1880年12月，美國紐約提供了真正意義上的公用照明電力服務，由Brush Electric Company's建設的輸電線路，供電距離在曼哈頓的幾條街道之間，只有3.2公里；1889年，俄勒岡波特蘭通用電氣創造了14公里的輸電距離，額定輸送功率4千瓦，創造當時世界范圍電力傳輸的“高壓”奇跡。

125年后的今天，在中國，河南已經通過一條800千伏特高壓直流輸電通道與新疆相連，每年從新疆可以接受370億千瓦時的電量，其線路總長2192公里，途經新疆、甘肅、寧夏、陜西、山西、河南六省（區）。自2009年以來，國家電網已經先后建成投運2條交流與3條直流特高壓輸電工程。

電力科學家們怎樣從輸電距離3.2公里縱深到2000公里以上？或者未來的5000公里？技術秘訣是提升輸電電壓。為此，科學家們為提高既看不見也摸不著的輸電電壓等級不懈努力：電網建設歷史記錄，百年來輸送電壓從10千伏、35千伏、110千伏、220千伏、330千伏、500千伏、750千伏，直到1000千伏。

但是，每一次提高電壓都面臨電力傳輸技術的障礙。交流輸電電壓一般分為高壓、超高壓和特高壓，國際上高壓通常指35-220千伏的電壓；超高壓通常指330千伏及以上、1000千伏以下的電壓；特高壓指1000千伏及以上的電壓。每提高一個輸電壓等級，都面臨技術極限的突破與挑戰。

難題之一：提高電壓與抑制電壓

陳維江是特高壓輸電研究領域的專家，是國家電網公司交流建設部副主任，同時也是中國武漢特高壓交流試驗基地的主要建設者，在特高壓輸電重大關鍵技術的研究中發揮了重要作用。當記者在國家電網辦公大樓的一間會議室問及特高壓技術突破的最大難點是什么時，他回答：“首要攻克的是解決電壓控制難題”。

特高壓，顧名思義就是傳輸高等級的電壓，科學家們千方百計提高電壓傳輸等級，為何首要考慮的卻是如何控制電壓？“電壓控制”是輸電技術領域的重要概念，是指電源電壓超過其額定值時的電壓控制，包括三種方面：第一是運行電壓控制，第二是內部過電壓控制（包括暫時過電壓、操作過電壓以及特快速瞬態過電壓），第三是雷擊過電壓控制（外部過電壓）。

當電網正常運行時，線路50赫茲正弦波的電壓是運行電壓，比如1000千伏特高壓線路，正常運行的線電壓是1000千伏，500千伏超高壓線路，運行電壓就是500千伏，運行電壓也被稱為穩態電壓；而過電壓則是一種瞬態電壓，只在某個瞬間突然出現，而不像正弦波那樣反復不變。過電壓要比運行電壓高很多，如果以音響設備比喻，播放正常音量時可視為運行電壓，而當插拔信號線瞬間發出的砰砰巨響可以視為過電壓。電網里日常的線路、變壓器、并聯電抗器的投切、分合閘，乃至線路故障等都會引起線路的過電壓，統稱為內部過電壓。而線路、桿塔、地線避雷線遭到自然雷擊引起的過電壓稱為雷擊過電壓。

從超高壓500千伏到特高壓1000千伏，電壓等級翻了一番，控制電壓的允許值是簡單的倍數關系嗎？陳維江說“不是的”。他介紹：實際上，特高壓允許運行電壓升高的過電壓裕量反而變小了。以運營電壓做基礎是1倍，在110千伏、220千伏時過載電壓有3倍的裕度，當電壓為500千伏時是2.0倍，750千伏是1.8倍，到1000千伏特高壓時只有1.6倍的裕度。裕度，是指留有一定余地的程度。

“需求是要提高電壓的傳輸等級，因為特高電壓輸送的能量大、距離長；但是從技術的要求上看，越是高電壓等級，操作過電壓允許的倍數越小，意味電壓控制更加困難，”陳維江說。

使用什么手段抑制特高壓內部過電壓與雷擊過電壓呢？從2004年開始，中國電力科學研究院先后有幾十位科研人員做1000千伏特高壓交流輸電系統過電壓的研究，研究課題包括標準電壓選擇、過電壓與絕緣配合、防雷防護、同塔雙回路系統斷路器瞬態、穩態過電壓與電磁暫態優化等十多項研究。這些工程急需的科技成果，特別是相關參數經過仿真計算以及試驗驗證后，有力支撐了特高壓設備研發與選型。

以抑制暫時過電壓為例，最主要的設備就是電抗器，它也是特高壓最

重要的設備之一，因為線路在故障或無故障情況下甩負荷而引起電壓突然升高，其幅值是按秒計算的，只能通過大容量的特高壓電抗器有效限制工頻過電壓的幅值。在西安，中國西電集團公司副總經理、總工程師宓傳龍的辦公室，他向記者介紹了研制生產電抗器的過程，宓傳龍獲得2012年度國家科學技術進步特等獎，排名第三。

制造電抗器是西電的強項。宓傳龍毫不掩飾西電的技術優勢，上個世紀他們曾為三峽工程研制了±500千伏直流輸電換流變壓器和平波電抗器，結束了中國該類電工大型裝備依賴進口的局面。2008年，西電承接為中國首條特高壓交流試驗示范工程研制1000千伏級320Mvar、240 Mvar（兆乏，是無功補償裝置的補償容量單位）特高壓并聯電抗器。

“電抗器也叫電感器，主要起保證線路輸送的最大功率，限制電網電壓突變和操作過電壓引起的電流沖擊的作用。因為電抗器的額定電壓是1100千伏，與變壓器額定電壓1000千伏比較，特高壓電抗器的絕緣水平比特高壓變壓器高出5%左右”，他介紹說。

西電研制國內首臺特高壓電抗器的過程非常順利：首先制定了設計主要方案和確定相關參數，之后是制定電氣方案、結構方案。在制定方案的過程中，如何驗證參數？比如重絕緣參數？他們按比例制作了小模型，通過波峰測量實驗模擬產品沖擊波，測量每個線圈的重絕緣電場是怎樣分布的。之后整理數據和計算值進行比較，看其相似度是多少？哪個地方電壓差異比較多。之后再做實驗，再驗證。當反復比較后沒有出現太大的梯度（陡度）時，基本證明設計沒有問題了。“這個過程大概多長時間？”宓傳龍回答：“主要是做模型的時間，真正做實驗半個月就完成了”。

2008年6月30日，一列D26B落下孔自承式載重火車，載著單臺重量近百噸的龐然大物，經過31個小時的行程，最終駛向國家電網特高壓1000千伏南陽開關站。這是中國西電集團為中國首個特高壓工程—晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程運送的特高壓大件設備——特高壓電抗器。之后，重達200噸的西變1000千伏320Mvar特高壓電抗器又運抵晉東南變電站……

難題之二：污穢環境下外絕緣子的配置

環境的惡化，對那個行業影響最大？如果說是電網并不夸張。我國大氣污染的日益嚴重，工業生產排出的含鹽廢氣，包括鈉、鉀、鈣等，實時對輸電線路絕緣進行攻擊。

如果注意觀察，在高壓輸電塔上懸掛一串串多盤傘狀的絕緣子，它的下端就拴著高壓線。日積月累飄落在絕緣子上的污穢灰塵，當遇到水分，包括霧、積雪融化和毛毛雨時，灰塵溶解瞬間變成了導電體，在電力場作用下出現強烈的放電現象，此時電網容易出現短路事故。絕緣子短路導致電網斷電的重要原因，不是絕緣子本身被“擊穿”，而是高壓電沿著絕緣子表面的空氣被“擊穿”，電學稱為“閃絡”，俗稱“污閃”。上世紀90年代北京辦亞運會前，華北500千伏電網就曾發生過大面積污閃事故。

為了確保線路的安全運行，以往國際上通常采用停電清掃、不停電清掃和帶電水沖洗方法。以200千伏以上高壓輸電線路為例，據美國能源信息署（EIA）統計，2012年美國200千伏以上高壓輸電線路只有30.7萬公里，而中國達到51.4萬公里，是美國的1.68倍。假設以高壓輸電兩塔之間檔距50米估算，約有1000萬個輸電塔需要人工經常清掃。上世紀80年代伴隨空氣污染的加重，電力科學家尋找到一種叫硅油的憎水性涂料，把它涂到陶瓷絕緣子表面，以增加絕緣子的憎水性。

隨著各國的輸電網向特高壓、大容量、遠距離輸送方向的發展，傳統絕緣子面臨著巨大的挑戰，使用復合材料絕緣子，不僅抗污閃性能好，也可減小塔頭尺寸，同時減輕線路運行維護的工作量和停電次數，為電網帶來巨大的經濟效益。

在湖北武漢特高壓交流試驗基地戶外試驗場，記者看到地上擺放包括陶瓷、玻璃與復合材料三種不同材質的絕緣子。陳維江對記者說：“在低電壓等級的時候，陶瓷、玻璃、復合材料的都可以用，我們叫‘三分天下’，但是到了特高壓不能再大量使用瓷絕緣子，一方面由于輸電線路經過的絕大部分地區面臨難以解決污穢的問題，另一方面沿用瓷絕緣子增加片數會增加塔的承重”。

使用復合絕緣子在超高壓、特高壓輸電線路上的運行，國外積累一些經驗，比如加拿大、美國、前蘇聯均在高電壓等級電線路部分采用了復合絕緣子。中國建設特高壓電網，工程技術人員也瞄準了具有高抗張強度和高抗沖擊性且重量輕的硅膠復合絕緣材料。但是，在特高壓電網使用復合材料絕緣子，最大的約束條件是環境污染對絕緣子的影響，這是上述國家沒有遇到的，也是中國的國情。

武漢特高壓交流試驗基地鄔雄主任向記者介紹，根據實際取樣調查，中國不同地區的污染程度分為四個等級，一級相對比較干凈，級別越高、污染程度越高。我國第一條晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗示范工程，全線環境評估為二級起步，最嚴重的區域達四級-重度污染，該線起始于山西境內的長治變電站。

“我們的環境條件與日本和俄羅斯有很大的差別，他們的參數不能套用”，鄔雄說。我國1000千伏交流輸變電工程，絕緣子在整個工程造價中約占7%，在設計和設備選型階段，絕緣子污穢外絕緣配置問題是輸電線路設計的重大問題之一。

時間回到2008年，在武漢特高壓試驗基地巨大的環境氣候實驗室，工程技術人員按照室外真實型環境布置，按比例配成污穢物并刷在絕緣子上，經過干燥后的絕緣子串被高高掛起。之后，大小不同顆粒的冷霧、熱霧輪番吹拂絕緣子表面，對其進行雨、霧、污穢特性試驗，獲得了包括絕緣子串長與人工污穢耐受電壓的關系、不同串型下的污耐壓特性以及附灰密度、上下表面不均勻積污對耐壓影響等重要的實驗數據。或者說，是獲得了在確保線路安全運行同時，實現線路絕緣子的不清掃或者少清掃的重要參數。

武漢特高壓交流試驗基地是目前世界領先的實驗室，具備包括1000米單回特高壓試驗線段、1000米同塔雙回特高壓試驗線段、電磁環境實驗室、環境氣候實驗室等試驗裝置的特高壓交流試驗手段。截至目前，實驗基地共進行了31萬多組試驗，取得有效數據約7萬組，完成特高壓研究專項課題5項，為特高壓交流試驗示范工程的建設和運行提供了急需的科學數據。

目前，我國新建輸電線路中，復合絕緣子的使用比例達到了43.7%，在特高壓線路中，這一比例高達2/3。復合絕緣子為我國大電網的建設和運行提供了可靠保障，技術處于世界領先水平。

難題之三：控制電磁環境與控制電場

設想一下，如果一條上千公里的特高壓輸電線全線出處發生頻閃的藍色暈光，并伴隨發出“嘶嘶”的聲音，會是個什么情形？

藍色暈光被稱為電暈，英文詞是Corona，與日冕共用，與日冕產生高溫和輻射同理，發生電暈會出現放電現象，它產生的高頻脈沖電流以及多高次諧波，將對無線電通訊造成干擾。輸電線路所經之地，無線信號接收質量下降，尤其在雨、雪、霧天狀況下會引起電暈損耗，造成電能的極大浪費。所以，控制導線導體表面的電場，抑制產生電暈，成為建設高電壓等級輸電網的第三個難題。

前蘇聯是世界上最早開展特高壓輸電技術研究的國家之一，也是迄今為止世界上唯一有特高壓輸電工程運行經驗的國家。1985年8月，世界上第一條1150千伏線路埃基巴斯圖茲——科克契塔夫——庫斯坦奈在額定工作電壓下帶負荷運行，但是，放電聲和電暈光環一直困擾著科學家。前蘇聯特高壓輸電線路自建設初始，可聽噪聲與電暈指標就稍高于規定值，但由于線路大部分處于地廣人稀地段，比如送端埃基巴斯圖茲，加之后來降壓到500千伏運行，實際上特高壓的電磁環境控制，是個尚未被攻克的難題。

中國與前蘇聯經濟資源地理分布狀態不同，中國特高壓線路的輸送終端是沿海工業發達與人口綢密地區，如果不能有效限制在高電壓與大電流作用下產生的強電磁環境，不僅僅是高頻脈沖電流對無線信號的干擾，所產生的臭氧和氮氧化物將嚴重污染環境，最大的問題是工頻磁場對人體、動物乃至植物的損害。在高壓輸電線路上如何限制電暈引起的能量損耗和電磁波對無線電的干擾，成為中國建設特高壓輸電網技術創新的另一個戰場。

國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）與電氣和電子工程師協會（IEEE）規定了工頻電場和磁場的限制值：工頻電場強度的限制值，線下最大電場強度為10-15千伏/米，公眾活動區或鄰近民房電場強度小于5千伏/米；工頻磁場不得超過100微特斯拉（工頻磁場磁感應強度單位）。當中國建設特高壓試驗工程的時候，上述兩個指標仍是空白，此前，只有對500千伏以下輸電網的限制值標準。在中國特高壓電網參數指標設計階段，中國選擇了國際的通行限制值標準。

陳維江對記者介紹說：“高壓架空線路在其周邊產生的工頻電場強度主要取決于線路電壓等級的高低，隨電壓等級的提高，周邊電場強度呈遞增現象，在特高壓輸電線路的設計階段，怎樣有效的控制電磁環境，抑制電暈現象，導線結構、對地高度和金具優化設計是十分重要的”。

科學家們花了兩年的時間，通過大量的仿真計算得出結論：在其他參數不變的情況下，隨導線截面的增大，輸電線路的表面場強減小，電暈損失也相應減少，無線干擾與噪音污染也大大降低。科學家們通過分析1000千伏交流輸電線路不同分裂形式和不同子導線直徑的導線表面電位梯度、導線起暈電壓、導線電暈損耗、無線電干擾和可聽噪聲，比較了各種導線方案的優劣，最終結合工程提出了滿足電氣性能和機械特性要求、適合于我國特高壓輸電的導線截面及分裂形式，900平方毫米大截面鋼芯鋁絞線和擴徑線最終研制成功。

如果細心觀察特高壓輸電塔上的導線，這種超大截面的導線被固定在有8個孔徑的間隔棒中，高等級電壓正是通過八分裂的導線傳輸電流。到2020年，我國規劃將建設2萬多公里特高壓線路，為今后特高壓輸電線路更大輸送容量考慮，國家電網正在進行更大截面1000、1050、1120平方毫米的架空導線選型方案的研究。新型導線產品的研制已經成為特高壓輸電工程建設中迫切需要解決的問題。

難題之四：特高壓設備的研制

在武漢，記者參觀了兩個變電站：其一是建于1982年的鳳凰山變電站，這是我國第一座500千伏變電站；其二是荊門變電站，它是我國首個1000千伏特高壓交流試驗示范工程三個變電站之一。僅就感官上體驗，兩個變電站輸電等級相差一倍，但在特高壓荊門變電站設備場地，只能聽到微弱的電磁聲，測量噪音分貝值是36分貝，而鳳凰山變電站的場地噪音是60分貝。荊門特高壓變電站所有的設備為中國制造，而鳳凰山變電站主要設備都是從日本進口。

國際上對特高壓輸電線路可聽噪音的限值是50-60分貝，日本對環境要求嚴格，限值為50分貝，美國、意大利等國可聽噪音限值處于50-60分貝之間。

毫無疑問，變電站噪音來自變電站的各種設備，包括特高壓變壓器、并聯電抗器、封閉開關以及特高壓避雷器、電壓互感器、高壓絕緣子等等。為什么1000千伏變電站環境噪音低于500千伏變電站，唯一解釋只有一個：中國電工制造技術已經達到世界領先水平。

宓傳龍帶領記者在西電集團生產車間觀看電抗器的生產現場：電抗器內部是一個中間套有線圈，外圍用鋼片做成餅狀圍起來的柱子，一塊塊大理石把鐵餅隔開，專業術語叫“器隙”。“由于鐵芯是斷開的，增加了磁路的磁阻，根據磁路定律，電感產生很大的漏磁現象，而漏磁會引起過熱，帶來的問題就是振動和噪音，甚至會燒壞設備”。

如何解決漏磁與振動噪音呢？他們改變750千伏和500千伏電抗器的結構，把單柱變成兩柱。與一個柱子比較，每個單柱容量小了，有效地控制了漏磁。為了控制噪音，特別研制了壓縮彈簧，通過強有力的螺桿壓緊鐵芯。畢竟是50赫茲的交流電，鐵芯之間壓得再緊還是有噪音和振動，于是，他們采取了進一步的減震的措施，比如加減震墊、減震彈簧等等。宓傳龍自豪地說：“電抗器結構上磁分路、磁屏蔽、電場屏蔽，以及兩個柱子串聯、絕緣以及噪音減震，都是我們的創新”。

2008年2月13日，西電研制成功我國自主設計、自主制造的首臺1000千伏、240Mvar高壓并聯電抗器，一次性通過實驗，局放量30PC（扣除背景噪音后為零局放）；最大振動32微米。而俄羅斯32千伏安的電抗器，噪音超過80分貝，西電同等型號的電抗器噪音只有40分貝。應該說，中國生產的特高壓電抗器達到了世界最高水平。

在西電巨大的實驗室里，記者看到特高壓最關鍵的設備變壓器。當被告知這是一臺1700千伏特高壓電力變壓器時，受到巨大震驚。人所共知，當下中國特高壓輸電網使用的只是1000千伏變壓器！當沒有喘過氣來的時候，巨浪再一次涌來，西電已經研制成功另一臺2000千伏的變壓器！

宓總說：1700千伏和2000千伏的變壓器是為電抗器實驗而研制的。因為變壓器可以通過其他工頻變壓器做實驗，而電抗器的實驗需要高電壓以及大負荷，所以實驗變壓器的電壓必須高于電抗器以及大容量，通過超高壓變壓器對電抗器進行電流補償。我們要做好抗電器，首先是要做好實驗變壓器。

這個時間節點更令人吃驚：1700千伏實驗變壓器的首次試驗是2007年春節的大年初二。做實驗時氣氛非常緊張，以致宓傳龍不敢到現場，他擔心：會不會放炮？試驗電壓升到1100千伏延續了2個小時，當試驗電壓在10秒鐘內上升到1340千伏并穩定后開始計時，試驗過程延續了一分鐘。

宓傳龍強調說，這兩臺實驗變壓器是按照工程要求制作的，一般來講，實驗變壓器比工程變壓器的要求更高。當記者問道，為什么還要做2000千伏變壓器？他回答道：我們正在研制±1100千伏的特高壓直流輸電，未來的電壓有可能升高到1500-1600千伏，依靠什么對設備進行實驗呢？所以我們必須要先行一步。

此前，中國500千伏輸電網設備需要進口大容量變壓器、電抗器等，而現在中國企業已建成世界同行中產能最大、水平先進、主輔配相對完整的交直流輸變電成套設備制造體系，這是輸變電設備制造業近十年來巨變，特高壓設備制造處于世界領先的地位。

相關數據顯示，目前，國內企業已占據我國輸變電設備市場主導地位，并進軍國際市場，實現了高端產品出口零的突破。國內企業在高端產品市場（500千伏及以上）份額，已從2005～2008年的42%上升至2009～2010年的63%。2009年以來，在國際金融危機的不利影響下，特高壓主設備制造企業出口不降反升，500千伏以上產品的出口總額達100億元、年增長率超過50%。特高壓建設不僅提升了我國高端裝備制造產業-電工制造的水平，也提高了全國乃至全球市場的競爭力。