世界首個(gè)±800kV/4750A特高壓直流換流閥自主研發(fā)紀(jì)實(shí)
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發(fā)布時(shí)間：2021-12-17
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山登絕頂我為峰
——世界首個(gè)±800kV/4750A特高壓直流換流閥自主研發(fā)紀(jì)實(shí)
6月30日，國(guó)家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)電力電子實(shí)驗(yàn)室控制室內(nèi)，試驗(yàn)員偶樂(lè)輕聲地讀數(shù)，牽動(dòng)著現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)人的心跳。包括中國(guó)科學(xué)院院士周孝信、中國(guó)工程院院士李立浧、楊奇遜、陳予恕、朱英浩、雷清泉、鄭健超在內(nèi)等13名專家屏息凝視在懸在半空中的一座10余米高的巨型設(shè)備，這是中國(guó)電科院自主研發(fā)的世界首個(gè)±800千伏/4750安特高壓直流換流閥正在進(jìn)行最關(guān)鍵的型式試驗(yàn)——單閥非周期觸發(fā)試驗(yàn)。
4天前，該閥已在國(guó)家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)電力電子實(shí)驗(yàn)室順利通過(guò)全部型式試驗(yàn)，通流能力和電壓等級(jí)均創(chuàng)造了世界之最，并通過(guò)世界權(quán)威電力試驗(yàn)認(rèn)證機(jī)構(gòu)KEMA(荷蘭電力試驗(yàn)所)的認(rèn)證。此次重復(fù)試驗(yàn)，將有力證明自主創(chuàng)新的換流閥不但具有不輸于國(guó)外同類產(chǎn)品的品質(zhì)，而且具有同樣高的穩(wěn)定性和可靠性。
“波頭峰值1714千伏，波頭時(shí)間259微秒，波尾時(shí)間2498微秒，多重閥操作沖擊試驗(yàn)勝利完成!”試驗(yàn)員的聲音不高，卻引發(fā)了實(shí)驗(yàn)室里一片沸騰。這個(gè)試驗(yàn)的再次成功，標(biāo)志著中國(guó)電科院已掌握了世界上最尖端的輸電技術(shù)，用行動(dòng)踐行了李榮融在2010年中央企業(yè)科技工作會(huì)議上提出的“中央企業(yè)必須在提升自主創(chuàng)新能力方面發(fā)揮表率示范作用;必須在加快提升自主創(chuàng)新能力中發(fā)揮引領(lǐng)帶動(dòng)作用;必須在加快提升自主創(chuàng)新能力中發(fā)揮骨干中堅(jiān)作用”。
鄭健超院士指出，“型式試驗(yàn)的圓滿完成，標(biāo)志著我國(guó)對(duì)于±800千伏/4750安直流換流閥技術(shù)的研發(fā)已獲成功，我國(guó)再一次占領(lǐng)了世界電力電子高端技術(shù)領(lǐng)域的制高點(diǎn)，從此打破了跨國(guó)公司的技術(shù)壟斷。”
“爭(zhēng)氣閥”的來(lái)歷
相較于交流輸電，直流輸電在遠(yuǎn)距離輸電方面受到同步運(yùn)行穩(wěn)定性的限制更少，十分有利于大電網(wǎng)的安全。而直流輸電最關(guān)鍵的設(shè)備就是直流換流閥。什么是直流換流閥?眾所周知，發(fā)電廠送出交流電，百姓生產(chǎn)生活用的也是交流電。而要輸送直流電，就要先把交流電轉(zhuǎn)換成為直流電，在進(jìn)入千家萬(wàn)戶前，再把直流電轉(zhuǎn)換為交流電。實(shí)現(xiàn)這一功能的設(shè)備，就是直流換流閥。它位于直流輸電工程的兩端，堪稱直流輸電的“心臟”，沒(méi)有它，直流輸電就無(wú)從談起。
20年前，當(dāng)我國(guó)第一條直流線路系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，設(shè)備上的國(guó)外品牌，深深刺痛了當(dāng)時(shí)奮戰(zhàn)在調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)的中國(guó)電科院高電壓領(lǐng)域眾多專家的自尊心——作為國(guó)內(nèi)業(yè)界歷史最悠久，最權(quán)威的研究機(jī)構(gòu)，新中國(guó)成立以來(lái)，中國(guó)電科院承擔(dān)了我國(guó)電力工業(yè)史上每一項(xiàng)標(biāo)志性工程的調(diào)試任務(wù)和大量科研項(xiàng)目，可是當(dāng)時(shí)，卻不得不低頭承認(rèn)這一現(xiàn)實(shí)——在直流輸電領(lǐng)域，我們技不如人!自1954年世界上第一條高壓直流輸電線路投入商業(yè)運(yùn)行以來(lái)，西方國(guó)家經(jīng)過(guò)了幾十年的經(jīng)驗(yàn)積累，可是我國(guó)的高壓直流輸電技術(shù)研究還處于初級(jí)階段。
也就是從那時(shí)起，掌握這項(xiàng)技術(shù)的跨國(guó)公司一直把持著這項(xiàng)技術(shù)賺取超額利潤(rùn)。一條直流工程，設(shè)備投資的近一半都要花在直流換流閥上。還不止于此，“你要買換流閥?好，就連換流站內(nèi)地磚、草皮都要打包一塊買”。那么技術(shù)引進(jìn)，我們花錢買技術(shù)可以么?答復(fù)是：“NO”!直流換流閥技術(shù)是他們手中王牌中的王牌，是一只會(huì)下金蛋的雞。出售核心技術(shù)，無(wú)異于殺雞取卵。
為了保護(hù)這項(xiàng)技術(shù)，幾家互為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的跨國(guó)公司步調(diào)竟難得一致：不在核心期刊發(fā)表相關(guān)技術(shù)文章;不發(fā)布任何產(chǎn)品的技術(shù)資料和細(xì)節(jié)圖片;出廠的產(chǎn)品都要蒙上厚厚的包裝;甚至為換流閥做試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室，都被采取了極其嚴(yán)格的保密措施。
“在我們的實(shí)驗(yàn)室建成前，世界上只有兩個(gè)同類實(shí)驗(yàn)室可以做換流閥的型式試驗(yàn)，做一次試驗(yàn)?zāi)阒酪嗌馘X?”中國(guó)電科院的魏博士笑著伸出兩個(gè)手指：“200萬(wàn)?”這已經(jīng)是記者認(rèn)定的極限價(jià)格。魏博士笑著擺了擺手：“你們少猜了一個(gè)零，是2000萬(wàn)人民幣!”
“摧鋒于正銳，挽瀾于極?！?。一定要攻克這道直流輸電技術(shù)難題，為中國(guó)人爭(zhēng)這口氣。這就是自主研發(fā)的直流換流閥的別名——“爭(zhēng)氣閥”的來(lái)歷。
強(qiáng)大引擎開(kāi)動(dòng)
作為一項(xiàng)集電力系統(tǒng)分析、大功率電力電子技術(shù)、高電壓技術(shù)、機(jī)械工程、熱學(xué)等十多個(gè)學(xué)科為一體工程技術(shù)，直流輸電技術(shù)的綜合性極強(qiáng)，復(fù)雜程度極高。而基于特高壓大功率晶閘管串聯(lián)技術(shù)的特高壓直流換流閥技術(shù)，又是其中最難跨越的一道深壑。
一代又一代電力科研人員為了攻克這一難題，漚心瀝血，廢寢忘食?！叭绻袊?guó)電科院不能研發(fā)，國(guó)內(nèi)就再?zèng)]有誰(shuí)能做了?！敝袊?guó)電科院副總工程師湯廣福自豪地說(shuō)。
作為我國(guó)電力行業(yè)多學(xué)科、綜合性的科研企業(yè)，中國(guó)電科院的研究范圍涵蓋電力科學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的各個(gè)方面，擁有11個(gè)研究所、12個(gè)產(chǎn)業(yè)公司、9個(gè)部級(jí)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心、1個(gè)研究生部、1個(gè)博士后流動(dòng)站、1個(gè)博士后工作站，輔以39個(gè)主要實(shí)驗(yàn)室。擁有如此強(qiáng)大的科研產(chǎn)業(yè)實(shí)力，要解決直流換流閥的這道世界性難題，確實(shí)是舍我其誰(shuí)。
那么，下一個(gè)問(wèn)題就是，引進(jìn)技術(shù)還是自主研發(fā)呢?“我們一開(kāi)始也想分步走，走引進(jìn)消化吸收的技術(shù)路線，嘗試著和三個(gè)跨國(guó)公司都接觸過(guò)。兩家產(chǎn)品已進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的公司十分忌憚與中國(guó)電科院合作，因?yàn)樗麄兞私馕覀兊难邪l(fā)實(shí)力，生怕他們的拳頭技術(shù)被我們學(xué)走!”湯廣?？嘈χf(shuō)，“另一家公司同意與我們合作，但合同執(zhí)行了一半就沒(méi)有下文了，技術(shù)圖紙一張也沒(méi)給過(guò)我們。那么，我們干脆甩開(kāi)他們，做自己的核心技術(shù)!”
實(shí)踐證明，這條路走得正確。在過(guò)去的20年中，通過(guò)中外合資的方式，國(guó)內(nèi)某些行業(yè)將90%的市場(chǎng)拱手相讓，但絕大部分合資企業(yè)卻并沒(méi)有真正研發(fā)出屬于自己的核心技術(shù)，而且花費(fèi)了巨額資金。
“我們換來(lái)的不是先進(jìn)技術(shù)，而是進(jìn)入成熟期、衰退期，甚至馬上就要淘汰的技術(shù)。”科技部的一位專家一語(yǔ)道破天機(jī)。要想贏得先機(jī)、占領(lǐng)制高點(diǎn)，自主創(chuàng)新是擺在中國(guó)電科院人面前的唯一選擇。
“我們中國(guó)電科院，要干就要干最好的!”從年青的科研團(tuán)隊(duì)身上，我們看到了老一輩科研人員一脈相承的倔強(qiáng)氣質(zhì)。此時(shí)，中國(guó)電科院全院?jiǎn)T工都信念堅(jiān)定，要盡快搶占特高壓直流換流閥這個(gè)輸電工程關(guān)鍵技術(shù)、重大設(shè)備研發(fā)的制高點(diǎn)。只有登上這座高峰，我國(guó)才能打破國(guó)外的技術(shù)封鎖，展現(xiàn)一片廣闊的新天地。
一臺(tái)中國(guó)電力科學(xué)界最為強(qiáng)勁的引擎發(fā)出了隆隆轟鳴，向著世界電力最高峰發(fā)起了沖擊。
終點(diǎn)即是起點(diǎn)
憑借多年在電力系統(tǒng)和高電壓領(lǐng)域的深厚積淀，憑借著國(guó)內(nèi)唯一擁有研發(fā)、制造自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)可控串補(bǔ)等大功率電力電子產(chǎn)品的寶貴經(jīng)驗(yàn)，短短的一年半時(shí)間內(nèi)，中國(guó)電科院順利完成了“爭(zhēng)氣閥”的研發(fā)。
“大家沒(méi)有周末，甚至沒(méi)有黑白天。領(lǐng)導(dǎo)身先士卒，誰(shuí)還能夠躲在后面拖后腿!我們搶出的是別人吃飯睡覺(jué)的時(shí)間!”就是憑著這一股子勁頭，年輕的科研團(tuán)隊(duì)完成了令人瞠目的壯舉。
“爭(zhēng)氣閥”的研發(fā)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)軍人物、中國(guó)電科院副院長(zhǎng)邱宇峰以及副總工程師湯廣福卻有著更深的感受，“豈止是一年半?自主創(chuàng)新，是在中國(guó)電科院幾十年的科研功力和經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上完成的，不是一蹴而就，更不是平地起樓。”中國(guó)電科院是國(guó)內(nèi)最早從事直流輸電技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)的科研單位之一，在直流輸電系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、仿真與調(diào)試等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)在柔性交流輸電技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化和應(yīng)用推廣進(jìn)程中，在高壓串聯(lián)晶閘管閥的研究、分析、設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)及試驗(yàn)等一系列核心技術(shù)方面也取得重大突破，此外還擁有完整的專業(yè)人才隊(duì)伍，負(fù)責(zé)建設(shè)和運(yùn)維特高壓直流試驗(yàn)基地和具有世界領(lǐng)先水平的大功率電力電子試驗(yàn)室。所有這一切，都為直流輸電換流閥研制和示范項(xiàng)目的成功實(shí)施打下了良好的基礎(chǔ)。
在“爭(zhēng)氣閥”的研發(fā)過(guò)程中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)全面建設(shè)直流輸電換流閥基礎(chǔ)理論、成套設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)和關(guān)鍵設(shè)備研制、集成技術(shù)、試驗(yàn)技術(shù)等研究與開(kāi)發(fā)平臺(tái)，掌握了直流輸電換流閥的一系列核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了直流輸電核心技術(shù)瓶頸的重點(diǎn)突破。
“爭(zhēng)氣閥”在技術(shù)上擁有國(guó)外產(chǎn)品無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。一位核心科研人員向我們一一例舉。首先，它擁±800千伏/4750安的電壓等級(jí)和通流能力，超越了國(guó)外同類產(chǎn)品?！皳Q流閥就相當(dāng)于一座水壩，能承受的電壓大小決定了水壩的蓄水高度，耐受的電流大小則與水壩的泄洪量密切相關(guān)。其所承受的高電壓代表其極高的蓄水高度，也就意味著比其他換流閥在能量傳輸上距離更遠(yuǎn)，在相同距離上損耗更小。它所耐受的大電流，則代表其具有更大泄洪容量，也就意味著能輸送更多能量。同時(shí)，由于電壓、電流的提高，在整個(gè)能源流經(jīng)的路徑上，還能極大地節(jié)約線路走廊資源?！?/P>
其次，特高壓直流換流閥擁有9級(jí)壓裝式TCA(晶閘管壓裝集成)，一般來(lái)說(shuō)，常規(guī)TCA壓裝是6級(jí)，也就是一個(gè)TCA由6個(gè)晶閘管壓裝而成。與傳統(tǒng)相比，9級(jí)壓裝式TCA將減少并聯(lián)的數(shù)量，能有效將閥模塊體積縮小50%，使整個(gè)閥塔得到整體優(yōu)化，結(jié)構(gòu)更加緊湊、占地更少，并且可靠性更高。
再次，它的水冷電阻一體化設(shè)計(jì)和飽和電抗器分體設(shè)計(jì)更是中國(guó)電科院的獨(dú)門絕技：將水冷系統(tǒng)與電阻合二為一，使換流閥結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，可靠性更高，性能更優(yōu)越。這相當(dāng)于把兩個(gè)部件合成為一個(gè)，部件數(shù)量減少了，自然結(jié)構(gòu)更明了，造成安全隱患的環(huán)節(jié)減少了，從而具有更高的穩(wěn)定性。而分體的飽和電抗器就相當(dāng)于電腦的“雙核”，能使換流閥具有更大的兼容性，不僅能滿足特高壓的工程需求，而且具有向下兼容能力，能覆蓋更多電壓、電流等級(jí)工程需要。一位設(shè)計(jì)人員解釋說(shuō)，換流閥是高精尖的產(chǎn)品，生產(chǎn)成本較高，為了不造成浪費(fèi)，科研人員在設(shè)計(jì)之初就對(duì)兼容問(wèn)題進(jìn)行了考慮，不僅提高產(chǎn)品利用率，而且使整個(gè)閥模塊更加勻稱美觀。
而“爭(zhēng)氣閥”可靠性更是無(wú)人能出其右。按照行業(yè)規(guī)定，特高壓直流換流閥的使用壽命是35年，按照國(guó)際大電網(wǎng)規(guī)定，兩年才能單極閉鎖一次，十年才能雙極閉鎖一次。試驗(yàn)證明，“爭(zhēng)氣閥”的穩(wěn)定性經(jīng)得起現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的檢驗(yàn)。
“爭(zhēng)氣閥”進(jìn)入市場(chǎng)后，預(yù)計(jì)將在十年內(nèi)整體降低我國(guó)直流輸電建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用百億元，不但為直流輸電技術(shù)在我國(guó)的推廣應(yīng)用鋪平了道路，而且將會(huì)打破跨國(guó)公司的國(guó)際壟斷地位，為中國(guó)人爭(zhēng)得輸電領(lǐng)域高端市場(chǎng)贏得一席之地。
資料：國(guó)內(nèi)外換流閥的發(fā)展
汞弧閥換流時(shí)期
1901年 發(fā)明汞弧整流管，但只能用于整流，而不能進(jìn)行逆變。
1928年 具有柵極控制能力的汞弧閥研制成功，不但可用于整流，也解決了逆變問(wèn)題，它的問(wèn)世使直流輸電成為現(xiàn)實(shí)。
1954年 世界第一個(gè)工業(yè)性直流工程——果特蘭島直流工程在瑞典投入運(yùn)行。
1977年 最后一個(gè)采用汞弧閥換流的直流工程投入運(yùn)行。這個(gè)時(shí)期被稱為汞弧換流時(shí)期。
汞弧閥制造技術(shù)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、逆弧故障率高，可靠性較低、運(yùn)行維護(hù)不便，使直流輸電的發(fā)展受到限制。
晶閘管閥換流時(shí)期
上世紀(jì)70年代以后，電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，高壓大功率晶閘管問(wèn)世，晶閘管換流閥和微機(jī)控制技術(shù)在直流工程中的應(yīng)用，有效地改善了直流輸電的運(yùn)行性能和可靠性，促進(jìn)了直流輸電技術(shù)的發(fā)展。晶閘管換流閥取代了汞弧閥，在此期間，微機(jī)控制和保護(hù)、光電傳輸技術(shù)、水冷技術(shù)、氧化鋅避雷器等新技術(shù)，在直流輸電工程中也得到了廣泛應(yīng)用，促使直流輸電技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展。
1970年 瑞典首先在果特蘭島直流擴(kuò)建中試驗(yàn)采用晶閘管換流閥。
1972年 世界上第一個(gè)采用晶閘管換流的伊爾河背靠背直流工程在加拿大投入運(yùn)行。
換流閥技術(shù)在中國(guó)
中國(guó)的直流輸電是在1985年考慮長(zhǎng)江三峽水利資源開(kāi)發(fā)以及三峽電站的電力外送問(wèn)題時(shí)提出的。
1963年 中國(guó)電科院便建成1000伏/5安的直流輸電物理模擬裝置，并利用該裝置開(kāi)始了對(duì)直流輸電換流技術(shù)及控制保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行初步的研究。
上世紀(jì)70年代以后，中國(guó)電科院用晶閘管替換原來(lái)的閘流管并采用了數(shù)字式的控制保護(hù)系統(tǒng)。雖然起步較晚，但中國(guó)直流輸電跨越了汞弧閥換流時(shí)代，直接從晶閘管換流閥開(kāi)始，并同時(shí)對(duì)直流輸電的其他設(shè)備也進(jìn)行了試制。
1989年 我國(guó)第一條直流工程——葛滬工程正式投運(yùn)，全部設(shè)備外包。由瑞士BBC作為總承包，德國(guó)西門子提供南橋站全部一次設(shè)備。
2004年 我國(guó)第一個(gè)背靠背直流工程，同時(shí)又是一個(gè)直流設(shè)備國(guó)產(chǎn)化示范工程——靈寶背靠背直流工程順利建成，標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)逐漸成為世界上運(yùn)行直流工程數(shù)量最多、容量最大、線路最長(zhǎng)的直流輸電大國(guó)。靈寶工程的換流閥由中國(guó)電科院生產(chǎn)制造，目前各項(xiàng)性能良好。
2010年 寧東-山東±660千伏直流項(xiàng)目換流閥由中國(guó)電科院制成，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)僅用68天完成世界首個(gè)±660kV直流換流閥全部型式試驗(yàn)。
2010年 中國(guó)電科院研制的世界上電壓等級(jí)最高、通流能力最大的±800千伏/4750安特高直流換流閥順利完成全部型式試驗(yàn)。
