◆ 白鹤滩—江苏±800千伏特高压直流工程7月份竣工投产，作为我国“西电东送”工程的战略大动脉，这项跨五个省市、全长达2080公里的工程，只需要7毫秒就可以把水电从四川送至江苏
◆ 7毫秒运送电力速度背后，正是中国领跑世界的特高压技术
◆ 与桥梁、土木等领域不同，在输电技术上，中国基本属于白手起家。不仅如此，特高压技术在国际上没有成熟方法可以借鉴，也没有现成的工具可以使用，甚至连现场作业的行业标准规范也没有
来源：瞭望智库（zhczyj）
作者：崔赫翾 瞭望智库观察员
2022年11月15日，在四川省凉山彝族自治州布拖县，国家电网白鹤滩至浙江±800千伏特高压直流输电工程四川段最后一个架线区段导线展放顺利完成，实现全线贯通，同时，也标志着白浙工程全线贯通。不久前的7月1日，白鹤滩—江苏±800千伏特高压直流工程竣工投产。作为我国“西电东送”工程的战略大动脉，这项跨五个省市、全长达2080公里的工程，只需要7毫秒就可以把水电从四川送至江苏。
2022年9月13日，白鹤滩—浙江±800千伏特高压直流输电工程重庆段顺利完成长江大跨越。图｜中新社
7毫秒运送电力速度背后，正是中国领跑世界的特高压技术。每年数万亿千瓦时的电能通过长度超过4.8万公里的特高压输电线路，跨越祖国山河湖海，送往经济发展的第一线。在国际上“无标准、无经验、无设备”的情况下，我国特高压成功实现从“白手起家”到“大国重器”，从“中国创造”到“中国引领”，从“装备中国”到“装备世界”，可以说是我国电力发展史上艰难而又极具创新性、挑战性的重大成就，更是中国乃至世界电力行业发展的重要里程碑。2003年8月，正值美国用电高峰期，一根高压电缆触到树枝导致俄亥俄州一家发电厂停摆，这场看起来不起眼的短路事件引发了蝴蝶效应——以北美五大湖为中心的地区发生大停电事故，居住在美国东部纽约、密歇根、俄亥俄、马萨诸塞、康涅狄格、新泽西州北部的5000万人突然陷入一片黑暗，甚至加拿大的安大略、新英格兰部分地区也被波及。
2003年8月14日，美国纽约，市民排队使用公用电话，纽约当时遭遇大规模的停电。
一根树枝引发高达300亿美元损失的背后，是美国的电力需求量增长与电力传输能力的不匹配，老化的线路、滞后的电网建设，都是大停电的深层诱因。不仅是美国，当时在法国、俄罗斯、中国等国家，输电技术发展及电网建设都是难题。中国作为制造业大国，要发展实体经济，能源的饭碗必须端在自己手里。而现实是，全国三分之二的煤炭资源都集中在陕西、山西和内蒙古三省区，80%的水电资源集中在西南地区，光伏、风能资源则主要集中在西北、内蒙古等地。与之对应的是，我国70%以上的能源消费集中在东中部地区。大规模、长距离、损耗高的能源运输绝不是一件容易的事情。电力发展方式问题的实质，是对电网功能定位认识不到位，电网长期投入不足，发展滞后，优化能源资源配置的能力不足。早在1986年7月，武汉高压研究所（现为中国电力科学研究院武汉分院）的专家王凤鸣和张一新，就在其论文《在煤炭基地集中布厂采用特高压线路输电是解决煤炭运输困难的一条重要途径》中建议发展特高压电网，实现火电外送。这一年，中国开始了“特高压交流输电前期研究”项目。1994年6月，中国第一条百万伏级特高压输电研究线段在武汉高压研究所建成。但在此后将近20年的时间，由于特高压技术科研力量薄弱、电网发展条件尚不成熟，我国的特高压电网建设始终停留在构想层面。先从我国电压等级说起。在我国，电压等级一共分为安全电压、低压、高压、超高压、特高压五种。上世纪80年代我国电力需求快速增长，用电呈现紧张局面，特别是我国的经济中心华东等地，出现严重的缺电现象。1983年，随着葛洲坝电厂一期和二期工程相继投产发电，一批500千伏输变电工程在湖北、华中大地上动工兴建。随着经济社会的快速发展，±500千伏的超高压输电技术也遇到了供应天花板，需要继续提升输电功率，向特高压领域进军。
2022年6月8日，±800千伏泰州换流站，电力工人正在进行电力设备检修工作。图｜视觉中国
特高压电网指的是±800千伏及以上的直流电网和1000千伏及以上交流电网。与普通线路相比，特高压输电线路输送容量更大、输电效率更高、运行损耗更小、输送距离更远，可以达到2000公里甚至3000公里以上，能覆盖我国所有的大型能源基地和用电负荷中心。与±500千伏超高压直流输电相比，±800千伏、±1100千伏特高压直流输电距离分别增加了2-3倍、5-6倍，输电容量分别提高了2-3倍、4-5倍，输电损耗不到1/2、1/4，单位容量走廊宽度仅为65%、55%，单位造价只需65%、40%。与桥梁、土木等领域不同，在输电技术上，中国基本属于白手起家。不仅如此，特高压技术在国际上没有成熟方法可以借鉴，也没有现成的工具可以使用，甚至连现场作业的行业标准规范也没有。
从上个世纪60年代开始，美国、苏联、日本、意大利等国家先后开展了特高压输电技术的研究和开发。上世纪80年代，苏联建成了1150千伏特高压交流输电线路，意大利和日本也先后建成了特高压试验工程。不过，苏联解体后，电力需求明显缺乏，导致特高压线路仅仅运行数年就降压至500千伏运行。而二战后的日本，虽然随着经济的复苏，用电量一度与日俱增，但客观现实是，日本国土面积不足38万平方公里，对特高压远距离、大容量输送的需求没有大国的旺盛，此外，不久后的经济危机导致需求下降，变电站依旧采用500千伏设备。总之，纵观世界，美国、日本、意大利都曾经研究、开发过特高压输电技术，但由于种种原因都停滞或暂缓，甚至降低了输电压等级。前无古人，又白手起家，中国工程院院士李立浧后来表示：“不能因为国外没有我们就不做，因为这是我们国家需要的。”2005年，国务院正式将特高压列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》。
2006年，特高压成套设备研制列入《关于加快振兴装备制造业的若干意见》。这一年8月，1000千伏晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程获得国家核准。面对中国特高压建设撬开的巨额市场，西门子、BBC、施耐德等国际企业抓住中国在特高压发展技术上的一些不足，纷纷叫卖各自的技术解决方案。建于1986年的我国第一条±500千伏高压直流输电线路——葛洲坝到上海的葛沪线，就是全套引进BBC公司(后与阿西亚公司合并成了ABB公司)的技术设备。
不过，随着新世纪的到来，众多新材料相继出现，电子信息技术飞速发展，输电线路对变化的环境更加敏感。面临新的技术难题，我国再采用“引进消化吸收再创新”的技术路线去攻克，走不通了，必须要走自主创新之路。作为特高压输电工程核心装备的特高压变压器和特高压换流阀，因研发难度巨大，被誉为“珠穆朗玛峰上的皇冠”。为了摘得这顶“皇冠”，国家电网公司集合了300多家单位的上千名科研技术专家，潜心研发了十年之久。它被喻为“特高压心脏”，是实现特高压输电优势的关键设备，不管是降压升压还是控制电力损耗，都由它掌控。对特高压变压器来说，绝缘性是最大的难题之一。当时，绝缘性能最好的是陶瓷，但单台1000千伏特高压变压器的重量可以达到400吨左右，若采用陶瓷做绝缘材料，变压器则会重达7000吨，这样的庞然大物会使得后续运输都成问题。后来，我国科研人员研发出一种特殊的绝缘纸，可以随便剪裁成不同形状，重量也大幅下降。2008年3月，由特变电工沈变制造的1000千伏变压器顺利设计完成。这台变压器凝聚了国内相关领域科技精英的无数心血，一旦试验成功，特高压工程的核心设备即大功告成。试验开始后，电压指针向上升起。忽然，伴随一记闷响的电击声，电压指针归零！所有人刹那间惊呆了，升压时间只有72秒，绝缘被击穿。第二次试验现场，变压器刚升压到29秒，“轰”的一声，电压指针再次归零。两次试验均失败，参与人员没有退缩动摇，而是实事求是、总结经验、吸取教训、重新上路。最终在当年6月，重达400吨、耗资5000万元的变压器试验取得圆满成功。换流阀可谓“巨无霸”。以目前电压等级最高、容量最大的±500千伏/300万千瓦柔性直流换流阀为例：每个换流阀由2个阀塔串联而成，每个阀塔高约13米、重达80吨，一个阀塔又由上百个独立的功率子模块组成。换流阀的研发制造是目前复杂程度最高的电力装备技术之一。此前，仅ABB和西门子拥有该技术。2010年，中国电科院自主研发的世界首个±800千伏/4750安特高压直流换流阀通过全部型式试验，通流能力和电压等级均创世界之最，标志着我国全面掌握了直流换流阀研发设计的核心技术与工艺，彻底打破国外企业技术垄断。该换流阀的技术水平全面超越国外同类产品，在电气性能、结构设计、关键部件特性等方面达到世界领先水平，可使我国±800千伏特高压直流工程的输送功率从目前的7200兆瓦提高到7600兆瓦，输送能力提高5.6%，造价降低约25%，大幅节约特高压及常规直流工程的建设成本。随着从业科研人员的增加、研发深度广度的不断拓展，高电压、大电流、强电磁场环境下换流阀散热、电压尖峰抑制、电磁兼容问题及阀控设备低开关频率电容平衡等问题被逐一攻克，换流阀装备制造技术实现快速升级。2013年以后，直流换流阀参数不断提升，新技术不断涌现，电压等级从±30千伏上升到±500千伏，输电容量从2万千瓦升至300万千瓦，工程应用形式从两端到多端再到组成直流电网，实现了从科技示范到大规模应用的飞跃。中国不仅把特高压技术收入囊中，还要把特高压产业链上关键装备的市场订单牢牢攥在自己手里。根据前瞻产业研究院数据统计：特高压直流项目的核心设备为换流阀和换流变压器，主要供应商分别为国电南瑞、许继电气、中国西电和特变电工；在直流控制保护系统方面，许继电气和国电南瑞两家平分了市场份额；特高压交流项目的核心设备为GIS和交流变压器，主要供应商分别为平高电气、中国西电、特变电工等。2009年1月6日，我国首个特高压工程——1000千伏晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程建成投运，它是我国拥有自主知识产权的交流输电工程，同时是世界上运行电压最高、技术水平最先进的交流输电工程。
通过1000千伏晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程的建设，我国全面掌握了特高压核心技术和全套设备制造能力，研制成功了特高压串补、大容量特高压开关、双柱特高压变压器等代表世界最高水平的特高压交流新设备，刷新了主要输变电设备的世界纪录，形成了一系列国际标准和国家标准，验证了发展特高压的可行性、安全性、经济性和环保性，实现了“中国创造”和“中国引领”。2011年，特高压技术纳入“十二五”规划，特高压建设开启了快进模式。到2013年，建设成三横三纵特高压骨干网架和13项直流输电工程，形成大规模“西电东送”“北电南送”格局。2014至2016年，国家能源局提出加快推进大气污染防治行动计划12条重点输电通道的建设，推进9条特高压线路建设。2018年8月，国家能源局印发《关于加快推进一批输变电重点工程规划建设》，作为“新基建”投资托底经济，特高压建设提速。
我国在特高压输电等级、输送电量、距离等方面，也不断刷新世界纪录：晋东南—南阳—荆门线路是世界上第一个投入商业运行的特高压交流输变电工程。向家坝—上海±800千伏特高压直流输电工程，是我国自主研发、自主设计和自主建设的，是世界上首个电压等级最高、输送容量最大、送电距离最远的直流输电工程。其输送能力达到700万千瓦级，每年可向上海输送350亿千瓦时清洁水电，相当于上海全年用电量的30%。准东—皖南±1100千伏特高压直流输电工程攻克了超长空气间隙绝缘、过电压深度控制、电磁环境控制、可靠控制与保护、主设备研制、超大型复杂绝缘结构机电协同设计等世界级难题；在世界上首次研制成功电压等级和容量之最的换流变压器、换流阀等设备，自主研制成功世界首支1100千伏直流穿墙套管。该工程每年可减少华东地区燃煤消耗约3800万吨，成为连接西部边疆与华东地区的“电力丝绸之路”。截至2020年底，中国已经建成了“14交16直”，在建“2交3直”，共35个特高压工程，在运在建特高压线路总长度4.8万公里。“十四五”期间，国网规划建设特高压线路“24交14直”，涉及线路3万余公里，变电换流容量3.4亿千伏安，总投资3800亿元。迄今为止，中国不仅是世界唯一实现特高压大规模商业运营的国家，也在这个领域全方位实现了“中国引领”，成为了制定标准的国家。目前在特高压技术领域，中国牵头制定了国际范围内公用的特高压输电线路标准，且拥有全部专利使用权。这意味着，其他国家就算是研发出了国产技术，也必须遵守中国的标准，才被允许在国际上出售。1.独家揭秘中国特高压前世今生丨中国能源报，2021-03-30；2.特高压前传 从我国第一个超高压输变电工程开始说起……丨国家电网杂志，2016-12-21；3.特高压：电力珠峰丨瞭望，2020-12-08；4.赵忆宁，《大国工程》丨中国人民大学出版社2018年4月出版；7.我国特高压的十年丨电气时代，2022年第10期；8.40年来，中国经济总量跃升世界第二位！背后功臣少不了它丨CCTV4，2019-01-06；9.百年印记｜特高压：从零起步到世界领先丨中国经济周刊，2021-07-02
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