換流變壓器是特高壓直流輸電工程中至關(guān)重要的關(guān)鍵設(shè)備。它是輸電系統(tǒng)中的換流、逆變兩端接口的核心設(shè)備，事關(guān)整個(gè)電網(wǎng)工程正常運(yùn)行。

國(guó)之重器，不可仰賴于人。

近日，業(yè)界傳來(lái)喜訊：由中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司牽頭，聯(lián)合國(guó)內(nèi)頂尖制造企業(yè)、高校共同完成的“±800kV換流變壓器自主化研制與應(yīng)用”項(xiàng)目，榮獲2020年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。這標(biāo)志著上述核心技術(shù)已經(jīng)成功突破國(guó)外壟斷。

核心技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷 “電網(wǎng)樞紐”一度受制于人

±800千伏特高壓直流輸電工程是世界上先進(jìn)的輸電技術(shù)工程。

要保證特高壓直流輸電工程安全、平穩(wěn)、高效地運(yùn)行，±800千伏換流變壓器連接交流電網(wǎng)與換流閥廳至關(guān)重要。作為整個(gè)系統(tǒng)的核心“樞紐”，換流變壓器長(zhǎng)期處于交直流電場(chǎng)等復(fù)雜應(yīng)力作用下，運(yùn)行工況苛刻，是難度大、價(jià)值高的核心設(shè)備。

然而，2014年以前，全世界僅ABB、西門子等國(guó)外企業(yè)掌握±800千伏換流變壓器設(shè)計(jì)制造技術(shù)。如果要自研，則要突破絕緣設(shè)計(jì)、出線裝置、溫升控制、制造工藝四大關(guān)鍵技術(shù)，解決絕緣受限、材料特性、精確計(jì)算、精準(zhǔn)工藝等技術(shù)難題，將面臨極大的考驗(yàn)。

果斷自研還是將就依賴國(guó)外？中國(guó)電力人給出了自己的判斷。

“即使通過(guò)技術(shù)轉(zhuǎn)讓，還是得依賴外方的圖紙、方案和進(jìn)口關(guān)鍵原材料和組、部件。”中國(guó)電科院變壓器技術(shù)研究室主任程煥超介紹，“三峽電站的電力送出工程初都是采用ABB、西門子的設(shè)備。如果不打破涉及超大型裝備研發(fā)、系統(tǒng)穩(wěn)定及潮流控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)的封鎖，今后所有相關(guān)的工程都要付出高昂的成本。”

理智的分析告訴科技工作者：除了自主研發(fā)，沒(méi)有其他道路可以選擇。

歷時(shí)十余年 換流變及其組件研發(fā)相繼突破

面對(duì)國(guó)家能源戰(zhàn)略需求迫切和能源電力發(fā)展核心技術(shù)亟待突破的雙重難題，中國(guó)電科院以市場(chǎng)為導(dǎo)向，與國(guó)內(nèi)知名高校、科研院所、設(shè)備研制單位通力協(xié)作，邊研究、邊設(shè)計(jì)、邊攻關(guān)。

實(shí)現(xiàn)±800千伏換流變壓器國(guó)產(chǎn)化，研制國(guó)產(chǎn)化出線裝置成為科研人員面臨的優(yōu)秀關(guān)。項(xiàng)目組堅(jiān)持自主設(shè)計(jì)一套出線裝置試驗(yàn)樣機(jī)，在國(guó)內(nèi)外首次開(kāi)展了工程樣機(jī)1：1的裕度試驗(yàn)后，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了后續(xù)實(shí)驗(yàn)中可能存在的絕緣層間固定、爬電抑制措施等隱患并成功解決，支撐了國(guó)產(chǎn)出線裝置的研發(fā)。

國(guó)產(chǎn)化±800千伏換流變壓器的絕緣內(nèi)部放電試驗(yàn)通常需要在夜間開(kāi)展。攻關(guān)節(jié)點(diǎn)正值冬季，新建的試驗(yàn)大廳沒(méi)有暖氣，試驗(yàn)配套設(shè)施也不完善，夜間試驗(yàn)異常寒冷。團(tuán)隊(duì)成員克服各種困難，自行購(gòu)置睡袋、行軍床，連續(xù)在夜間開(kāi)展交直流條件下絕緣特性的試驗(yàn)研究。為了給研發(fā)提供基礎(chǔ)性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在大量和變壓器油接觸的操作中，科研人員即使帶著耐油手套，雙手也無(wú)法避免變壓器油的腐蝕，有的成員在操作中手被劃傷，受低溫和變壓器油腐蝕，傷口難以愈合，終留下永久性的疤痕。

突破重重阻礙，取得換流變研發(fā)突破后，我國(guó)掌握了核心技術(shù)，打破了國(guó)外廠家在高端換流變壓器領(lǐng)域的長(zhǎng)期技術(shù)壟斷，極大促進(jìn)了國(guó)內(nèi)直流設(shè)備制造的技術(shù)升級(jí)和跨越式發(fā)展。但是，還有長(zhǎng)期受制于人的“卡脖子”組件。為此，中國(guó)電科院變壓器技術(shù)研究室成立了攻關(guān)工作組，并開(kāi)辟了兩個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)：一手著力自主攻關(guān)以掌握核心技術(shù)，一手推動(dòng)國(guó)外廠家整改確保運(yùn)行安全。

經(jīng)過(guò)一年多的攻關(guān)工作，目前該小組已經(jīng)研發(fā)了分接開(kāi)關(guān)全新電氣拓?fù)洌黄屏藝?guó)外拓?fù)鋵＠怄i；從新型國(guó)產(chǎn)化替代方案的研發(fā)、新原理分接開(kāi)關(guān)研發(fā)、新型壓力釋放技術(shù)研發(fā)、優(yōu)化特高壓直流控制保護(hù)技術(shù)、試驗(yàn)考核等方面取得全面突破。

通過(guò)對(duì)國(guó)家電網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)1740支特高壓套管運(yùn)行狀態(tài)和缺陷問(wèn)題統(tǒng)計(jì)分析，以及24支進(jìn)口故障套管解體檢查和原因分析，中國(guó)電科院變壓器技術(shù)研究室特高壓套管攻關(guān)小組建立了國(guó)內(nèi)首套特高壓交直流套管綜合性能考核平臺(tái)。

項(xiàng)目立足于國(guó)產(chǎn)原材料電、磁、熱、力等基礎(chǔ)特性研究，解決了主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、閥側(cè)出線裝置研制、溫升控制、工藝體系研發(fā)等四方面難題。

十余年不懈努力后，中國(guó)電科院牽頭完成了關(guān)鍵技術(shù)研究及工程應(yīng)用，組織建立了全套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的±800千伏換流變壓器生產(chǎn)工藝體系及質(zhì)量控制規(guī)范。

這標(biāo)志著我國(guó)全面掌握了±800千伏換流變壓器制造的核心技術(shù)，成為世界上第三個(gè)掌握±800千伏換流變壓器全套知識(shí)產(chǎn)權(quán)并實(shí)際應(yīng)用的國(guó)家。項(xiàng)目的落地應(yīng)用提升了我國(guó)變壓器行業(yè)硅鋼片、絕緣材料、電磁線、出線裝置等相關(guān)組件的整體水平，建立了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)了我國(guó)乃至世界電力科技水平的升級(jí)進(jìn)步。

“電力高速路” 成就“連接”世界的新名片

十年磨一劍，礪得梅花香。

從“花高價(jià)受洋罪”到走出國(guó)門面向全球，我國(guó)電力人艱苦努力已經(jīng)迎來(lái)累累碩果。

在國(guó)內(nèi)，2015年起，采用本項(xiàng)目技術(shù)的±800千伏換流變壓器先后在在靈州—紹興、滇西北—廣東等特高壓直流工程中應(yīng)用43臺(tái)。截至2020年年底，累計(jì)銷售額超過(guò)40億元。國(guó)內(nèi)換流變壓器單臺(tái)價(jià)格從超過(guò)億元的進(jìn)口價(jià)降低至1300余萬(wàn)元，為特高壓直流輸電工程節(jié)省了極為可觀的建設(shè)成本。

放眼海外，該項(xiàng)目中標(biāo)的“±800千伏巴西美麗山二期特高壓直流工程”，首次實(shí)現(xiàn)了自主化特高壓換流變壓器裝備跨出國(guó)門，成為“一帶一路”建設(shè)的標(biāo)志性工程。“掌握了±800千伏換流變壓器制造的核心技術(shù)，不僅讓西南水電、西北風(fēng)電太陽(yáng)能資源的集約開(kāi)發(fā)成為可能，也使得我國(guó)的電力裝備技術(shù)在國(guó)際上‘走出去’，為我國(guó)高端電力裝備制造業(yè)走向世界提供了支撐。”程煥超說(shuō)。

電力工程中所用到的變壓器也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只這一個(gè)，不僅僅是換流變壓器，其他類型的變壓器我們也開(kāi)始利用國(guó)產(chǎn)技術(shù)武裝自己并取得一系列成果。

這個(gè)“彈性”變壓器，獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)

配電變壓器是電網(wǎng)從發(fā)電廠經(jīng)輸電線路、變電站及配電線路，后把電能送到千家萬(wàn)戶的后環(huán)節(jié)。保障配電變壓器重過(guò)載負(fù)荷下安全運(yùn)行、輕空載負(fù)荷下低損耗高效運(yùn)行，是電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。

但是，我國(guó)用電負(fù)荷普遍呈現(xiàn)峰谷差大、平均負(fù)載率低的顯著特性。這種情況下，配電變壓器容量配置偏小，重載或過(guò)載易燒損；容量配置過(guò)大，長(zhǎng)時(shí)間輕載或空載運(yùn)行損耗高。然而，常規(guī)配電變壓器的容量固定、不可調(diào)節(jié)。

如何避免負(fù)荷高峰時(shí)變壓器“小馬拉大車”和負(fù)荷低谷時(shí)變壓器“殺雞用牛刀”？

一個(gè)彈性容量的配電變壓器顯得尤為重要。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，中國(guó)電科院牽頭“有載調(diào)容配電變壓器關(guān)鍵技術(shù)、系列裝備及規(guī)模化應(yīng)用”項(xiàng)目，發(fā)明了有載調(diào)容建模分析理論方法，攻克了有載調(diào)容切換開(kāi)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)原創(chuàng)、世界首創(chuàng)的有載調(diào)容配電變壓器核心技術(shù)的重大突破，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白。這項(xiàng)技術(shù)也獲得了2020年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

其實(shí)，對(duì)于可調(diào)節(jié)容量的變壓器，供電一線要求十分強(qiáng)烈，而且也嘗試相處辦法解。

在農(nóng)村電網(wǎng)存在許多季節(jié)性負(fù)荷特征特別突出的配電臺(tái)區(qū)。供電員工會(huì)安裝大小不同額定容量的兩個(gè)配電變壓器，用電旺季就只投入大容量變壓器運(yùn)行，用電淡季就只投入小容量變壓器運(yùn)行。

這種方法雖然經(jīng)濟(jì)安全，但不僅需要人工停電操作，還要經(jīng)過(guò)提前制定停電計(jì)劃、辦理兩票等繁瑣程序，影響供電可靠性。除此之外，由于農(nóng)村的用電負(fù)荷具有隨機(jī)性的特征，若判斷不夠及時(shí)、不夠準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致變壓器長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載運(yùn)行造成燒毀事故。為此，科研人員開(kāi)始思考如何實(shí)現(xiàn)變壓器兩種容量自動(dòng)監(jiān)測(cè)、判斷和調(diào)整。有載調(diào)容配電變壓器的研發(fā)從此開(kāi)始醞釀。

有載調(diào)容變壓器研制之初，相關(guān)技術(shù)國(guó)內(nèi)外均無(wú)可借鑒成果。研發(fā)面臨著有載調(diào)容暫態(tài)建模與切換過(guò)電流抑制、有載調(diào)容開(kāi)關(guān)切換可靠滅弧、調(diào)容過(guò)程自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制三大難題。其中，大的難題是有載調(diào)容開(kāi)關(guān)切換的切換過(guò)電流抑制與可靠滅弧，因?yàn)槿萘壳袚Q時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧。

為了解決這一難題，研究人員通過(guò)對(duì)有載調(diào)容切換關(guān)鍵參數(shù)，如過(guò)渡電阻值合理配置、采用串聯(lián)多斷口分級(jí)分壓的開(kāi)關(guān)安全熄弧關(guān)鍵技術(shù)，順利解決了有載調(diào)容開(kāi)關(guān)切換過(guò)電流抑制和可靠滅弧等難題。

有載調(diào)容控制器通過(guò)監(jiān)測(cè)變壓器低壓側(cè)的電壓、電流，來(lái)判斷當(dāng)前負(fù)荷電流大小。如果滿足前期整定的調(diào)容條件，控制器會(huì)將調(diào)容指令發(fā)送至有載調(diào)容開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)根據(jù)調(diào)容指令進(jìn)行容量切換。“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，有載調(diào)容變壓器就像我們乘坐火車時(shí)，軌道上的自動(dòng)鐵軌切換器。它可以根據(jù)容量配置自動(dòng)選擇優(yōu)方案，同時(shí)兼顧用電經(jīng)濟(jì)性與安全性。”中國(guó)電科院配電所所長(zhǎng)盛萬(wàn)興說(shuō)。

太平洋電力的9萬(wàn)千伏安的變壓器實(shí)現(xiàn)1級(jí)能效

就在電力變壓器新能效國(guó)標(biāo)強(qiáng)制執(zhí)行的前一天，常州太平洋電力集團(tuán)研發(fā)的9萬(wàn)千伏安高電壓大容量三相立體卷鐵心變壓器通過(guò)國(guó)家電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的型式試驗(yàn)，并達(dá)到1級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)，這是我國(guó)變壓器制造領(lǐng)域的一次技術(shù)突破。

據(jù)悉，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)線路損耗40%以上是由變壓器的損耗造成。按照要求，今年6月1日起，所有新增變壓器須符合國(guó)家能效標(biāo)準(zhǔn)要求；到2023年，高效節(jié)能變壓器中1級(jí)、2級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)的電力變壓器在網(wǎng)運(yùn)行比例提高10%。與此同步，為加大高效節(jié)能變壓器推廣力度，去年5月發(fā)布的GB20052-2020《電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)》將于今年6月1日起強(qiáng)制執(zhí)行，到2023年，逐步淘汰不符合國(guó)家能效標(biāo)準(zhǔn)要求的變壓器。

按照新能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，1級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)的11萬(wàn)伏電壓等級(jí)的變壓器大容量為6.3萬(wàn)千伏安。常州太平洋電力集團(tuán)采用卷鐵心技術(shù)使得9萬(wàn)千伏安容量的變壓器達(dá)到了1級(jí)能效。該變壓器即將應(yīng)用在冶金行業(yè)。

據(jù)檢驗(yàn)中心出具的報(bào)告顯示，送檢產(chǎn)品與同類產(chǎn)品相比，空載損耗可降低40%，空載電流降低70%，比國(guó)家1級(jí)能耗標(biāo)準(zhǔn)低10%，同時(shí)在溫升、噪音、抗短路能力及局部放電等測(cè)試項(xiàng)目中的檢測(cè)數(shù)據(jù)也完全滿足或高于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。太平洋電力集團(tuán)總工程師吳志強(qiáng)說(shuō)：“公司研發(fā)的高電壓大容量變壓器可以大大降低能耗的‘絕招’，就在于公司歷經(jīng)多年不斷開(kāi)發(fā)、完善的卷鐵心技術(shù)，并在剪切、卷繞、退火等諸多工藝和生產(chǎn)設(shè)備上進(jìn)行自主創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了核心技術(shù)的重大突破。”據(jù)了解，相關(guān)機(jī)構(gòu)鑒定后，認(rèn)為該技術(shù)“達(dá)到世界領(lǐng)先水平”。