继武广高速铁路正式运营(详见2009年12月15日本版)后,另一条横跨云贵高原的云广±800千伏特高压超级直流输电“超级高速公路”,也宣布全线带电升压成功,实现单极投产。这是世界直流输电史上一次具有标志性意义的事件,引起国际能源界的轰动。世界上首条达800千伏的直流线路在中国建成,标志着我国在世界电力领域成功占领了一个重要的制高点。
国外高度评价其示范意义
特高压直流输电在长距离、大容量输电方面优势明显,是近年国际电力工程的一大热点,更是解决未来经济发达地区日益增长电力需求的关键所在。特高压电网,是指1000千伏交流和±800千伏直流输电网络。如果说500千伏超高压输电线路相当于“高速路”,那么特高压、大容量、低损耗的800千伏直流输电线路,就相当于“超级高速公路”。
云广特高压直流输电工程跨越云南、广西、广东3省,前无经验可循,因而工程建设需要突破诸多技术问题,其中不少属于世界最前沿的技术。除部分换流变压器和直流场设备由德国西门子公司提供外,工程其余设备研制均由国内厂家、机构承担,综合自主化率超过60%。随着云广线输电线路的建成投产,南方电网将形成“八交五直”——共13条500千伏及以上的西电东送大通道,输电能力超过2300万千瓦,对南方地区经济发展的意义不言而喻。
云广线全线带电升压成功,引起了国际能源界的震动。西门子公司、法国能源公司阿海珐公司、美国《传输与配送世界》杂志、美国麻省理工学院的《技术评论》杂志,都在其网站显著位置进行了及时报道。国际媒体在报道时,还联系了最近巴西计划建设的、自东北亚马孙河流域至东南的超长直流输电线路,以及美国、加拿大两国计划中的蒙特利尔—新英格兰直流输电线路,高度评价了云广线的示范意义。
直流电与交流电的百年PK
交流电占据了电力输送的绝大部分份额,几乎成为电力输送的代名词。但在100多年前,用交流电这种“不断变化的怪异电流”供能,几乎是不可想象的,而直流电曾与交流电在电力传输领域一决雌雄,引起两位科技大师的激烈竞争。
很多电器的电源接口上标的DC、AC,分别指直流电和交流电。直流电指单向移动的电荷流,电流只沿一个方向流动,但电流大小可以不固定;交流电则指随时间进行周期性移动的电荷流,电压和电流都呈现周期性变化。
19世纪下半叶,“老实”的直流电是主流,当时主要的电能动力设备——电动机使用的都是直流电。有人试图让电动机使用交流电,结果发现,当电流改变方向时,磁场也改变了强度和方向,因此电动机根本无法运行。但致力于推广直流电供电网络的爱迪生也碰上了难题——长距离输电损耗造成成本上升。
到1882年,当时在爱迪生手下工作的年轻科学家特斯拉,成功造出小型交流电电动机,颠覆了交流电无法供能的结论。爱迪生虽极力阻挠,但已无法阻止在经济性和适用性方面更占优势的交流电,建立直流输电网络的雄心随之破灭。1895年,世界上第一座水力发电站——美国尼亚加拉发电站采用了交流电系统,宣告了交流电对直流电的胜利。
突破瓶颈卷土重来
虽然在与交流电的竞争中输得很惨,但作为曾被天才发明家爱迪生考虑过的输电首选,直流电的优势无法忽视。早时无法铺设直流电输电系统的重要原因是技术水平的阻碍,现代电子技术早已突破了当年的瓶颈,为直流电的卷土重来埋下了伏笔。
为保证大功率和低损耗,长距离输电一般采用超高压输电。1947年,美国贝尔实验室研制出世界上首个晶体管,可方便地应用于增高和降低电压,特别是对平稳的直流电犹为便利,大大降低了输电成本。
交流电的缺陷,在一些特殊场合让直流电钻了空子。交流输电线一般是架空线,但跨过海峡时要用水下电缆,穿过人口密集的城市时又要用地下电缆。水和大地都是导体,它们和电缆产生的“旁路电容”作用,将交流电“分流”掉了——就像水渠旁多了条支路,支路把流得快的水流拉过来,这样水的流动就受了影响。交流电的电流信号分为高频成分和低频成分,其中高频成分就相当于“流得快的水”。并且这个分流作用随着电缆增长而增大,最终可能大到交流电几乎送不出去的程度。这时交流输电已无实际意义,直流电成为惟一的选择,因为直流电十分稳定,没有“快慢”之差,旁路电容对它没有影响。
直流电目前仍是“替补”
直流电的最大优势是简单易行。交流电的电压和电流不断随时间变化,易出现较难驾驭的情况,如交变电场产生的电磁辐射会对周边环境造成很大影响。总的来说,交流电需要精确控制的因素比直流电多得多,在一定程度上也造成了电网的复杂性和不易控制性。
相比之下,直流电的优势主要有以下方面:
1.线路造价低:对于架空线路,交流输电通常采用3根导线,而直流单极只需1根,双极只需两根,更为经济,因此采用直流电缆的大城市越来越多。
2.损耗小:直流线路没有无功损耗。而且直流架空线路没有“趋肤效应”(交变电流通过导体时,电流集中在导体表面流过的效应),其电晕损耗(由气体介质造成的损耗)和无线电干扰,均比交流架空线路要小。
3.电网运行更稳定:直流本身带有调制功能,可根据系统的要求作出反应,运行更稳定。
目前直流输电仍存在成本过高的问题。现代的直流输电,只在输电这个环节是直流,发电仍是交流,可以说,直流电仍是交流电的“替补”。在输电线路的起端有换流设备将交流变换为直流,到线路末端再将直流变回交流。目前这种换流设备存在制造难、价格高等问题,有待研究解决。另外,直流输电还存在如直流断路器复杂、庞大等的技术问题。未来随着这些问题的解决,直流输电的地位有望进一步提高。
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