實現(xiàn)超、特高壓出線裝置自主化研制

項目名稱：超、特高壓變壓器/電抗器出線裝置關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用

主要參與單位：中國電力科學研究院有限公司，泰州新源電工器材有限公司，常州市英中電氣有限公司，保定天威保變電氣股份有限公司，西安西電變壓器有限責任公司，西安交通大學，特變電工沈陽變壓器集團有限公司

項目簡介：我國是世界上電力變壓器/電抗器制造和應(yīng)用第一大國，出線裝置作為其中唯一未實現(xiàn)國產(chǎn)化的核心組件，曾長期依賴進口。項目組歷時8年，研制成功330～1000千伏全系列出線裝置,使超高壓出線裝置及絕緣材料全面替代進口，特高壓變壓器/電抗器自主化率達到100%，已在7回特高壓工程、國內(nèi)外42回超高壓工程以及高鐵工程中得到應(yīng)用，部分產(chǎn)品出口至美國、加拿大等國，大大提升了我國電力裝備制造水平。

不能讓核心技術(shù)受制于人

超、特高壓變壓器/電抗器是電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，其中，出線裝置由于多物理場協(xié)同優(yōu)化、絕緣材料研制等技術(shù)難以突破，是唯一未實現(xiàn)國產(chǎn)化的核心組件。

日前，由中國電科院牽頭實施的“超、特高壓變壓器/電抗器出線裝置關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用”項目獲得2018年度國家科學技術(shù)進步獎二等獎。項目負責人李金忠介紹：“長期以來，由于基礎(chǔ)研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料配方和加工工藝等因素限制，國內(nèi)無法制造具有足夠機械和電氣強度的出線裝置。自1979年我國建設(shè)第一回500千伏平武超高壓輸電工程起，出線裝置一直依賴進口，成為制約我國超、特高壓技術(shù)發(fā)展的瓶頸?！?/span>

為了改變核心技術(shù)與工程建設(shè)受制于人的局面，國務(wù)院將“1000千伏特高壓交流輸變電成套設(shè)備的研制，全面掌握500千伏交直流和750千伏交流輸變電關(guān)鍵設(shè)備制造技術(shù)”列為國家重點科研任務(wù)，超、特高壓出線裝置研發(fā)被明確列入《國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》《中國制造2025》。

攻克關(guān)鍵技術(shù)難題

項目組依托國家科技支撐計劃、火炬計劃等，將科技創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)緊密結(jié)合，對出線裝置關(guān)鍵技術(shù)進行產(chǎn)學研聯(lián)合攻關(guān)，實現(xiàn)了一系列自主創(chuàng)新。

“出線裝置結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，電場集中且非對稱，同時還要承受器身傳導振動等多應(yīng)力作用，絕緣和機械結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計難度非常大?！表椖拷M技術(shù)專家、保變電氣劉東升介紹說，“項目研究前我國沒有超、特高壓出線裝置設(shè)計經(jīng)驗，項目組從零開始，建立超、特高壓出線裝置的電、磁、力多物理場分析模型，通過大量細致的基礎(chǔ)理論研究及仿真分析，最終形成油紙絕緣結(jié)構(gòu)與電極形狀、尺寸的設(shè)計方案?！?/span>

由于機械和電氣性能要求高，超、特高壓出線裝置制造需使用8毫米超厚絕緣紙板及成型件。此前，國產(chǎn)絕緣紙板厚度最大為5毫米，密度低，強度差。由于纖維搭配及形態(tài)控制技術(shù)不足，國內(nèi)廠家長期以來不具備生產(chǎn)高端電力設(shè)備用高密度厚絕緣紙板的能力。項目組技術(shù)專家泰州新源電工高步林介紹：“紙板制造中，提高密度可增強紙板的機械強度，但吸油性會隨之降低，導致電氣強度下降，紙板機械和電氣性能的協(xié)同提升是整個行業(yè)的難題。提高紙板厚度時，由于纖維間結(jié)合力不足，5毫米及以上超厚紙板極易分層，解決以上問題難度很大?！?/span>

項目組通過大量的纖維微觀形態(tài)分析和工藝方法試驗研究，掌握了紙板中木漿纖維形態(tài)配合與纖維之間結(jié)合力、密度、吸油性的變化規(guī)律，提出新型多漿料配方和磨漿工藝，使?jié){料中的纖維形態(tài)得到了有效控制，提高了紙板密度，并且調(diào)和了紙板密度和吸油性之間的矛盾。項目組研制的高密度絕緣紙板較國產(chǎn)常規(guī)紙板厚度增加60%，密度增加14%，吸油性增加10%，較進口產(chǎn)品電氣強度提高約5%、機械性能提高7%以上。

此外，項目組技術(shù)專家孫建濤介紹，國外出線裝置無單獨進行電氣性能試驗考核的方法和手段，裝置通過與變壓器/電抗器本體組裝后，利用整體試驗項目間接進行檢驗，考核不嚴格。試驗期間出線裝置一旦發(fā)生放電，將對設(shè)備本體造成損傷，經(jīng)濟損失巨大，因此亟須解決出線裝置獨立試驗的難題。

基于以上問題，項目組通過研究復雜油紙絕緣結(jié)構(gòu)局部放電規(guī)律，發(fā)明了多層油隙球型均壓結(jié)構(gòu)，模擬出線裝置與變壓器/電抗器本體連接時的電場分布，電場等效程度達95%以上；以安全運行60年為目標，提出了1.5倍最高運行電壓10小時長時工頻耐壓試驗方法；結(jié)合我國實際運輸條件，提出了10～500赫茲寬帶隨機振動加10克沖擊振動試驗方案。項目研制的獨立試驗系統(tǒng)支撐了特高壓出線裝置的自主研發(fā)，建立的標準體系填補了國內(nèi)外在該技術(shù)領(lǐng)域的空白。

高端裝備走出國門

項目成功研制了我國首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的1000千伏特高壓出線裝置以及330～1000千伏電壓等級全系列產(chǎn)品，絕緣性能更優(yōu)。8毫米厚絕緣紙板及成型件在電氣強度、拉伸強度、收縮率等方面均優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

自2013年9月在皖電東送特高壓工程首次應(yīng)用以來，已有31套我國自主研制的特高壓出線裝置應(yīng)用于浙北—福州、錫盟—山東等7回工程中，524套超高壓出線裝置應(yīng)用于甘肅橋灣、蘭州東擴建工程、國電大渡河、金中等42回工程中。我國自主研制的出線裝置還出口至美國、加拿大、白俄羅斯、印度、菲律賓、越南等國。

核心技術(shù)的突破有效平抑了高端輸變電產(chǎn)品的價格，特高壓出線裝置進口價格由每套200多萬元大幅降至60萬元左右，超高壓出線裝置由每套60萬元降至12萬元左右，為我國超、特高壓工程節(jié)約成本上億元。

項目研制的絕緣紙板、成型件及出線裝置打破了國外在關(guān)鍵絕緣材料及組件供貨領(lǐng)域的壟斷地位，使我國特高壓變壓器/電抗器的自主化率達到了100%，打通了超、特高壓變壓器/電抗器自主化研制的最后一公里。項目成果推動了我國變壓器/電抗器裝備制造技術(shù)由長期跟隨發(fā)達國家邁入國際一流行列，并實現(xiàn)了高端裝備走出國門，對提升我國電力裝備制造業(yè)水平意義重大。 

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