平圩，面積不到 50 平方公里的安徽小鎮(zhèn)，這個彈丸之地創(chuàng)造了幾個歷史。幾十年前，中國第一臺 60 萬千瓦機組就落戶于平圩電廠，2015 年 4月 16 日，平圩電廠三期擴建的 5 號百萬千瓦機組，創(chuàng)造一次直接升壓至1000 千伏后接入特高壓電網(wǎng)的世界紀錄。
特高壓交流升壓變壓器，無疑是紀錄里含金量最高的部分。 特高壓升壓變是整個特高壓系統(tǒng)的最后一個設(shè)備，也就是說，它的運行讓特高壓形成完整系統(tǒng)。從 2009 年開始，電網(wǎng)方、電源方、設(shè)備制造方、技術(shù)專家等等不同身份的人，把自己的專業(yè)生命投入到特高壓升壓變上，研制過程中不為人知的艱辛與喜悅，成為中國電力工業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的“里子”。之后，電力鏈條上的每個環(huán)節(jié)都因此獲益，成就一個國家讓世界矚目的“面子”。
缺少的一環(huán)
從平圩電廠向外看，不遠處就是麥田，淮阜鐵路距離電廠北面不過十公里，建設(shè)一條輸電線路，需要避讓農(nóng)田、鐵路、建筑物。平圩電廠總經(jīng)理章義發(fā)指點著一條條線路：“三期的百萬機組，我們還在規(guī)劃擴建 4 臺。為電廠后續(xù)擴建預(yù)留空間位置，對電廠意義很大。現(xiàn)在很多新電廠要上，送出走廊線路規(guī)劃不了就很難建。”
通道，是讓大型能源基地發(fā)揮作用的樞紐，也是它們面臨的成長煩惱。
綜合考慮我國電力負荷及電源布局，未來我國將形成大規(guī)模的西部、北部電源基地向中東部負荷中心送電的電力流格局?？紤]中東部用電需要和大氣污染治理要求，經(jīng)計算，到2020 年東中部接受區(qū)外來電將超過 3億千瓦，亟需通過加大大型能源基地集約開發(fā)力度和加快特高壓電網(wǎng)建設(shè)加以落實。
跨區(qū)域能源資源配置的需求巨大，大型能源基地集中送出的輸送走廊緊張、輸送容量受限的問題集中凸顯，必須統(tǒng)籌輸電走廊和路徑，形成電力流優(yōu)化方案和電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整方案。
另一方面，發(fā)電廠向電網(wǎng)送電，需要按照電網(wǎng)的電壓等級建立升壓站。在我國電網(wǎng)主網(wǎng)架電壓為 500 千伏時，發(fā)電廠送出需將發(fā)電機的輸出電壓 22 ～ 27 千伏升壓到 500 千伏。隨著單機百萬千瓦機組的增加和特高壓 1000 千伏輸電線路的建設(shè)，現(xiàn)有的發(fā)電廠送出電壓已不能完全滿足需要。過去，一臺百萬千瓦發(fā)電機組向 1000千伏特高壓電網(wǎng)送電，需要經(jīng)過兩次升壓，即從 27 千伏升壓至 500 千伏，再從 500 千伏升壓至 1000 千伏。
兩次升壓，直觀可見的是送出站需占用的土地使用面積，在無形中增加的是工程造價、電能損耗，不利于資源節(jié)約型、環(huán)境友好型電網(wǎng)發(fā)展，而且多個中間環(huán)節(jié)的存在顯著增加了輸電通道的阻抗，降低了輸送能力。
早在 2009 年，國家電網(wǎng)公司就已經(jīng)前瞻性地關(guān)注這些問題，將特高壓升壓變列為重點科研攻關(guān)項目，并牽頭聯(lián)合電源和設(shè)備企業(yè)協(xié)同攻關(guān)。特變電工沈變副總經(jīng)理鐘俊濤從那時開始參與這項工作。“大家都感到中間缺少一個環(huán)節(jié)，如果每個電源都兩級升壓，從電網(wǎng)運行可靠性和經(jīng)濟性方面考慮，都不是很理想。”鐘俊濤說。
特高壓升壓變壓器屬于電源企業(yè)工作范疇，但國家電網(wǎng)公司積極倡導(dǎo)支持，在立項后馬上組織幾家設(shè)備企業(yè)共同研發(fā)樣機。這一切都來自于推動我國電力工業(yè)發(fā)展的責(zé)任心。
鐘俊濤心里很忐忑，研發(fā)過程中會不會遇到一些難以解決的問題?當時開了幾次會討論，最后形成統(tǒng)一意見，一定要做這件事。這對國家和行業(yè)都意義重大。章義發(fā)說：“這個工作是國家電網(wǎng)公司推動的，我們是抓住了這個機會，大家都有主動的意識，可以說是在探索電力工業(yè)進步、引領(lǐng)技術(shù)方向，大家都愿意做工作。”
做好里子
一個新的電壓等級，一個新的設(shè)備類型，總會面臨很多新的技術(shù)問題。
作為特高壓升壓變壓器技術(shù)研究項目的負責(zé)人，國網(wǎng)電科院副總工程師伍志榮談起項目難點：我國 500 千伏、750 千伏電壓等級均可通過發(fā)電機升壓變壓器一次升壓輸電。500 千伏、750 千伏級發(fā)電機升壓變壓器技術(shù)在我國已經(jīng)成熟。但對于特高壓升壓變來說，由于電壓等級的提高，在型式、結(jié)構(gòu)、參數(shù)技術(shù)方面要求更高，與 500 千伏、750 千伏發(fā)電機升壓變在絕緣水平、過電壓要求等方面也存在著很大的差別。特高壓升壓變在國外僅有蘇聯(lián)曾經(jīng)生產(chǎn)過 4 臺，可供借鑒的經(jīng)驗不多。
實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，除了需要具備突破的勇氣，還得有底氣。國家電網(wǎng)公司交流建設(shè)部王曉寧博士說，特高壓升壓變不是憑空想象出來的，是過去發(fā)電機變壓器成功成果和特高壓交流變壓器研究成果的結(jié)合。500 千伏、750 千伏發(fā)電機升壓變已經(jīng)很成熟，設(shè)計、制造、運行、維護經(jīng)驗有助于特高壓升壓變的研究。已成功投運的特高壓交流變壓器，也為特高壓升壓變的研究打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
從設(shè)計開始，特高壓升壓變就需要解決各種各樣的技術(shù)難題，例如：低壓 27 千伏直升 1000 千伏導(dǎo)致的傳遞過電壓問題特別突出，漏磁和局部過熱的控制難度很大，還有由于工作及短路電流大導(dǎo)致的抗短路問題，以及全新絕緣結(jié)構(gòu)、線圈結(jié)構(gòu)和出線結(jié)構(gòu)等一系列設(shè)計難題。
當電壓等級有一個比較大的飛躍時，實踐中總會出現(xiàn)一些預(yù)想不到的問題。鐘俊濤說：“雖然有預(yù)案，但還是會碰到意料不到的問題。比如局部過熱的問題，電場、磁場強度達到一定量才會發(fā)生，小容量的變壓器就不存在這個問題。但是，究竟達到多大量時才需要考慮呢?這就需要經(jīng)驗積累和大量的實驗數(shù)據(jù)來分析，才能做到。”
多方努力下，2010 年 12 月， 我國自主研制的首臺 400 兆伏安 /1000千伏特高壓交流升壓變壓器在沈陽通過了試驗驗證。這臺特高壓升壓變壓器的額定電壓為 1100 千伏、三相額定容量為 120 萬千伏安，將百萬千瓦級發(fā)電機組的輸出電壓由 27 千伏直接升至 1100 千伏，電壓提高約 40 倍，減少輸電中間環(huán)節(jié)，大幅提高電源的輸電能力。2013 年 2 月，國家核準中電投進行平圩電廠三期擴建，同意采用直接接入特高壓電網(wǎng)方案;2014 年6 月核準國家電網(wǎng)公司建設(shè)平圩電廠1000 千伏交流送出工程，實現(xiàn)超大容量特高壓電源的“直發(fā)直送”。
數(shù)字證明，減少輸電中間環(huán)節(jié)，變壓器總抗阻減少了 37%，電阻減少約 64%，既提高了輸電能力，又降低了電能損耗。
平圩電廠三期項目大容量發(fā)電機組從特高壓線路直接并入特高壓交流電網(wǎng)，通過 600 多公里的特高壓交流線路將淮南火電直送至上海，成功實現(xiàn)了超大容量、特高壓電源的“直發(fā)直送”，全面驗證了電廠直接接入特高壓電網(wǎng)的可行性和可靠性。
賺來的面子
吃了螃蟹的平圩電廠在“直發(fā)直送”成功后更加忙碌，很多電源單位都來調(diào)研，希望也能采用這種模式。章義發(fā)覺得平圩電廠的帶頭示范意義很大。后續(xù)國家層面規(guī)劃九大能源基地，這些電能都要通過特高壓交直流電網(wǎng)送到華北、華中、華東三大電網(wǎng)。“我們電廠采用特高壓升壓變直送，對后續(xù)大型能源基地的送出有重要的示范意義和作用，這個方式將引領(lǐng)一個時代。”章義發(fā)認為，更重要的是，電網(wǎng)聯(lián)接強度增加了，對吸納新能源也十分有意義。整個華東電網(wǎng)的堅強程度、調(diào)度的靈活性、吸納外部電源的容量、運行方式的穩(wěn)定安全，有了本質(zhì)的提高和革命性的變化，而且引領(lǐng)了世界的潮流，是個很好的事情。
電廠一次升壓直接接入特高壓電網(wǎng)的技術(shù)，對促進大型能源基地集約開發(fā)、推動節(jié)能減排具有重大意義。以錫林郭勒大型電源基地為例，與采用二次升壓相比，特高壓升壓變壓器的使用可提高電源送出通道的輸送能力達 20%，相當于增加兩臺百萬千瓦機組的送出能力、增加 450 萬噸煤炭運力，可以節(jié)約兩個輸電走廊，經(jīng)濟社會效益十分顯著。
前期擔心的經(jīng)濟性問題，經(jīng)過測算，直接升壓的相關(guān)設(shè)備成本高于二次升壓，但從電量送出看，與二次升壓比較，直接升壓輸送電量幾乎沒有瓶頸，平圩電廠發(fā)電小時數(shù)大幅提高，發(fā)電廠經(jīng)濟效益非常好，對大型能源基地的外送來說，也有非常好的經(jīng)濟效益。伍志榮說，就像走公路，走省級公路是滿的，高速公路是暢通的。
中國裝備制造業(yè)在國際上影響深遠，電力裝備企業(yè)也感受著前所未有的變化。美國、巴西、韓國，甚至歐洲的市場不斷被打開，英國則直接要求中國的大型電工制造企業(yè)參與他們的設(shè)備投標。
沈變最近在印度市場拿下了 500多臺 750 千伏設(shè)備的訂單。鐘俊濤說：“我們的設(shè)備價格并不是招標企業(yè)里最低的，還是我們在特高壓建設(shè)中的表現(xiàn)，讓印度人對我們有信心。特高壓也讓我們在國際標準組織、學(xué)術(shù)組織的話語權(quán)大大增加了，這跟中國電力工業(yè)的發(fā)展、水平的提高息息相關(guān)。”
