特高压输电的技术,为何美国和日本止步不前?
随着改革开放以来40年中国经济的高速发展,我国的科技力量有了飞速发展,现在我国正在逐步跨入世界高科技领域的第一梯队。要说中国所掌控的核心高科技技术,很多人自然会想到基建、高铁和航空航天。此外,还有一个被忽视但异常重要的领域,我国是世界上首屈一指的科技霸主,那便是在电力输送领域。该领域最顶尖的技术特高压技术已经被我国垄断,研制成功了全套关键设备,建成了世界等电压等级最高、输电能力最强的交直流输电网络。那么特高压输电的技术,为何美国和日本止步不前?
特高压输电技术就是电工领域的5G技术,是电力输送的超快高速公路,具体是指交流1000千伏和直流800千伏以上电压等级的输电技术。该技术相比于以前的较低电压的输电技术,最大的特点是能够实现长途高效输电,尤其对于地貌广阔的国家来说更急需要这种技术来完成电力配送。
正是由于该技术的出现,生活在中国的我们可以切身体会到夏天再也不会出现因用电力紧张,不得不忍受闷热,不情愿地拉掉电闸以减缓工业用电压力的现象。而同样作为人口大国的印度就不一样了,印度每年的产电量高居世界第三,但由于其输电能力较差,导致印度还有1亿多人口长期处于缺电少电的状态。
而我国靠着特高压技术的运用早在5年以前就彻底解决了偏僻地区居民用电缺电少电的问题。相比于常规高压输电技术,特高压输电技术有着以下几点优势:
特高压输电的优势
特高压输电距离远,效能高,损耗小。通过电线输出电力,要想使电功率达到最大,无非是加大电流或电压,但如果加大电流的话会造成电线过热甚或出现大量电力损耗,所以通常情况下,只是采用升级电压的方法来保证远程输电。
自然是电压越高,输电距离就越远,电网覆盖面就越大。特高压输电级别要求电力输送的最低电压交流电在1000千伏以上,而直流电在800千伏以上。特高压技术出现前各国所用的超高压输电路电压只有500千伏。
去除能量损耗,一条1150千伏的特高压线路的效能相当于5~6条550伏的超高压线路或三条750千伏的超高压电路的效能总和。特高压输电能降低电网工程成本,减少传输走廊用地面积。
传统输电线路如果被特高压线路取代,就可以大力减少沿途的铁塔、变电所的修建数量,导线材料也可以得到最大程度的节约。据估算,届时电网造价会下降10%~15%。
而特压输电走廊所占的面积仅相当于同等输电容量的超高压500千伏输电走廊所占面积的1/4,这对于人口稠密、土地价格昂贵、走廊建设困难的国家和地区来说必然是最富性价比的选择,既能保证充分供电,其节省下来的空间资源又能带来了巨大的经济、社会效益。
特高压电技术的研发成功,为调整和优化我国能源结构创造了条件,可以直接将位于中西部的大规模煤电基地发出的电力以高效低耗的方式迅速传到东部集中用电地区,实现跨区域送电、大规模长距离送电。
此外,还能实现联网效应,将位于不同位置的火力、风力、水力发电站发出的电集约统筹、统一输送,极大提高了新能源并网和消纳能力,是加快能源结构调整、防治大气污染、有效提升生态文明水平的重要途径。该技术的突破是世界电力工业发展史上的一个重要里程碑,极大缓解了全人类面临的能源生态危机。
特高压技术能否突破成为制约我国经济发展的瓶颈
我国的经济发展不平衡、人口资源分布不均衡、发电用电地域差距大的国情也决定了只有采用特高压技术才能进一步提升配送电效率,节省资源、保护生态的同时进一步推动经济的发展。
目前我国电量大部分是靠煤炭这一非清洁能源燃烧发出的,百分之七十的煤炭主要分布于我国的中西部地区,尤其集中于山西、陕西、内蒙古、新疆各地。而新型环保能源风力发电主要聚集中在西北地区,百分之八十的水力发电则集中在云南、四川、西藏等西南地区。
而我国应用三分之二的电力需求恰恰是来自东部各省。发电基地距离核心用电地区距离高达数千公里,用电难、用电贵成为了制约我国东部居民用电、工业用电的瓶颈。
特高压电技术发明之前,由于东西距离太远,高压输电线路能力达不到,我国只能是通过铁路、轮船将中西部的煤炭经过数次中转费时、费力、费财地运往东部发电站进行发电。
煤炭运输要三装三卸,还要在中转区配备储存基地,这样发出来的电成本极高、消耗很大。或者直接在煤炭产区建立发电站,然后建立跨越省市的输电网路,中途建立多个发电站进行电力补充,实现电力接力,一直将西部发出的电输送到东部沿海地区。
这种方式省力省钱,但是中途需要建立非常多的电网维修站和电压升级站,输电效率虽比运煤发电更加省力高效,但中间设施的建设、维护耗资也是巨大的。为此,实现特压电技术突破,在我国广袤的国土上建立起横贯东西的特压电输电网络成为了燃眉之急。
特高压技术需要投入数千亿的资金,美国和日本都因为资金问题望而却步,前苏联则因为解体而无疾而终。也有很多国家对此技术嗤之以鼻,强调他们国家超高压输电技术已经够用,没有必要耗费如此财力来升级技术。
但我国政府拥有超前的思维和眼光,不仅看到了特高压技术给本国带来的巨大经济效益,也是从世界公民角度来衡量这一技术是否应该上马,一旦特高压研制成功,我国的能源、生态战略目标都能提前完成,更有利于中国梦的达成,有利于世界和谐共同体的打造。
夯实基础,自主研发
为了在该领域寻求技术突破,国家和各级政府给予了鼎力支持,我国在该技术领域起步比较早的。早在1986年,我国就开始了对特高压的专业研究。国家为此投入了大量资金、人力支持,连续将特高压输电技术列入了"七五"、"八五"和"十五"计划的重点科技攻关项目。
通过数10年的艰苦努力,我国电力科学家在特高压研究领域积累了丰富的经验,技术上也申报了很多专利。紧接着,特高压交流输电技术又被列入了《国家中长期科学和技术发展规划纲要》。
随即我国科学家实现了西北750千伏交流输变电国产化示范工程的顺利投产和三峡工程500千伏直流输电工程的成功实践,使我国输变电技术和设备有了全方位的提升,也为特高压技术的上马准备了条件。
要完成如此庞大规模的技术攻关和工程施工,没有党和国家这一坚强后盾的支持是不可想象的。技术强大的根本是国力的强盛,国家高度重视科技领域的投入和研发。
我国电网输电技术从高压到超高压再到特高压,每一次都面临着巨大的挑战。中国电网技术一直是沿着发达国家的老路走过来,一直是采用引进、消化、吸收、再创新这样的模式,但到了特高压时代,这条路走不通了。
发达国家虽然跨过了特高压这条红线,但是技术发展良莠不齐,也没有先进完善的设备可以购买,中国人拿着钱也不知道到哪去买,只能是靠自己摸着石头过河。在完善工业基础、储备科技人才力量的基础上,进行自主创新、研发成为了特高压技术攻关的必由之路。
我国科学家要打破科技小跟班的习惯思维,现在我国拥有足够强大的人力物力财力去开拓顶级高新科技领域,科学家要做的便是选定主攻领域,打造好技术团队,国家全力提供资金、制度、服务等全方位的保障,这便是社会主义制度优越性的集中体现,这也是唯有我国能做到,其他发达资本主义国家做不到的原因。
国家支持,众志成城
美国率先摸到了特高压技术的门路,但并没有掌握其核心技术。我国派领军科学家前去美国取经,当我国科学家到了参观地后却被禁止带入任何拍照设备,只需远观难以靠近,数据分享更是不可能。他山之石借不到,只能坚定信念依靠自主创新。
我国科学家为了打造特高压核心技术,系统组织了科、学、研三大块的联合攻关,集结了国内顶尖技术水平的电力、机械行业的科研、制造、设计、高校等一百多家单位,参与人数近5万人,共同展开了一百八十多项关键技术的研究和九大类40多项关键设备的研制,先后在电压控制、外绝缘配置、电磁环境控制、成套设备研制等特搞点核心技术上实现了突破,全面掌握了特高压整套技术。
最终在经过了20多年的技术攻坚之后,我国第一条特高压输电线路晋东南——南阳——荆门全线贯通,我国成为了世界上第一个全面掌握该技术和第一个将其投入商业运营的国家。
其中由特变电工沈变制造的1000千伏变压器解决了特高压电传输中最为关键的难题。这个变压器是特高压输电设备的核心部件,成为了特高压技术中最难的一个环节,其研制成功背后凝聚了我国无数该领域尖端科技人才的心血和汗水。
该变压器研制成功后一年,我国第一条特压电输电线路便畅通无阻。该变压器重达400吨,耗资5,000万,经历了无数次试验的失败。特高压电技术的成功证明了我国在该高科技领域巨大的人才优势。
以往中国的高科技人才一直在往美国跑,因为那里有顶尖的设备、技术团队和资金支持,疫情成为了分水岭,我国现在在高新科技领域的设备、技术团队和资金支持一点不弱于美国,这也成为了人才回流的关键所在。
精益求精,走向卓越
目前我国在特高压技术方面处于遥遥领先的位置,我国的特高压标准成为的这个领域的世界通用的行业标准,全球168个国家已经跟我国国家电网签订了该技术领域的战略合作协议,专利使用权全部被我国把控。
自第一条特高压线路贯通后,经过十年的发展,我国现已建成了"十二交十四直"共26条特高压工程线路,覆盖我国七大区域电网。
十三五规划期间,我国的特高压电技术又取得了历史性的突破,建成了从淮东到皖南1150千伏的特高压直流工程线路,输电距离长达3300公里,是目前国际上输电电压等级最高、输电距离最远的特高压输电工程,是我国在特高压科技领域拥有绝对话语权的明证。
特高压电技术的成功是中国人民智慧的胜利,是科学社会主义的胜利。
特高压技术的全面垄断为我国最发达的东部地区生产生活用电提供了保障,也使我国站在了该领域的技术之巅,能够靠该技术赢来世界各国的电力合作,进一步推动社会经济的发展,更为将我国尽快建成能源节约型、生态文明型国家提供了核心动力。
暂时没有。±800kV、±1100kV直流和1000kV交流特高压输电工程,是我国工程的电压等级。国外,前苏联1150kV工程目前已降压至500kV运行,意大利1050kV工程,日本1000kV工程……
经常听到身边的美国人无奈的说,现在的美国到底哪些生活用品不是“中国制造”?
美国商场中,大到家具家电,小到牙签螺丝,几乎很难找到不是中国制造的东西,就连奥巴马头像玩偶,美国星条旗,都有大部分是产自中国。
中国“制造”,一为航天,二为高铁,五年高考三年模拟,李阳疯狂英语格力(掌握核心技术),蓝翔??最后是春运。
只能中国制造的东西,五花八门啥都有,从天文到地理,从远古到现代,从传承到创新。
世界上唯一的量子通信卫星,是中国发射的“墨子号”。地面的量子通信线路,“京沪干线”合肥至上海段已经开通。在量子通信的两条技术路线上,中国都走在世界最前列,已接近产业化。量子通信是近代以来中国第一次创造一个新的产业,这个意义非常重大,比在已有的领域做到第一的高铁、通信等等更加了不起。
中国有全部工业门类,世界上最齐全的工业体系,理论上所有的工业用品我们都是可以自己制造的。而且我们所有的工业门类都在齐头并进,都在进步,时间是站在我们这边的。
什么是特高压?
作为新基建七大领域之一,特高压备受关注。简单的讲,特高压就是电压等级特别高的电压。那多高才算是特高呢?一张图表清晰的向你展示电压的等级。
为什么要建设特高压?
从图表中我们可以看出,特高压的输送功率和输电距离是超高压的四倍,输电损耗和单位造价却只有超高压的三分之一和四分之三。说明特高压节能又节约。可又有人问了,完全可以在当地建发电站,为什么要建设远距离输电的特高压呢?其实主要有两点原因:
第一点是用电量需求不断增加。自2000年至今,全社会用电量已经增长近三倍,预计到2030年将达到11万亿千瓦时,用电需求的增加使得输电技术不断提高,采用特高压有助于缓解电网压力。
第二点是能源分配不均匀。我国地域宽广,幅员辽阔,80%以上的能源分布在西部和北部,75%的电力消费集中在东部和中部。供需相距约800-3000km,特高压无疑是最好的选择。
这样不直观的话,我们举个例子。假设你为了喝牛奶,从内蒙古拉了一根管子到北京。内蒙古那边倒一杯鲜奶,你在北京拼命的吸——最终可能一滴都喝不到。原因很简单,传输过程中损耗了。
输电会产生功率损耗。如何减少这个损耗呢,就要修建特高压线路。由于损耗与电压平方成反比,修了特高压线路之后,同等距离下,如果500kV是5%的话,800kV就是2%(不能用于实际工程,仅供理解)。少喝3%的鲜奶,你可能觉得无所谓,但是,无所谓的前提是你只喝一杯,如果要喝亿杯,这样光损耗的鲜奶就有300万杯。考虑到特高压线路传输的电量都是百亿级别,节省的电量还是相当可观的。
前面我们讲了能源分配的问题,能源条件好的地区,基本都在西藏、内蒙古等经济欠发达地区,北京这些区域缺少能源。所以你要喝到牛奶,要么铺一根管子,要么搬到内蒙去。显然,搬家是不可能搬家的,这辈子都不会搬家的,北京户口又舍不得,只能远距离喝奶这样子才能维持得了生活。这就是特高压线路建设的现实必要性。
特高压给我们带来了什么?
其实在特高压输电工程的建设和发展上,中国并不是第一个“吃螃蟹”的国家,自20世纪60年代以来,美国、苏联、意大利、日本等国家先后开展过特高压输电技术的研究,但国外特高压发展仍处于试验研究和实践探索阶段,商业应用上并未取得突破。特高压建设,我国已经走在了世界前列。特高压能给我们带来多种实惠。
清洁供电。张北-雄安特高压交流工程投运,该工程将张家口地区富余的清洁电能大规模输送至雄安新区,为未来雄安新区实现100%清洁能源供电、构建智慧生态雄安、服务千年大计提供了解坚强支撑。
拉动内需。国家电网公开表示,2020年特高压建设项目的投资规模达到1811亿元,带动社会投资3600亿元,整体规模近5411亿元。
我国已完全实现特高压关键装备国产化
自从1960年以来,俄罗斯、日本、美国、意大利、加拿大等都已开始研究特高压输电技术所涉及的过压、可听噪声、无线电干扰和生态效应等其它领域的技术,且在世界各地建成了大量特高压实验工程,但到目前为止,受制于经济、政策、地理等因素影响,国外未实现大规模商业化使用。此外,部分国家在运营过程中由于运营效益问题最终导致降压运营或停止运营。
自20世纪80年代开始,中国开始进行特高压技术的研究与探索,2009年建成全球第一条1000千伏特高压输电工程,至2021年底,中国已累计建成28条特高压线路,特高压关键装备已实现100%国产化。
特高压设备市场投资规模达300亿元
特高压市场空间达千亿规模。2016-2018年,我国每年特高压工程建设完成投资600~1000亿元。特高压纳入“新基建”还将进一步带动投资规模。根据国家电网计划,2020年初步安排电网投资4000亿元以上,特高压项目投资可分为设备、铁塔、线缆和基建等投资。
具体来看,2018年,我国先后核准并开工5条特高压重点工程,投资建设规模达658亿元2019年,先后核准并开工2条特高压重点工程,投资建设规模达553亿元2020年,核准并开工“五交两直”共7条特高压重点工程,投资建设规模达919亿元。经初步统计,2021年,中国特高压投资建设规模约为851亿元。
在特高压项目投资中,设备投资约占25~35%,铁塔与线缆投资和特高压线路长度相关,约占30%,基建及其他投资占35%。在直流设备中,换流变压器、换流阀和GIS(气体绝缘金属封闭开关)投资额较大在交流设备中,1000kV GIS、变压器和电抗器投资额较大。
以特高压设备占投资额最规模比重35%测算,2020年特高压设备市场规模为322亿元。经初步统计,2021年特高压设备市场规模约为298亿元。
竞争格局:特变电工占据中国变压器主要市场
——交流特高压设备市场
以中标金额计算,2020年我国交流特高压设备市场中交流变压器主要竞争企业分别为中国西电(30%)、特变电工(35%)和保变电气(30%)GIS主要竞争企业分别为平高电气(45%)、中国西电(30%)和新东北电气(20%)。
注:截止2022年5月26日,未有权威机构统计2021年市占率数据,故以2020年数据分析,下同,不再赘述。
——直流特高压设备市场
以中标金额计算,2020年我国直流特高压设备市场中交流变压器主要竞争企业分别为国电南瑞(50%)、许继电气(30%)和中国西电(15%)换流变压器主要竞争企业分别为特变电工(30%)、中国西电(20%)、保变电气(20%)和山东电力设备(20%)。
—— 以上数据参考前瞻产业研究院《中国特高压设备行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》
特高压输电具有远距离、大容量、低损耗、高效率的优势,建设以特高压电网为骨干网架的坚强智能电网,能够促进大煤电、大水电、大核电、大型可再生能源基地的集约化开发利用。同时,特高压电网可以提升电网抵御突发性事件和严重故障的能力,进一步提高电力系统运行的可靠性和稳定性,使坚强智能电网建设具备坚实的网架基础。
因此,在坚强智能电网建设中,必须以特高压电网为骨干网架,连接大型能源基地及主要负荷中心,以更好地保障国家能源供应和能源安全,满足经济社会快速发展的需要。
推动相关领域的技术创新,促进装备制造和信息通信等行业的技术升级,扩大就业,促进社会经济可持续发展。
实现电网与用户的双向互动,革新电力服务的传统模式,为用户提供更加优质、便捷的服务,提高人民生活质量。
---------------------------------------------------------摘自中国电力教育网的某专题报道
特高压输电是被中国攻克的世界级技术难题,具有效率高、损耗低、占地省、安全性好的特点。能够实现数千公里、千万千瓦级电力输送和跨国、跨洲电网互联。能源互联网发展合作组织发言人张义斌告诉记者,巴西、俄罗斯等金砖国家幅员辽阔,都面临能源资源和负荷中心距离较远的问题,这项技术未来市场广阔。
张义斌全球能源互联网发展合作组织发言人:金砖国家都是发展动力比较足的国家。特别在能源基础设施互联互通方面,需求是比较大的。这些国家现在已经开始研究规划,特高压输电通道这些问题。所以未来前景是非常令人鼓舞的。
基础设施和新能源也是金砖国家的重点合作领域。由中国国家电网公司建设的巴西美丽山水电站的特高压直流送出工程,将巴西北部的水电资源直接输送到东南部的负荷中心,解决了长期困扰巴西远距离能源输送的难题。
马尚巴西驻华大使:我们在巴西北部发电,但是却需要将生产出来的电能输送到南方。其间的距离达到了两三千公里。也只有中国有能力和设备能够实现这一点。因此在能源发展方面,中国和巴西之间能够形成合力。
据介绍,这里是北京的一处特高压实验基地,大家看我身后这个红色设备,是直流电压发生器。它可以将电压升高到 2400千伏,相当于民用电压的多倍。很多特高压设备就是在这样的试验地基完成检测,运往施工现场的。