特高压升压变折射的里子和面子

电力18讯：    
　　平圩，面积不到 50 平方公里的安徽小镇，这个弹丸之地创造了几个历史。几十年前，中国第一台 60 万千瓦机组就落户于平圩电厂，2015 年 4月 16 日，平圩电厂三期扩建的 5 号百万千瓦机组，创造一次直接升压至1000 千伏后接入特高压电网的世界纪录。特高压交流升压变压器，无疑是纪录里含金量最高的部分。

　　特高压升压变是整个特高压系统的最后一个设备，也就是说，它的运行让特高压形成完整系统。从 2009 年开始，电网方、电源方、设备制造方、技术专家等等不同身份的人，把自己的专业生命投入到特高压升压变上，研制过程中不为人知的艰辛与喜悦，成为中国电力工业创新发展的“里子”。之后，电力链条上的每个环节都因此获益，成就一个国家让世界瞩目的“面子”。

　　缺少的一环

　　从平圩电厂向外看，不远处就是麦田，淮阜铁路距离电厂北面不过十公里，建设一条输电线路，需要避让农田、铁路、建筑物。平圩电厂总经理章义发指点着一条条线路：“三期的百万机组，我们还在规划扩建 4 台。为电厂后续扩建预留空间位置，对电厂意义很大。现在很多新电厂要上，送出走廊线路规划不了就很难建。”

　　通道，是让大型能源基地发挥作用的枢纽，也是它们面临的成长烦恼。

　　综合考虑我国电力负荷及电源布局，未来我国将形成大规模的西部、北部电源基地向中东部负荷中心送电的电力流格局。考虑中东部用电需要和大气污染治理要求，经计算，到2020 年东中部接受区外来电将超过 3亿千瓦，亟需通过加大大型能源基地集约开发力度和加快特高压电网建设加以落实。

　　跨区域能源资源配置的需求巨大，大型能源基地集中送出的输送走廊紧张、输送容量受限的问题集中凸显，必须统筹输电走廊和路径，形成电力流优化方案和电源结构优化调整方案。

　　另一方面，发电厂向电网送电，需要按照电网的电压等级建立升压站。在我国电网主网架电压为 500 千伏时，发电厂送出需将发电机的输出电压 22 ～ 27 千伏升压到 500 千伏。随着单机百万千瓦机组的增加和特高压 1000 千伏输电线路的建设，现有的发电厂送出电压已不能完全满足需要。过去，一台百万千瓦发电机组向 1000千伏特高压电网送电，需要经过两次升压，即从 27 千伏升压至 500 千伏，再从 500 千伏升压至 1000 千伏。

　　两次升压，直观可见的是送出站需占用的土地使用面积，在无形中增加的是工程造价、电能损耗，不利于资源节约型、环境友好型电网发展，而且多个中间环节的存在显著增加了输电通道的阻抗，降低了输送能力。

　　早在 2009 年，国家电网公司就已经前瞻性地关注这些问题，将特高压升压变列为重点科研攻关项目，并牵头联合电源和设备企业协同攻关。特变电工沈变副总经理钟俊涛从那时开始参与这项工作。“大家都感到中间缺少一个环节，如果每个电源都两级升压，从电网运行可靠性和经济性方面考虑，都不是很理想。”钟俊涛说。

　　特高压升压变压器属于电源企业工作范畴，但国家电网公司积极倡导支持，在立项后马上组织几家设备企业共同研发样机。这一切都来自于推动我国电力工业发展的责任心。

　　钟俊涛心里很忐忑，研发过程中会不会遇到一些难以解决的问题?当时开了几次会讨论，最后形成统一意见，一定要做这件事。这对国家和行业都意义重大。章义发说：“这个工作是国家电网公司推动的，我们是抓住了这个机会，大家都有主动的意识，可以说是在探索电力工业进步、引领技术方向，大家都愿意做工作。”

　　做好里子

　　一个新的电压等级，一个新的设备类型，总会面临很多新的技术问题。

　　作为特高压升压变压器技术研究项目的负责人，国网电科院副总工程师伍志荣谈起项目难点：我国 500 千伏、750 千伏电压等级均可通过发电机升压变压器一次升压输电。500 千伏、750 千伏级发电机升压变压器技术在我国已经成熟。但对于特高压升压变来说，由于电压等级的提高，在型式、结构、参数技术方面要求更高，与 500 千伏、750 千伏发电机升压变在绝缘水平、过电压要求等方面也存在着很大的差别。特高压升压变在国外仅有苏联曾经生产过 4 台，可供借鉴的经验不多。

　　实现技术创新，除了需要具备突破的勇气，还得有底气。国家电网公司交流建设部王晓宁博士说，特高压升压变不是凭空想象出来的，是过去发电机变压器成功成果和特高压交流变压器研究成果的结合。500 千伏、750 千伏发电机升压变已经很成熟，设计、制造、运行、维护经验有助于特高压升压变的研究。已成功投运的特高压交流变压器，也为特高压升压变的研究打下了坚实的技术基础。

　　从设计开始，特高压升压变就需要解决各种各样的技术难题，例如：低压 27 千伏直升 1000 千伏导致的传递过电压问题特别突出，漏磁和局部过热的控制难度很大，还有由于工作及短路电流大导致的抗短路问题，以及全新绝缘结构、线圈结构和出线结构等一系列设计难题。

　　当电压等级有一个比较大的飞跃时，实践中总会出现一些预想不到的问题。钟俊涛说：“虽然有预案，但还是会碰到意料不到的问题。比如局部过热的问题，电场、磁场强度达到一定量才会发生，小容量的变压器就不存在这个问题。但是，究竟达到多大量时才需要考虑呢?这就需要经验积累和大量的实验数据来分析，才能做到。”

　　多方努力下，2010 年 12 月， 我国自主研制的首台 400 兆伏安 /1000千伏特高压交流升压变压器在沈阳通过了试验验证。这台特高压升压变压器的额定电压为 1100 千伏、三相额定容量为 120 万千伏安，将百万千瓦级发电机组的输出电压由 27 千伏直接升至 1100 千伏，电压提高约 40 倍，减少输电中间环节，大幅提高电源的输电能力。2013 年 2 月，国家核准中电投进行平圩电厂三期扩建，同意采用直接接入特高压电网方案;2014 年6 月核准国家电网公司建设平圩电厂1000 千伏交流送出工程，实现超大容量特高压电源的“直发直送”。

　　数字证明，减少输电中间环节，变压器总抗阻减少了 37%，电阻减少约 64%，既提高了输电能力，又降低了电能损耗。

　　平圩电厂三期项目大容量发电机组从特高压线路直接并入特高压交流电网，通过 600 多公里的特高压交流线路将淮南火电直送至上海，成功实现了超大容量、特高压电源的“直发直送”，全面验证了电厂直接接入特高压电网的可行性和可靠性。

　　赚来的面子

　　吃了螃蟹的平圩电厂在“直发直送”成功后更加忙碌，很多电源单位都来调研，希望也能采用这种模式。章义发觉得平圩电厂的带头示范意义很大。后续国家层面规划九大能源基地，这些电能都要通过特高压交直流电网送到华北、华中、华东三大电网。“我们电厂采用特高压升压变直送，对后续大型能源基地的送出有重要的示范意义和作用，这个方式将引领一个时代。”章义发认为，更重要的是，电网联接强度增加了，对吸纳新能源也十分有意义。整个华东电网的坚强程度、调度的灵活性、吸纳外部电源的容量、运行方式的稳定安全，有了本质的提高和革命性的变化，而且引领了世界的潮流，是个很好的事情。

　　电厂一次升压直接接入特高压电网的技术，对促进大型能源基地集约开发、推动节能减排具有重大意义。以锡林郭勒大型电源基地为例，与采用二次升压相比，特高压升压变压器的使用可提高电源送出通道的输送能力达 20%，相当于增加两台百万千瓦机组的送出能力、增加 450 万吨煤炭运力，可以节约两个输电走廊，经济社会效益十分显著。

　　前期担心的经济性问题，经过测算，直接升压的相关设备成本高于二次升压，但从电量送出看，与二次升压比较，直接升压输送电量几乎没有瓶颈，平圩电厂发电小时数大幅提高，发电厂经济效益非常好，对大型能源基地的外送来说，也有非常好的经济效益。伍志荣说，就像走公路，走省级公路是满的，高速公路是畅通的。

　　中国装备制造业在国际上影响深远，电力装备企业也感受着前所未有的变化。美国、巴西、韩国，甚至欧洲的市场不断被打开，英国则直接要求中国的大型电工制造企业参与他们的设备投标。

　　沈变最近在印度市场拿下了 500多台 750 千伏设备的订单。钟俊涛说：“我们的设备价格并不是招标企业里最低的，还是我们在特高压建设中的表现，让印度人对我们有信心。特高压也让我们在国际标准组织、学术组织的话语权大大增加了，这跟中国电力工业的发展、水平的提高息息相关。”