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国之重器,不可仰赖于人!我国已成功攻克这些变压器技术难点

发布时间:2022-04-27

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发布人:源创大白

换流变压器是特高压直流输电工程中至关重要的关键设备。它是输电系统中的换流、逆变两端接口的核心设备,事关整个电网工程正常运行。


国之重器,不可仰赖于人。


近日,业界传来喜讯:由中国电力科学研究院有限公司牵头,联合国内顶尖制造企业、高校共同完成的“±800kV换流变压器自主化研制与应用”项目,荣获2020年国家科技进步二等奖。这标志着上述核心技术已经成功突破国外垄断。


核心技术长期被国外垄断 “电网枢纽”一度受制于人


±800千伏特高压直流输电工程是世界上最先进的输电技术工程。


要保证特高压直流输电工程安全、平稳、高效地运行,±800千伏换流变压器连接交流电网与换流阀厅至关重要。作为整个系统的核心“枢纽”,换流变压器长期处于交直流电场等复杂应力作用下,运行工况苛刻,是难度最大、价值最高的核心设备。


然而,2014年以前,全世界仅ABB、西门子等国外企业掌握±800千伏换流变压器设计制造技术。如果要自研,则要突破绝缘设计、出线装置、温升控制、制造工艺四大关键技术,解决绝缘受限、材料特性、精确计算、精准工艺等技术难题,将面临极大的考验。



果断自研还是将就依赖国外?中国电力人给出了自己的判断。



“即使通过技术转让,还是得依赖外方的图纸、方案和进口关键原材料和组、部件。”中国电科院变压器技术研究室主任程焕超介绍,“三峡电站的电力送出工程最初都是采用ABB、西门子的设备。如果不打破涉及超大型装备研发、系统稳定及潮流控制等一系列关键技术的封锁,今后所有相关的工程都要付出高昂的成本。”


理智的分析告诉科技工作者:除了自主研发,没有其他道路可以选择。


历时十余年 换流变及其组件研发相继突破


面对国家能源战略需求迫切和能源电力发展核心技术亟待突破的双重难题,中国电科院以市场为导向,与国内知名高校、科研院所、设备研制单位通力协作,边研究、边设计、边攻关。


实现±800千伏换流变压器国产化,研制国产化出线装置成为科研人员面临的第一关。项目组坚持自主设计一套出线装置试验样机,在国内外首次开展了工程样机1:1的裕度试验后,团队发现了后续实验中可能存在的绝缘层间固定、爬电抑制措施等隐患并成功解决,支撑了国产出线装置的研发。


国产化±800千伏换流变压器的绝缘内部放电试验通常需要在夜间开展。攻关节点正值冬季,新建的试验大厅没有暖气,试验配套设施也不完善,夜间试验异常寒冷。团队成员克服各种困难,自行购置睡袋、行军床,连续在夜间开展交直流条件下绝缘特性的试验研究。为了给研发提供基础性的试验数据,在大量和变压器油接触的操作中,科研人员即使带着耐油手套,双手也无法避免变压器油的腐蚀,有的成员在操作中手被划伤,受低温和变压器油腐蚀,伤口难以愈合,最终留下永久性的疤痕。


突破重重阻碍,取得换流变研发突破后,我国掌握了核心技术,打破了国外厂家在高端换流变压器领域的长期技术垄断,极大促进了国内直流设备制造的技术升级和跨越式发展。但是,还有长期受制于人的“卡脖子”组件。为此,中国电科院变压器技术研究室成立了攻关工作组,并开辟了两个战场:一手着力自主攻关以掌握核心技术,一手推动国外厂家整改确保运行安全。


经过一年多的攻关工作,目前该小组已经研发了分接开关全新电气拓扑,突破了国外拓扑专利封锁;从新型国产化替代方案的研发、新原理分接开关研发、新型压力释放技术研发、优化特高压直流控制保护技术、试验考核等方面取得全面突破。


通过对国家电网公司系统内1740支特高压套管运行状态和缺陷问题统计分析,以及24支进口故障套管解体检查和原因分析,中国电科院变压器技术研究室特高压套管攻关小组建立了国内首套特高压交直流套管综合性能考核平台。


项目立足于国产原材料电、磁、热、力等基础特性研究,解决了主绝缘结构设计、阀侧出线装置研制、温升控制、工艺体系研发等四方面难题。


十余年不懈努力后,中国电科院牵头完成了关键技术研究及工程应用,组织建立了全套具有自主知识产权的±800千伏换流变压器生产工艺体系及质量控制规范。


这标志着我国全面掌握了±800千伏换流变压器制造的核心技术,成为世界上第三个掌握±800千伏换流变压器全套知识产权并实际应用的国家。项目的落地应用提升了我国变压器行业硅钢片、绝缘材料、电磁线、出线装置等相关组件的整体水平,建立了完整的产业链,促进了我国乃至世界电力科技水平的升级进步。


“电力高速路” 成就“连接”世界的新名片


十年磨一剑,砺得梅花香。


从“花高价受洋罪”到走出国门面向全球,我国电力人艰苦努力已经迎来累累硕果。


在国内,2015年起,采用本项目技术的±800千伏换流变压器先后在在灵州—绍兴、滇西北—广东等特高压直流工程中应用43台。截至2020年年底,累计销售额超过40亿元。国内换流变压器单台价格从超过亿元的进口价降低至1300余万元,为特高压直流输电工程节省了极为可观的建设成本。


放眼海外,该项目中标的“±800千伏巴西美丽山二期特高压直流工程”,首次实现了自主化特高压换流变压器装备跨出国门,成为“一带一路”建设的标志性工程。“掌握了±800千伏换流变压器制造的核心技术,不仅让西南水电、西北风电太阳能资源的集约开发成为可能,也使得我国的电力装备技术在国际上‘走出去’,为我国高端电力装备制造业走向世界提供了支撑。”程焕超说。


电力工程中所用到的变压器也远远不只这一个,不仅仅是换流变压器,其他类型的变压器我们也开始利用国产技术武装自己并取得一系列成果。


这个“弹性”变压器,获得国家科学技术奖二等奖


配电变压器是电网从发电厂经输电线路、变电站及配电线路,最后把电能送到千家万户的最后环节。保障配电变压器重过载负荷下安全运行、轻空载负荷下低损耗高效运行,是电网安全经济运行的关键。


但是,我国用电负荷普遍呈现峰谷差大、平均负载率低的显著特性。这种情况下,配电变压器容量配置偏小,重载或过载易烧损;容量配置过大,长时间轻载或空载运行损耗高。然而,常规配电变压器的容量固定、不可调节。


如何避免负荷高峰时变压器“小马拉大车”和负荷低谷时变压器“杀鸡用牛刀”?


一个弹性容量的配电变压器显得尤为重要。


为了解决这个问题,中国电科院牵头“有载调容配电变压器关键技术、系列装备及规模化应用”项目,发明了有载调容建模分析理论方法,攻克了有载调容切换开关关键技术,实现了中国原创、世界首创的有载调容配电变压器核心技术的重大突破,填补了国内外空白。这项技术也获得了2020年度国家科学技术奖二等奖。


其实,对于可调节容量的变压器,供电一线要求十分强烈,而且也尝试相处办法解。


在农村电网存在许多季节性负荷特征特别突出的配电台区。供电员工会安装大小不同额定容量的两个配电变压器,用电旺季就只投入大容量变压器运行,用电淡季就只投入小容量变压器运行。


这种方法虽然经济安全,但不仅需要人工停电操作,还要经过提前制定停电计划、办理两票等繁琐程序,影响供电可靠性。除此之外,由于农村的用电负荷具有随机性的特征,若判断不够及时、不够准确,会导致变压器长时间过载运行造成烧毁事故。为此,科研人员开始思考如何实现变压器两种容量自动监测、判断和调整。有载调容配电变压器的研发从此开始酝酿。


有载调容变压器研制之初,相关技术国内外均无可借鉴成果。研发面临着有载调容暂态建模与切换过电流抑制、有载调容开关切换可靠灭弧、调容过程自适应协调控制三大难题。其中,最大的难题是有载调容开关切换的切换过电流抑制与可靠灭弧,因为容量切换时会产生电弧


为了解决这一难题,研究人员通过对有载调容切换关键参数,如过渡电阻值合理配置、采用串联多断口分级分压的开关安全熄弧关键技术,顺利解决了有载调容开关切换过电流抑制和可靠灭弧等难题。


有载调容控制器通过监测变压器低压侧的电压、电流,来判断当前负荷电流大小。如果满足前期整定的调容条件,控制器会将调容指令发送至有载调容开关,开关根据调容指令进行容量切换。“简单来说,有载调容变压器就像我们乘坐火车时,轨道上的自动铁轨切换器。它可以根据容量配置自动选择最优方案,同时兼顾用电经济性与安全性。”中国电科院配电所所长盛万兴说。


太平洋电力的9万千伏安的变压器实现1级能效


就在电力变压器新能效国标强制执行的前一天,常州太平洋电力集团研发的9万千伏安高电压大容量三相立体卷铁心变压器通过国家电器产品质量监督检验中心的型式试验,并达到1级能效标准,这是我国变压器制造领域的一次技术突破。


据悉,国内电网线路损耗40%以上是由变压器的损耗造成。按照要求,今年6月1日起,所有新增变压器须符合国家能效标准要求;到2023年,高效节能变压器中1级、2级能效标准的电力变压器在网运行比例提高10%。与此同步,为加大高效节能变压器推广力度,去年5月发布的GB20052-2020《电力变压器能效限定值及能效等级》将于今年6月1日起强制执行,到2023年,逐步淘汰不符合国家能效标准要求的变压器。


按照新能效等级标准,1级能效标准的11万伏电压等级的变压器最大容量为6.3万千伏安。常州太平洋电力集团采用卷铁心技术使得9万千伏安容量的变压器达到了1级能效。该变压器即将应用在冶金行业


据检验中心出具的报告显示,送检产品与同类产品相比,空载损耗可降低40%,空载电流降低70%,比国家1级能耗标准低10%,同时在温升、噪音、抗短路能力及局部放电等测试项目中的检测数据也完全满足或高于现行国家标准。太平洋电力集团总工程师吴志强说:“公司研发的高电压大容量变压器可以大大降低能耗的‘绝招’,就在于公司历经多年不断开发、完善的卷铁心技术,并在剪切、卷绕、退火等诸多工艺和生产设备上进行自主创新,实现了核心技术的重大突破。”据了解,相关机构鉴定后,认为该技术“达到世界领先水平”。


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