備和技術(shù)，然后進(jìn)行國產(chǎn)化制造。這個過程盡管設(shè)備實現(xiàn)了國產(chǎn)化，但是技術(shù)路線是采用國外的，獨立的自主知識產(chǎn)權(quán)是受到限制的。三是進(jìn)入特高壓時代后，采用了以我為主、聯(lián)合研制的方法。四是完全采用自主化，我國企業(yè)開始生產(chǎn)具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。許繼集團(tuán)有限公司總經(jīng)理助理、許繼集團(tuán)柔性輸電系統(tǒng)公司總經(jīng)理姚為正談到，“從常規(guī)的500千伏到800千伏到1000千伏，換流閥和控制保護(hù)的研究過程分為三部分，一是關(guān)鍵技術(shù)研究，二是產(chǎn)品研制，三是工程應(yīng)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(guān)技術(shù)經(jīng)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(xù)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(jīng)歷了直流輸電發(fā)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(chǎn)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(chǎn)品和技術(shù)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(lǐng)域占領(lǐng)了世界的制高點?！?/p>

依托特高壓工程，我國直流設(shè)備研制走過了一段輝煌之路。國家電網(wǎng)公司交流建設(shè)部王紹武博士認(rèn)為，特高壓技術(shù)與產(chǎn)品的進(jìn)步，表現(xiàn)為我國全面攻克特高壓設(shè)備核心技術(shù)難題，成功研制全系列特高壓交流設(shè)備等方面?！耙粋€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(fā)現(xiàn)，工程國產(chǎn)化率進(jìn)一步提高，關(guān)鍵設(shè)備實現(xiàn)了批量化制造?！蓖踅B武說。資料顯示，首條特高壓交流工程的設(shè)備國產(chǎn)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(guān)及其他設(shè)備均為國產(chǎn)，且為大批量穩(wěn)定制造。這顯示出“國產(chǎn)特高壓設(shè)備具有強大的市場競爭力和廣闊的應(yīng)用前景”，王紹武評價說。

除了打破了國內(nèi)直流輸電成套設(shè)備對國外企業(yè)的依賴，提升了自主化直流設(shè)備的市場競爭力，為直流產(chǎn)品走出國門奠定了基礎(chǔ)。由于采用國產(chǎn)化的零部件，項目的研發(fā)成功拉動了上游配套產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展，使大部分關(guān)鍵配套零部件產(chǎn)業(yè)達(dá)到國際領(lǐng)先產(chǎn)業(yè)水平，帶動了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。此外，國家電網(wǎng)還建設(shè)了世界一流的直流控制保護(hù)和換流閥試驗?zāi)芰?，為特高壓直流輸電技術(shù)的持續(xù)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(lián)、三柱并聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)形式的1000MVA單體式特高壓變壓器并實現(xiàn)工程應(yīng)用，創(chuàng)造了變壓器行業(yè)電壓等級、單體容量、單柱容量的世界紀(jì)錄，具備有載調(diào)壓能力，實現(xiàn)無局部放電設(shè)計，溫升、損耗、噪音等關(guān)鍵性能指標(biāo)國際領(lǐng)先。又如，特高壓升壓變壓器研制方面，我國研制成功發(fā)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(shù)，直接升壓至1000kV接入皖電東送特高壓工程。此外，在關(guān)鍵組部件、原材料上，國際市場高壓輸變電設(shè)備用高端原材料、組部件長期被國外少數(shù)專業(yè)廠或跨國公司壟斷，存在價格昂貴、供貨不穩(wěn)定等突出問題，影響整機設(shè)備國產(chǎn)化、影響工程造價和工期。國家電網(wǎng)公司在全力推進(jìn)特高壓主設(shè)備國產(chǎn)化研制過程中，同步組織了關(guān)鍵組部件、原材料的國產(chǎn)化，實現(xiàn)重要突破。

立足國內(nèi)輸變電設(shè)備采購助力民族裝備制造業(yè)升級

特高壓工程讓國內(nèi)設(shè)備企業(yè)掌握了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的裝備制造核心技術(shù)，形成了全套特高壓輸變電設(shè)備的國內(nèi)批量生產(chǎn)能力，實現(xiàn)了中國輸變電裝備制造業(yè)的技術(shù)升級。特高壓交流試驗示范工程的設(shè)備采購全部立足于國內(nèi)，變壓器和高壓電抗器完全自主開發(fā)、設(shè)計和制造，使我國相關(guān)產(chǎn)品的制造能力處于世界領(lǐng)先水平；采用中外聯(lián)合設(shè)計、產(chǎn)權(quán)共享、合作生產(chǎn)、國內(nèi)制造模式生產(chǎn)出的特高壓開關(guān)設(shè)備，代表當(dāng)前最高技術(shù)水平。

特高壓工程建設(shè)為我國開關(guān)裝備制造業(yè)提供了巨大的發(fā)展機遇。西安西電開關(guān)電氣有限公司黨委書記、副總經(jīng)理張猛指出，自2005年以來，特高壓工程建設(shè)對中國的開關(guān)制造業(yè)提供了巨大的發(fā)展機遇，使中國開關(guān)制造業(yè)在研發(fā)能力、制造能力、試驗?zāi)芰?、組織管理能力等方面得到顯著的發(fā)展。從設(shè)備生產(chǎn)和制造方面講，我國已成為世界主要的開關(guān)設(shè)備研制國家。一是研發(fā)能力得到長足進(jìn)步。在研發(fā)特高壓的時候，我們掌握了三維的設(shè)計和分析方法。產(chǎn)品設(shè)計實現(xiàn)了全三維設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)字化精確設(shè)計和數(shù)字化制造。二是工藝技術(shù)與制造能力得到提升。一個開關(guān)設(shè)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(chǎn)，還有電鍍、焊接等。通過特高壓，我們實現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)線，我們建立了在中國乃至世界上最先進(jìn)的一流生產(chǎn)線。我們還能通過控制中心可以看到所有設(shè)備的加工能力，以及加工狀態(tài)和加工的效果。這些進(jìn)步，在開展特高壓研發(fā)之前是不敢想象的。特高壓建設(shè)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(guān)設(shè)備的型式試驗技術(shù)，建成世界上能力完備的特高壓開關(guān)設(shè)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(fā)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(shè)也讓西安西電開關(guān)電氣有限公司認(rèn)識到智能化開關(guān)設(shè)備測試平臺的巨大作用。特高壓的發(fā)展使我們對智能化、電子技術(shù)在開關(guān)上的運用起到了推動作用?？傊?，在特高壓工程的實施過程中，中國開關(guān)制造企業(yè)在研發(fā)能力、制造能力、試驗?zāi)芰?、組織管理能力、國際影響力等方面得到了極大的發(fā)展。

特高壓輸變電工程的建設(shè)對特高電壓變壓器、電抗器等相關(guān)設(shè)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(tuán)有限公司副總經(jīng)理鐘俊濤談到，根據(jù)我國電力資源分布與電力負(fù)荷的嚴(yán)重不均衡狀況以及大電網(wǎng)發(fā)展的客觀要求，將進(jìn)一步加大跨區(qū)西電東送規(guī)模和跨區(qū)電網(wǎng)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(shè)的需要。另一方面，在特高壓電網(wǎng)建設(shè)以前，我國的區(qū)域電網(wǎng)的最高交流電壓為500kV級，西北地區(qū)為330kV級，已經(jīng)無法滿足電網(wǎng)容量進(jìn)一步增加和全國聯(lián)網(wǎng)的需要。因此也需要提高電壓等級。國際上自從20世紀(jì)60年代發(fā)展了750kV的輸電線路后，近幾年來，美國、前蘇聯(lián)、日本、法國等一些國家已先后研制出1000kV級的輸變電設(shè)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(guān)計劃，1990～1995年，國務(wù)院重大辦組織“遠(yuǎn)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(wǎng)公司就特高壓輸電工程關(guān)鍵技術(shù)組織了全面系統(tǒng)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(jù)特高壓工程建設(shè)，著力解決上述問題。特變電工沈變公司2008年共生產(chǎn)四臺特高壓變壓器，通過了現(xiàn)場交接試驗并投入運行。實驗表明，各項技術(shù)指標(biāo)均滿足技術(shù)協(xié)議和運行的要求，標(biāo)志著在國家電網(wǎng)公司及相關(guān)專家支持和指導(dǎo)下，我國掌握了特高壓1000千伏交流變壓器的設(shè)計和制造技術(shù)。于特高壓變壓器的質(zhì)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(chǎn)過程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，包括國外進(jìn)口的很多材料都含有金屬雜質(zhì)、絕緣物雜質(zhì)，只要有一點雜質(zhì)混入特高壓變壓器中，就可能造成產(chǎn)品故障。因此，這對于企業(yè)的管理水平是一個很大的考驗。這需要變壓器生產(chǎn)廠家持續(xù)改進(jìn)管理水平，持續(xù)提高設(shè)備制造能力。

通過特高壓項目的研發(fā)和設(shè)備制造，我國重大裝備制造能力和技術(shù)水平大幅提升，將有利于反哺500千伏和750千伏設(shè)備制造，穩(wěn)固我國自主研發(fā)制造的主導(dǎo)地位。中國正從輸變電大國逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檩斪冸姀妵?。更重要的是，依托特高壓工程推進(jìn)裝備自主化，全面提升了我國制造業(yè)的水平，也充分體現(xiàn)一個國家裝備制造業(yè)的技術(shù)水平和實力，更體現(xiàn)了一個國家的國際競爭力。