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想象一下，在中国中部地区酷热的一天，每座大城市中所有的空调都全速运转。而在山西省的深山里，通往城市的主要特高压输电线路已接近满负荷运行。由于阳光和电流的热量，这条输电线路危险地垂向树梢。突然，电流从电线窜到了树枝上，循着阻力最小的路径沿着树通到了地面。电流使空气电离，明亮的火光一闪而过。在这次短路期间，突然释放出的电流在一瞬间达到了正常水平的10～20倍。现在，电网的保护系统必须迅速采取行动。保护继电器必须在几毫秒内识别故障并控制两端的断路器切断电流，隔离故障线路。这导致的风险很高：持续的短路电流会触发整个电网的故障连锁反应，导致大范围的停电，并在此过程中给昂贵的设备造成严重损坏。2003年，北美东北部的大停电就是因为俄亥俄州的传输线路与一棵树发生了接触，从而导致了一系列故障，超过260家电厂关停，整个东北部电网有6万兆瓦的电功率无法输送，纽约市陷入一片黑暗。在我们假设发生在中国的这次短路中，一切都取决于巨大的断路器。这些工业断路器正如家庭断路器一样，可以在眨眼间断开接触，但由于电网系统内的巨大能量，仅仅断开接触是无法阻断电流的。相反，电流会在断路器内部产生电弧。在这个容积仅有几升的小空间里，一个温度可能达到数千摄氏度的等离子体正在翻滚。断路器无法容纳这个等离子体很久；如果不能尽快将其清除，就会发生可怕的爆炸。现在，交流电的交变属性起到了作用：每次它改变方向时，电流都会暂时变为零，对电弧等离子体的能量供应也会暂时停止，故障电流必须在其中一个“电流零点”期间被中断。在那个关键时刻，断路器内部的冷却系统会向触点间的间隙注入高压喷射气体，将热电弧等离子体的残留物一扫而空。在电弧消失、故障清除后，电力系统会立即重新启动。在这个恢复过程中，间隙的电压会陡然上升到超过100万伏，然后稳定在正常运行电压上。因此，在电流零点之前和之后的几微秒中，触点需要从向电弧等离子体输送大约50千安的电流改为承受1兆伏的电压。这种迅速变化给断路器组件带来了巨大的压力。然而，断路器必须毫无故障地工作，因为输电线路需要重新投入运行。即使断路器可能在很长一段时间内都处于非活动状态，并经历各种类型天气的考验，它们也必须投入运行。那么在这个例子中，中国的电网运营商如何能相信这些断路器能够胜任它们的工作，并确保大城市不会陷入黑暗呢？只有严格的测试才能够让人安心。我在KEMA实验室担任创新总监，该实验室是挪威咨询和认证公司DNV GL的荷兰分部。我们的任务是：模仿特高压交流电系统在极端情况下的运行状况。复制这种环境是一项非常困难的工程挑战，但如果我们要满足未来几十年的能源需求，就必须完成这项任务。 未来的电网将有可能依赖于大规模的可再生能源设施，如水电站、太阳能发电园区和海上风力发电场，它们都远离高耗能城市而建。为了远距离输送电力，系统运营商正在规划和建设大量输电线路。这些线路必须是高压线路，这样它们在线路上只会因为电阻损失很小一部分能量。建设这些高端的高压系统是相当昂贵的，但许多电力公司认为，其远距离传输大量电力的能力物有所值。选择建设高压输电系统是第一步。下一步则是一个抉择：用直流电还是交流电？高压直流输电系统是一个越来越引人注目的选择，因为与交流线路相比，直流高架输电线路需要的空间更少，损失的电力也更少。而交流电技术则更为成熟，并且世界上最强大的输电系统仍是为交流电设计的。最新的交流电超级电网已达到了至少1000千伏的特高压，而直流电系统尚未达到这一惊人的水平。在这篇文章中，我将重点放在交流电网络所需的装置上。中国首个商用特高压交流电网于2009年1月投入运营。中国国家电网公司为这个1100千伏的工程花费了57亿元人民币（约合9亿美元），建设了连接中国北部和中部电网的640公里的高架线路。该工程共有1284座电塔，每座塔的高度约为长城的10倍，它们耸立于中国的内陆，跨越黄河和汉江输送电力。这些电塔支撑着2.5万吨钢芯铝绞线，输电功率达5000兆瓦。这个系统的3个变电站包含了能够切断高达63千安的短路电流的断路器。2013年，国家电网公司委托架设的650公里东西特高压线交流线路同样令人印象深刻，它贯通淮南和上海，将电力从内陆的燃煤电厂输送到了沿海城市。与此同时，印度架设了一个1200千伏的特高压交流电网，试图创造一个新的输电纪录。2012年，印度电网公司委托一个实验站建设其特高压设备，400千伏的沃尔塔-奥兰加巴德线路的350公里路段处目前正升级至1200千伏。这样的特高压项目对缓解国家电力供应不平衡尤其有益。沃尔塔-奥兰加巴德线路会将印度中部燃煤电厂的电力输送到奥兰加巴德市，该市是新兴的IT和制造业中心，一直在为电力短缺而苦苦挣扎。在今后几十年中，我们还将看到将高压直流电和交流电传输网络结合为“混合电网”的先锋项目。在欧洲、中国以及美国的一小部分地区，对于将结合两种方法优点的混合系统也有相关的讨论。例如，一条高压直流海底电缆可以高效率地将电能从遥远的北海风电场输送到一个交流电超级电网中，在那里，电能可以很容易地被转化，并根据需要在欧洲分流。在特高压输电系统中，最关键的技术部分就是断路器。断路器是系统的守护者：它必须永远保持警惕，并随时准备立即采取行动；而且无论整个系统面临的压力有多大，它都必须能在所有环境条件下运行。在位于荷兰阿纳姆的KEMA实验室，我们将这些断路器置于极端压力下，对它们的性能进行独立的评估。这种评估明显是很有必要的：送到我们实验室的断路器约有四分之一都未通过测试。为什么不依靠模拟来研究运行中的应力呢？很遗憾，计算机模型还不能胜任模拟电路与极热的、具有化学复杂性的等离子体之间微秒级的相互作用。一项由国际大电网会议（CIGRÉ）开展的研究评估了七大制造商使用的模拟工具。首先是好消息：这些不同的工具确实精确、忠实地模拟了断路器内部关键位置的电场。但是，当这些工具模拟断路器故障，即断路器屈服于电应力时，它们产生的值彼此间有很大差别，且与实际的测量值也有很大不同。这就像模拟牙签的弯曲：内部应力很容易计算，但木材断裂的时刻和位置就没办法准确预测了。因此，我们在实验室中创造了真实世界的条件，以确定断路器实地应用时的表现。当然，实验室的电力并不完全符合我们测试的需求，因此我们必须开发一些巧妙的方法，以释放出强大的电流和电压。在一个包含两个步骤的测试过程中，我们以精确的时序模仿了两种特高压断路器上潜在的灾难性的电应力。首先，短路电流必须在其触点分开时流过断路器，从而建立一个内部电弧。目前，我们用4个发电机来制造这种电流，每个发电机都有一个54吨的转子，其转动速度与所需的16.7～60赫兹的交流电频率相当；很快，将有另外两台发电机加入。为了触发短路，12个同步开关会为电路充电，将存储在发电机转子中的机械能转换成电能。我们从每台发电机中可以得到的最大电流为100千安，足以提供世界上最强大的传输网络中的80～90千安的短路电流。于是现在我们已经重现了短路发生那一刻的毁灭性高电流。但断路器的工作尚未完成。它必须在关键的电流零点时刻喷射气体，清除间隙上的电弧，接着在几微秒内开始恢复电路。在恢复过程中，组件必须能承受远高于普通电路电压的瞬时电压浪涌。我们制造的100千安短路电流只能在17千伏上使用。有6种专用变压器可以将这一电压提升到250千伏，但要想好好测试一台特高压级断路器，这个电压还是远远不够的。利用附加变压器进一步加大电压也没有意义，因为电流将会相应减少。因此，我们必须找到另一种方法。我们的第二种方法是采用4层楼高的电容器组，将其预充电到约700～800千伏。在关键时刻，我们会触发火花隙，它会按次序使电容器放电。第一组电容器提供最初的兆伏电压，然后，在几百微秒后，第二组电容器会增加兆伏电压。这就是我们用电压（该电压与实际电场中遇到的电压相同）来测试特高压断路器的方法。2008年，我们利用一款示范特高压试验装置测试了与中国超级电网的规格相当的断路器，该装置会在短路的几毫秒之内提供2兆伏的电压。现在，我们正在建设一个永久性的装置，费用为8000万美元，它将使我们能够测试特高压断路器和超级电网的另一个重要组成部分：高压变压器。我们的测试表明，这些变压器中大约25%的损坏是由于内部受到了与短路相关的巨大电动力的冲击。这些变压器必须在断路器发挥作用之前经受住瞬间流过它们的短路电流，而这绝非易事。必须以这种高技术测试设备来测试断路器这种普通的设备，这可能会让一些电气工程师感到惊讶。我们不是在几十年前就了解有关断路器技术的所有知识了吗？事实上，这项技术仍在不断发展，因此我们评估其性能的能力也必须要与时俱进。油断路器在20世纪初处于主导地位。在这些装置中，触点被置于一个充满油的箱体内；电弧形成时，它将一些油转变为高压气泡，将电弧包围并熄灭。但是，这些油箱很笨重，而且是一种危险的设计。20世纪70年代兴起了使用六氟化硫的断路器，这种惰性气体具有良好的绝缘性能，可在间隙形成气流，淬灭电弧。然而，六氟化硫是一种极强的温室气体，因此，电力行业目前正在开发替代技术。许多研究人员正在研究一种能够在真空环境中切断电流的断路器。该研究的主要难点在于控制真空中的电场。由于没有气体或液体存在，电弧等离子体会从触点本身释放并电离金属蒸汽，进而制造传播介质。炙热的等离子体灼烧触点，使其表面变形，制造出微小的凹陷和凸起。触点表面的凸起类似于地球表面上矗立的高大树木，更容易被雷击中。变得粗糙的触点可能会在不适当的时候，也就是当断路器试图清除电弧时，继续使电流通过。为了进一步开发这些真空断路器，我们需要在满功率条件下对它们进行测试，并对触点凸起（由量子力学的隧道效应造成）所引起的仅为几十微安的电流进行研究。这些微小的电流是否意味着电弧即将恢复，从而导致断路器发生故障呢？这在科学界是一个充满争议的问题。在KEMA实验室，我们正在评估全应力条件下真实设备中这些微小电流的影响，来寻找答案。事实上，我们的很多研究项目都涉及在能想到的最小尺度的范围内工作。出人意料的是，在微观尺度上发生的极快的过程往往会决定一个大型输电网的组件是否会发生故障，还有可能决定整个城市是否会陷入黑暗。例如，我们必须要能够研究在电流零点前后几微秒内断路器内部发生的情况。在那短短的几微秒内，断路器必须从一个非常好的导体变为一个近乎完美的绝缘体。利用最新的工具，我们现在能够监测这一过程。我们开发的一种高分辨率方法可在全尺寸短路测试中检测到小于1安培、持续时间只有几微秒的电流，而这种测试中使用的电流都是以数百千安计的。我们要寻找这些电流零点后是否会产生瞬时电流，这时，电弧应该在电流零点期间被完全扑灭了。如果我们发现了这些电流，就知道断路器的恢复出现了问题，完整的电弧可能在间隙内部重新出现。21世纪的超级电网将依靠这些像哨兵一样驻守在跨越大洲的输电线路旁的电路守护者。而这些断路器要依靠测试实验室的工程师，以强大的电力洪流测量组件的极限应力，同时探测断路器内部的微妙过程。只有这样彻底的测试才能确保这些设备有能力使中国的大城市在最热的一天中也保持凉爽。－ The End －
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