高压电网“守护神”创新记

作者: wy 发表时间：2018-04-27 16:35

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迄今为止，世界上挂网运行电压等级最高、容量最大、响应时间最快、励磁恢复时间最短的220kV超导限流器由天津百利机械装备集团等联合研制并成功挂网运行近两年。该项目核心技术达到国际领先水平，获得6项发明专利，2项实用型专利，堪称是一个世界级的创新成果。超导限流器是保障电网输电安全的关键设备，且看——
　　
2011年9月8日，对于美国南加州人来说是个“黑色星期四”。这一天发生在圣迭戈的大停电，中断了近700万人长达13小时的供电，使整个社会生产和生活陷于瘫痪，造成巨大的经济损失。经分析，这场事故是由电网输电系统的故障引发。由此可见保障电网运行的安全性和可靠性有多么的重要。
　　超导限流器是保障电网输电安全的重要技术措施，电网因它而安，光明因它而在，故有“电网守护神”之称。
　　业内专家称，超导限流器是电网所需部件领域的前沿技术，许多发达国家都在加紧研发这种高新技术和产品。近年，由天津百利机械装备集团主导，联手北京云电英纳超导电缆有限公司、天津市电力公司共同研制的220kV/800A饱和铁心型高温超导限流器，取得了这一全球前沿技术的重大突破。这台设备自2012年底在国家电网天津石各庄变电站挂网运行以来，各项指标完全符合电网设备要求，经鉴定，它是迄今为止世界上挂网运行电压等级最高、容量最大、响应时间最快、励磁恢复时间最短的超导限流器，拥有完全自主知识产权，核心技术达到国际领先水平。
　　电是社会肌体的“血液”，电网安全关系国计民生。了解天津百利装备集团等创新这一成果的由来，对聚力于电力工业现代化乃至民众生活科学化或许有些益处。
　　1、220kV超导限流器何以国际领先
　　超导限流器的研究及应用，标志着一个国家电力工业的发展水平。
　　限流器并不是一个新技术，但有传统型与超导型之分。传统限流器是一个电阻性的元器件串入电网里，在电网没有发生故障时它也要耗能；突发短路故障瞬间电流很大，其响应速度很慢，使电网的安全保证受到局限；而且，限流器电压等级越高其结构也越复杂，体积就越大。超导限流器在正常情况下成零阻抗，耗能小，响应速度快，与普通限流元件相比具有许多优点：（1）动作快，有可能在亚毫秒级的时间内做出反应；（2）可以根据需要将故障电流限制在系统额定电流的两倍左右；（3）它是串联在电力系统中且呈超导状态，因此在正常运行状态下，多数的超导限流器只有极小的功率损失；（4）能自动触发、自动快速复位，集检测、触发、限流于一体；（5）是一种静态的限流器，结构较为简单；（6）当超导限流器连接在几个系统之间并相互通电时，能形成极稳定的电力系统网，保证某一系统发生故障而不至于影响整个系统的正常运行，提高了系统的可靠性。
　　目前，发达国家以及我国都在利用超导技术研究新型限流器。据相关信息考证，自上世纪90年代以来，日本东芝、法国耐克森、德国西门子、美国通用等诸多世界知名的电器制造商以及多家电器研发机构，进行了不断提升电压等级和容量的超导限流器研发。如，1996年ABB瑞士研究中心成功地研制出一台1.2MW三相屏蔽型超导限流器，安装在Lontsch变电站成功试运行近两年。德国Zenergy公司开展了138kV饱和铁心型超导限流器的研制，并将在公用电网运行测试。德国西门子公司研制的12MVA模型已顺利通过实验，目前正在研制12MVA样机。由法国耐克森公司、德国西门子公司和美国超导体公司联合研发的138kV/900A电阻型超导限流器，于2011年10月13日宣布成功进行了电网电压等级的测试，但尚未挂网运行。
　　在我国，中国科学院电工研究所于2005年完成了一台10.5kV/1.5kA桥路型超导限流器并在湖南娄底挂网运行。
　　天津百利装备集团等研制的220kV/800A饱和铁心型高温超导限流器能够达到国际领先水平，还不仅在于它的电压等级最高、容量最大，重要的是在于自主创新的技术专长。其核心技术是，通过改变饱和铁心型高温超导限流器恒定直流磁势为速断直流，绕组采用松耦合结构和铁心不等截面设计等关键技术，解决了一直以来困扰饱和铁心型高温超导限流器的体积重量大、稳态阻抗难以下降和直流励磁回路感应高压冲击等难题，具有与其它超导限流器不同的四个特点：1.电抗系统是饱和铁心型高温超导限流器的主体部分，通过交、直流绕组耦合结构、三相六铁心布局、切断直流电源的限流方式、铁心磁路不等截面及高压绝缘等设计，保证了限流器稳态低阻通流和短路高阻限流的可靠实现。
　　2.直流励磁系统通过对超导绕组骨架优化设计和直流励磁控制回路设计解决了限流器铁心从深度饱和—非饱和—深度饱和的迅速转换的难题。
　　3.制冷系统确保直流励磁系统中超导直流励磁绕组部分处于液氮温区，保证超导限流器正常工作。通过对制冷系统的仿真设计及在线监测设计，提高系统的智能化程度，确保系统运行的可靠性。
　　4.监控保护系统是超导限流器的配套设备，通过实时监控超导限流器的制冷系统的热工参数、直流励磁系统和交流电网中的电气参数，限制电网短路电流，改善电力系统动态稳定性，保障电网以及电力设备的安全稳定运行。此外，监控保护系统还具有数据记录和数据分析等功能，实现遥调、遥测、遥信、遥控等功能，是智能电网实现智能化的重要组成部分。
　　国际上普遍认为，高温超导限流器将是超导技术大规模应用的产品，将最早实现产业化。“十二五”期间，我国发电装机容量约14亿kW，投产110kV及以上线路约46万公里、变电容量约25亿kVA。2009年5月，国家电网公司提出了以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有统一标准的信息化、数字化、自动化和数据集中双向互动化特征的坚强智能电网战略。随着智能电网建设的全面推进，必然要带动与之相对应的是发、输、配、用电设备的快速发展，中国将成为全球最重要的电气设备市场。据中国电器工业协会预测，至2020年国内超导限流器潜在的市场容量逾期超过1500亿元。另据德国Zen鄄ergy公司估算，超导限流器全球市场规模每年将达50亿美元。可见，超导限流器的市场前景十分广阔。
　　2、勇于创新敢担当才能拔得头筹
　　据介绍，早在20世纪70年代国外文献就有了故障限流器的概念。由于该技术研发面临投入大、风险大、阻力大、时间长等问题，很长一个时期人们望而却步。仅就其风险而言，产品试制必须有电力系统的挂网运行支持，这就意味着试制只能成功，不能失败，否则将影响所挂电网的整体运行，甚至是破坏性的。
　　如此背景之下，天津百利装备集团为什么要敢为人先、迎难而上220kV超导限流器这个项目呢？
　　该集团总经理左斌作答简练而深刻：“上这个项目，是国有企业担当经济责任和社会责任的使然，是集团坚持创新驱动、推进产业差异化升级的一项重举。”
　　“没有对创新的执著，没有敢于担当的精神，是不可能做这件事的”，回顾过往左斌总经理感慨颇深。他说，这是集团董事长张文利在这个项目进程中用行动传递给大家最深的感触，很多重要事项的拿捏和疑难问题的攻关，他都是亲自主持，甚至亲力亲为。
　　创新与担当取决于对高新科技的敏感性。早在2005年，天津百利装备集团的决策者就敏锐地关注到超导限流器这一技术热点，与北京云电英纳公司的“海归”研发团队合作，启动这个项目研发。2008年，双方合作的35kV超导限流器完成安装调试并实施挂网，于2009年4月通过了由国内电力知名专家组成的专家委员会的技术鉴定。35kV超导限流器的成功挂网为攻克高电压等级超导限流器技术奠定了基础。220kV超导限流器的研究与开发，被列入国家“863计划”和天津市“20项自主创新产业化重大项目”。
　　创新与担当还有赖于技术创新能力。天津百利装备集团在走向企业化的行进中，整合全系统几十年积淀的各类科技资源成立了集团研究院，在集团子企业建立了3个国家及机械行业标准化技术委员会、2个国家级企业技术中心和17个天津市级企业技术中心。同时，以开放思维建立了博士后工作站、院士工作站以及与国内15所知名院校和科研机构合作的产学研技术创新联盟，构成了由4名院士、10名长江学者及有一流研发成果的70余名专家组成的研发团队，依循利益共享机制驱使知识资本化与技术产业化的紧密结合。
　　天津百利装备集团以这个创新体系为支撑，“十一五”期间先后承接国家重大科技专项、“863计划”、国家高新技术产业化项目以及天津市级科技重大专项70余项，集团以此诸多重大项目带动整体创新，推动集团产业的调结构、上水平、增效益。220kV超导限流器项目，就是由集团研究院牵头组织推动，在国家“863计划”支持下进行的，目前与之相关的两个国家863项目均已通过验收。
　　由于这是一项从零起步的研制，从产品设计到制造工艺，从应用材料到加工制造，每一环节每一步都是“摸着石头过河”，再加上试制一台须投入数千万元资金，研制过程不能缺失挂电网试验等，这些对研制方都形成巨大的无形压力。
　　“创新，必然有风险、必须敢担当。有的工作需要争论，有的只要看准了方向，就要坚定不移地干。”这是左斌总经理的意志和作风，也是合作三方和项目团队的意志和作风，就是凭着这种意志和作风，在历时5年的研制过程中，付出了常人难能的坚韧与奋进。
　　采访中，左斌总经理讲述起2011年年底的一段波折。当时，历时一年多的努力，终于完成了设备制造，在实验室进行的各项试验稳定达标，几经周折、多方通力也终于达成挂网试行共识并确定了时间。然而，操作起来比预期还要复杂艰难。在现场安装试验，鉴于野外安装环境的一些不确定因素，为确保可靠性，必须对核心部件进行升级。这意味着，一方面要继续拿出可观的资金投入，另一方面前期好不容易才成行的挂网安排也前功尽弃。面对进退维谷的局面，集团董事会做出了“不留退路，倒排工期，半年内必须完成升级，2012年年底必须挂网”的决定。
　　随着这个决定的实施，又开始了更为艰苦奋进的轮回。为了确保制造质量和进度，紧急改造车间，增添设备，培训人员；为了保证工期，在零下十几度的野外安装现场，用吹风机吹手取暖，使手指能灵活操作；为了能够顺利挂网，左斌总经理既当指挥者又当操作者，亲自到各有关方面的第一线沟通协调，曾多次被误认为一般办事员。正是各方聚力、克难奋进，成就了这个世界独到的“电网守护神”。该项目获得专利8项，其中发明专利6项，实用新型专利2项，发表论文10篇。
　　科研成果的价值在于产业化。目前，天津百利装备集团拟通过集团旗下上市公司——“百利电气”定向增发方式募集资金，与北京云电英纳合资设立百利云电公司，专门从事220kV及35kV超导限流器的研发及生产。
　　3、专家评说：220kV超导限流器是世界级的创新成果
　　220kV超导限流器研发始于2006年，2012年底成功挂网运行。2011年12月28日，国家科技部高技术中心在天津组织了“220kV/800A饱和铁心型高温超导限流器研究与开发”的课题验收；2014年3月29日，在天津市科学技术委员会主持下，由中国电力科学研究院周孝信院士领衔的专家组对“220kV/800A饱和铁心型高温超导限流器”进行了科技成果鉴定：“项目开发的220kV/800A饱和铁心型超导限流器通过了国家电气设备标准测试，各项指标符合电网设备要求，已经在天津市电力公司石各庄变电站运行一年三个月，是迄今为止世界上挂网运行的电压等级最高、容量最大的超导限流器。项目核心技术达到国际领先水平。”
　　220kV超导限流器的研发及挂网成功，得到业内的关注和首肯。中国电器工业协会智能电网设备工作委员会秘书长王琨称，国际国内研究超导限流器的很多，包括我国中科院在内多是在中压层面或试验室层面，目前，只有天津百利装备集团等三方合作研制的220kV超导限流器真正接入了电网运行。这也说明了三方合作研发的勇气与底气。因为，电压等级越高国家电网对此应用就越慎重，220kV电压等级电网不像35kV电压等级电网，35kV等级电网运行失败只是造成局部损失，220kV电压等级电网一旦带载运行失败会给整个电网带来巨大的损失，像美国加州的大面积停电。从220kV超导限流器的研制、推广来看，前所未有，敢为天下先，称得上是第一个敢吃螃蟹人。
　　中国电器工业协会常务副会长杨启明认为，高温超导技术及其应用将成为21世纪世界科技领域的制高点，更是全球经济新一轮发展的驱动力。超导电力技术是一门有广泛应用和巨大发展潜力的高新技术领域，是当代电工科学与工程重要的研究领域，也是目前国际科技发展的重要前沿。随着电网向超大规模方向发展，社会对电网安全性和稳定性的要求就越高；随着信息技术和微电子技术日益广泛地向工业和人们生活的各个领域中渗透，人们对电能质量的要求越来越高。采用超导限流器是解决以上问题的一个很好的途径。
　　他说，超导限流器的研究及应用将标志着我国电力工业水平又迈上一个新台阶，对电力工业发展具有重大意义。正因此，国家科技部于2006年在“863计划”中设立了《220kV/800A高温超导限流器的研究与开发》课题。据我所知，天津百利装备集团与北京云电英纳超导电缆有限公司、天津市电力公司三方合作，依托国家“863计划”课题，已成功制造出世界第一台220kV饱和铁心型高温超导限流器，并于2012年底成功挂网运行。这台超导限流器不仅是世界上电压等级最高，容量最大，更主要的是技术独到、世界首创，并且具备了产业化的基础。由此说来，220kV饱和铁心型高温超导限流器是名副其实的世界级的创新成果，它标志着我国在超导限流器的研发和制造方面已经达到世界领先水平。