一口气跑三千公里，这可能吗？

微信"siemensfm1847"，加入听友群，发现更多精彩！咨询西门子业务，请拨打400-616-2020主持人：西门子调频1847的听众朋友们，大家好！欢迎收听本期《科技不怕问》。可能许多人都跑过马拉松，不管是半马还是全马，反正我是真心佩服那些能在长跑中坚持下来的同学们。我记得当初我跑个800米就已经是痛不欲生了……几十公里的长跑已经是在挑战体能极限，如果一口气跑3000公里呢？今天咱们就来聊聊能一口气跑3000公里的高压直流输电，也就是HVDC。为此，我们特别请到了西门子中国油气与电力集团广州西门子变压器有限公司高压直流输电大客户经理肖璧田来节目做客。璧田，你好！肖璧田：主持人好，各位听众好！非常荣幸能与大家分享什么是高压直流输电。主持人：好的，既然咱们要聊高压直流输电，不妨就从最最基础的概念聊起。不知道能不能请璧田先跟我们讲讲什么是高压直流输电，它又为什么会出现呢？肖璧田：高压直流输电是将三相交流电通过换流站整流成直流电，然后通过直流输电线路送往另外一个换流站，再逆变成三相交流电的输电方式。高压直流输电线路基本上由两个换流站和直流输电线路组成，两个换流站与两端的交流系统相连接。高压直流输电系统可以通过架空线或海底电缆远距离输送电能。同时，在一些不适合使用传统交流连接的场合，它也可以用于独立电力系统间的连接。应用高压直流输电系统，电能等级和方向均能得到快速、精确的控制。高压直流输电系统用于远距离和超远距离输电，是因为它相对于传统的交流输电更经济。如果从投资的角度上来看，在输电系统中，对变电和线路两部分的投资所占的比重是非常大的。在直流输电系统中，对换流站的投资比重比较大，而在交流输电系统中，对输电线路的投资比重会比较大。那么，在同样的输电距离下，怎样去评估到底是用直流输电还是用交流输电呢？这个是工程在做初步预算和调研的时候需要去评估的。在超过一定距离时，采用直流输电会更经济，而当小于一定距离时，采用交流输电会更有利。通常我们在业内有一个认识，当输电距离超过600到800公里时，用直流输电就会比较经济，而如果线路长度只有40到60公里，或100到200公里的时候，交流输电相对就会更经济。除了输电距离与投资成本外，输送功率也是要考核的一个重要因素。当输送功率非常大时，交流输电往往会采用增加回路的方法。其实，如果大家去数一数路边铁塔上面挂的电线的数量，基本上在一股里面有四根线的，一般都是500千伏输电，两根线的就是220千伏输电，而通常110千伏输电都是一根线。对交流输电来说，输送功率大了，除了要增加很多回路外，还要同时增加很多电气设备，代价昂贵。而直流输电则是采用提高电压以及加大导线面积的方法。我们以前学物理的时候应该了解过，导线的横截面积越大时，它能传输的功率就越大。那么，可能有人就会问，在什么样的功率下，我们会采用直流输电，而在什么情况下，我们会采用交流输电呢？一般来说，在国内，当功率低于1000兆伏安时，我们经常会采用交流输电。而如果功率高于1000兆伏安，比如在我们与国家电网和南方电网等客户的合作项目中，功率达到8000兆伏安到10000兆伏安，甚至有时在国家电网的项目中输电功率达到12000兆伏安的时候，通常就会采用直流输电。另外一个需要考量的因素可能会比较专业一点，那就是直流输电没有相位和功角，也因此无需考虑稳定性的问题。这也是直流输电的一个非常大的优势。主持人：明白了。您刚刚提到了高压直流输电线路，我想到了一些咱们平时在生活中能看到的场景。我记得如果我们到山里应该能看到一些高压直流输电线路的杆塔。它们有各种各样的形状。比如说，有的是“干”字型的，有的像猫的脑袋，还有别的形状。我比较好奇，为什么杆塔要设计成现在这个样子，这里面有没有什么技术上的考量呢？肖璧田：这个问题问得非常好。通常，换流站作为国家的重要设备和设施，基本上是不大允许普通人进去参观的。但是，我们平常在开车或是散步的时候，经常能看到那种铁塔，对吧？我们在行业内也把那个叫作杆塔。其实，这种铁塔有很多种型号。我们看到的有猫头型、有“干”字型，其实还有酒杯型、“上”字型，还有桶型的。在选择铁塔的形式时，首先需要满足安全要求，同时还要符合输电线路的电压等级，包括我刚刚说的回路数，此外还要考虑地形情况、地质条件，之后再结合实际情况，选择某一个工程需要什么形式的铁塔。通过完成经济上和技术上的比较，选择一个最合理的铁塔形式。电压等级越高的输电线路，它的绝缘要求以及它对地距离的要求就越大。你可以看到，电压等级越高的，它的铁塔的高度就越高，承受的导线的重量就越大，塔头的尺寸也越大。所以说，我们能看到的无论是酒杯型的、猫头型的还是“上”字型的铁塔，它的外形主要是由它的电压等级和传输容量来决定的。另外一个在建铁塔时需要考虑的因素——也是在全世界都存在的一个共性的问题——就是周边区域的经济情况。通常来说，在经济发达的地区，征地费用是非常贵的。这就会影响整条线路的投资。因此，在经济发达的地方，建设铁塔时就会选择尽可能缩小线路走廊。我们把线路下方的空间称为“线路走廊”。因为在规划土地使用时，很多时候国家有要求，比如说在线路走廊的40到60米之内是不能有农作物的。不能有树，不能有房子。那么，这一块土地的费用你就需要付给土地所有者。因此，你需要尽可能缩小线路的宽度。打个比方，当我们的线路采用垂直排列的铁塔型的时候，线路的经济性就要高于那种水平排列的。但时，这个最终也还是要取决于电压和电功率，也就是容量的情况。另外还有一个会考虑的因素是线路经过的区域的气候以及地形和地貌情况。比如说，在中国西北部，风速非常大。又比如说，在有些地方，浮冰厚度非常大。我觉得大家肯定有印象，2008年冰灾的时候，有很多线路、铁塔都结冰、倒塌了。我们国家后来使用了除冰装置，通过加热除冰。那么，在那种情况下，对铁塔的要求就很高。铁塔要能够承受更大的重量。还有一个就是要考虑沿线的交通运输状况，这也往往决定了铁塔的材质。很多我们看到的铁塔都建在山上。铁塔要怎么上去呢？是拆成一段一段以后，由我们的施工队、工作人员或是聘请一些当地人员运送。有的是用骡子或马拖上去的，因为那种高山是不大适合大型机械设备上去的。大家都是把铁塔一段一段拖上去，在那个地方再组装，所以说施工难度是非常大的。主持人：明白了，这里真的有很多以前不知道的知识点。我们一直在说“高压”直流输电，不知道高压究竟能高到什么程度呢？肖璧田：我们家里的生活用电一般是220伏，是吧？可能接入小区的电源有的会到380伏，甚至到10千伏。我们小时候或者可能身边的朋友有过触电的情况。220伏的电压就可以让人触电了。那么对于10千伏我们就认为是高压了对吧？那已经是非常高的电压了。但其实对我们行业来说，我们定的高压输电以前往往是110千伏或220千伏这种。现在，我们一般是这样定义的，对110千伏和220千伏，我们现在也叫高电压。但是，我们只是叫它高压输电。现在也有330千伏，主要在我们国家的一些西部地区，比如青海。现在西部高原地带主要采用的是330千伏和750千伏。在中国内地，包括南方，多半都采用的是550千伏。针对330千伏、550千伏和750千伏，我们称为超高压输电线路。而特高压输电线路则指的是交流输电在1000千伏，直流输电在±800千伏以上的情况。包括最近刚刚投运的从昌吉到古泉的输电线路就是±1100千伏。这些都称为特高压输电线路。但是，一般来说，输电线路的电压越高，对设备外绝缘的要求也越高，系统主接线的结构就越复杂，导致输电设备的整体制造难度就越大。那么，对架空线路的建设和对各种材料的要求就非常严格，造价也就会非常高。主持人：明白了。因为您刚刚提到了±1100千伏的昌吉—古泉高压直流输电线路，不知道您能不能再给我们简单介绍一下，在这里面西门子有没有什么贡献呢？肖璧田：在昌吉—古泉这条线上，西门子承担了接受端，也就是安徽古泉的±1100千伏直流换流变压器的相关工作，从研发到物料的供应，西门子在里面做了非常卓越的贡献。±1100千伏直流换流变压器的研发是在德国纽伦堡进行的，西门子也是全世界第一个通过±1100千伏直流换流变压器实验的公司。广州西门子变压器有限公司跟纽伦堡方面也是紧密合作。广州西门子承担了在国内第一台±1100千伏直流换流变压器的生产与制造工作。所有相关试验都非常顺利，都是一次性通过。来自国家电网的客户还有社会上的反响都非常好，也为未来的1100千伏奠定了非常良好的基础。主持人：不知道这个项目现在是什么状态呢？肖璧田：现在，整个昌吉到古泉换流站已经通过了投运前的168小时的带电运行，目前正式已经挂网启动了。主持人：我再问一个稍微有点偏的问题。像1100千伏这么高的电压，为什么小鸟落在电线上不会触电呢？肖璧田：这个场景是我们小时候经常看到的。我们觉得电压这么高，站上去肯定得触电，是吧？但是，实际上你能发现站在电线上的小鸟，它都站在同一根线上。电线不是有电阻吗？我们小时候学物理，说功率等于电压乘以电流，电阻等于电压除以电流。其实，只有当你身上的功率大于承受能力的时候，我们才会触电，也就是电压乘以电流达到一定程度以后才会导致触电。这里其实用到的是变压器的基本原理，也就是功率一等于功率二，功率一等于电压一乘以电流一，等于电压二乘以电流二，小鸟这个也是一样的道理。小鸟站在同一根电线上，那么这根线相当于把小鸟的两条腿短接了。小鸟相当于串了一个大的电阻在电线上面。 而相对来说，电线上的电阻几乎等于零。所以电流不会从小鸟身上走过，而还是走导线。因此，虽然我们看到小鸟落到电线上，但对小鸟本身来说，它的电位是零，电流也是零，所以小鸟不会有事。但是，有一种情况，我们小时候也看过鸟触电，那它是怎么触电的呢？其实是因为它落到两根电线上了，或者说小鸟在电线上用嘴在不绝缘的电杆上磨嘴巴。这些情况下，因为它已经不是零电位，是有电流通过了，那么这时候它是有可能会触电的。主持人：那咱们说完了小鸟再说说人。我们普通人如果路过这种输电杆塔的话，有没有什么需要特别注意的地方呢？肖璧田：其实所有的输电铁塔在设计和现场安装时，就已经考虑到了这些，也就是正常的人也好、动物也好在经过铁塔的时候会出现什么问题。我现在就正对着一个铁塔。大家可以留意一下，铁塔跟电线连接的时候，它不是有很多一圈一圈的东西吗？我们管那个叫瓷柱绝缘子。这种绝缘子就是用来避免线路跟铁塔间有电流连接的。因为线路很高，你可能接触不到，但铁塔不是在旁边吗？所以线路跟铁塔之间就有绝缘，目的是要保证铁塔本身是没有电的。因此，在经过铁塔的时候，你现在触摸铁塔基本上都不会有太大问题。但是，还是不建议大家做这个事情。另外，2008年的冰灾就给大家提了一个醒，当铁塔承受的负荷过重的时候，铁塔也是会倒塌的。所以说在碰到恶劣天气时，比如说刮大风、下大雨的时候，或是有冰灾的情况下，我们还是尽量避开铁塔，以防铁塔倒塌。主持人：好的，最后我想再问问您，根据您的了解，西门子有没有一些比较有意思的高压直流输电的案例呢？比如说咱们的杆塔布在非常特殊的环境里，或者说项目本身有比较重要的社会意义？肖璧田：其实我们的换流站都是把电能从资源丰富的区域，比如说中国云南，它有大量的水电，把清洁能源从云南输送到，比如说广东，这种相对来说经济比较发达的地方。都是这样的案例。西门子从1989年开始在中国做第一个高压直流输电项目，到现在已经30年过去了。所得到的巨大的成果就是，首先，西门子本身在技术上得到了长足的进步。因为无论是800千伏也好，1100千伏也好，要做这些项目必须得有一个前提条件，那就是这个国家必须地大物博，而中国正好符合这样的条件。其实，在德国，它的输电线路很多都是500千伏或者400千伏的，而在中国则是有800千伏、1000千伏，因此西门子自己本身的技术就得到了一个非常好的实践的机会。而对我们中国的伙伴们来说，这是“双赢”。到目前，在中国的HVDC的案例中，几十条线路里基本都有西门子的参与，这里可讲的事情就非常多。比如说之前提到的昌吉—古泉±1100千伏特高压直流输电线路里的直流换流变压器，它在正式投运前需要完成一个耐压试验，我们可能行业里会它叫局放试验。这个试验要做一个小时，当它做到59分59秒的时候，当时客户的高层领导在现场，西门子的高层领导也都在，大家就盯着这个时间。当这个全世界独一无二的工程一次性通过试验的时候，你可以想想，为这个工程奋斗的几万人的心情是什么样的，是非常非常激动的。主持人：好的，特别感谢璧田今天来做客我们的节目。相信大家经过今天的节目，应该对HVDC有了一个基本的了解，也欢迎大家在评论区和我们分享你的感想或者看法。好了，今天的节目就到这里，我们下期再见！肖璧田：再见！