Производство УВН трансформатори: бавно, точно, необходимо
1. Преглед
Трансформаторите с ултра-високо напрежение (UHV) са основно оборудване в съвременните електроенергийни системи. Разбирането на техните нивата на напрежение, сложна структура, прецизни производствени процеси и критични технологии за производство разкрива защо те представляват върха на способността на държавата за производство на електроенергийно оборудване.
Определение на нивото на напрежението
Терминът „трансформатор с ултра-високо напрежение“ обикновено се отнася до трансформатори, използвани в линии за пренос на алтернативен ток с напрежение 1,000 кВ или по-високо, или в линии за пренос на постоянен ток с напрежение ±800 кВ или по-високо.
1.1 Техническа фона
Развитието на такива трансформатори с високо напрежение е подтиквано от националния икономически растеж и развитието на електроенергийния сектор, с цел осигуряване на дългобразен, висококапацитетен и с ниски загуби пренос на енергия. Например, още през 2010 г. Китай самостоятелно разработи 1,000 кВ / 1,000 МВА UHV трансформатор.
1.2 UHV в преноса на DC
Технологията UHV е равно важна и в преноса на високо напрежение постоянен ток (HVDC). Например, ±1,100 кВ UHV DC преобразувателен трансформатор е един от ключовите продукти в рамките на китайската стратегия „Made in China 2025“ и „Инициативата за икономически път“, с технология, която вече е призната за водеща в световен мащаб.
2. Основни компоненти
Трансформаторите с ултра-високо напрежение имат много сложна и прецизна структура. Един типичен маслено-потопен UHV трансформатор, например, се състои главно от следните компоненти:
| Компонент | Функции и характеристики |
| Железо | Изгражда се чрез ламиниране на висококачествени силицидни стоманени плочки, за да се формира основната магнитна цепь. Трансформаторите с УВН може да използват иновативни конструкции като шестмодулно разделяне на ядрото, за да намалят загубите и да облекчат транспортирането. |
| Обмотки | Включват високонапредни и нисконапредни обмотки. Обикновено нисконапредната обмотка е оплетена върху вътрешния слой, а високонапредната обмотка – върху външния слой. Това е основен компонент, който позволява на трансформатора да завърши преобразуването на напрежението. |
| Изолационна система | Включва изолация на обмотките, междинна изолация и трансформаторно масло. Трансформаторите с УВН ще използват многолевелина изградена ъглова пръстенова изолационна структура, компактна бариерна изолационна структура на резервоара и др., за да гарантират достатъчна изолационна маржа. |
| Маслен резервоар и трансформаторно масло | Масленият резервоар вместява желеозно ядро, обмотки и трансформаторно масло; трансформаторното масло играе ролята на изолация и охлаждане. |
| Устройство за регулиране на напрежението | Трансформаторите с УВН обикновено използват устройство за регулиране на напрежението при зареден трансформатор, и може да използват независим режим за външно регулиране на напрежението, т.е. тялото на трансформатора и резервоарът за регулиране на напрежението са разположени отделно. |
| Охладителна система | Разпространява топлината, генерирана по време на работа. Трансформаторите с УВН може да използват напредничави проекти като многоканална структура за разпространение на топлина и нова структура на маслени канали на зажима на желеозното ядро, за да оптимизират разпространението на топлина. |
| Защитни устройства и изолатори | Включват кондензатор, газов реле, абсорбент на влага, безопасен канал за въздух и др. Високонапредните и нисконапредните изолатори осъществяват връзка между вътрешните водещи и външните линии, и гарантират изолация от резервоара. Изолаторите с УВН имат сложни проекти, например, ще се използват многолевелини изолационни цилиндри и подпорни структури, за да се гарантира равномерно електрическо поле. |
3. Производствени процеси и ключови технологии
Производството на трансформатори с ултра-високо напрежение (UHV) е системен инженерен процес, който започва с суровите материали и завършва с крайния продукт. По-долу са изброени основните производствени етапи:
| Етап | Основно съдържание |
| Проектиране и избор на материали | Изпълняване на електромагнитен, изолационен и конструктивен дизайн въз основа на електрически параметри, както и избор на висококачествени кремниеви стоманени листове, безкислородни медни жици, високопроизводителни изолационни материали и т.н. |
| Производство на желязна ядро | Включва рязане, натрупване и зажимане на кремниеви стоманени листове. Точността на размерите и качеството на натрупването директно влияят върху магнитния път и безнагласната загуба. |
| Производство на обвивки | Обвивки на специални машини за обвивка въз основа на проекционни параметри и изпълнение на изолационна обработка (например обвивка с изолационна хартия). Броят на обиколките трябва да бъде точен, разположението плътно, а изолацията надеждна. |
| Изолационна обработка и изсушаване | Обвивките и трансформаторното тяло трябва да преминат през вакуумна лакировка и изсушаване, за да се подобри изолационната производителност. За продукти с УВН може да се използват устройства за газово изсушаване с висока мощност при монтаж на място, за да се гарантира, че съдържанието на влага в изолационните материали е ≤ 0,4%. |
| Производство на маслото и компонентите | Производство на маслото на трансформатора и метални конструктивни компоненти като зажими и защитни елементи. |
| Финален монтаж | Интегрално монтаж на изсушеното желязно ядро, обвивки, водещи жици и др. в маслото, включително разполагане и фиксиране на водещите жици, както и монтаж на добавки като контактни гнезда и охлаждателни устройства. |
| Инспекция и тестове | Преди доставка са необходими серия от строги тестове, като изпробвания на изолационна устойчивост, изпробвания на безнагласни/нагласни загуби, измерване на частични разряди, експерименти по повишаване на температурата и др. |
Следващите ключови процеси са критични за производителността и продължителността на експлоатация на трансформаторите за ултра-високо напрежение (UHV) и изискват специално внимание:
3.1 Електромагнитен дизайн и контрол на страй флюкс
3.1.1 Важност
Трансформаторите UHV имат много високи капацитети (например, до 500 MVA на част), което прави проблема със страй флюкс по-изразен. Прехвърлящият се флюкс може да причини локално прекомерно затопляне и допълнителни загуби, които засягат безопасната експлоатация.
3.1.2 Ключови разглеждания
Трябва да се прилагат напреднали техники за електромагнитна симулация. Мерки като иновативно магнитно екраниране на яке и „L-образно“ медно екраниране на съединенията на резервоара се използват, за да се намалят ефективно завихренията на тока в конструктивните компоненти – до 25%.
3.2 Дизайн и обработка на изолационна структура
3.2.1 Важност
Изолационната система е жизнената нишка за надеждната работа на трансформаторите UHV, тъй като трябва да издържа крайно високи оперативни напрежения и потенциални перенапрежения.
3.2.2 Ключови разглеждания
Се приемат дизайни като многолистова формувана ъглова изолационна структура, за да се осигури равномерно разпределение на електрическото поле и достатъчен изолационен марж в краищата на бобините и изходите на водачите. Процесите на вакуумна пропитка и изсушаване трябва да бъдат стриктно контролирани – например, използването на висококапацитетно местно оборудване за изсушаване чрез парна фаза, за да се осигури пълно изсушаване на изолационните материали, достигайки съдържание на влага ≤ 0,4%. Това е критично, за да се предотвратят частични разряди и пробив на изолацията.
3.3 Процес на сборка на място
3.3.1 Важност
В региони с трудни транспортни условия – като високогорски или планински райони – трансформаторите UHV трябва да бъдат събирани на място. Това включва демонтаж, транспортиране, защита и повторна сборка на хиляди компоненти, което прави сложността на дизайна и процеса далеч по-голяма от тази на конвенционалните трансформатори.
3.3.2 Ключови разглеждания
Есенциални са модуларни конструктивни дизайни – например, сегментирани рамки на яке и отделими съединителни структури. Точността на сборката на място трябва да достига милиметрова прецизност (например, отклонение на центрироването на бобината към якето < 3 мм). Изисква се строг процес за контрол на допуските, предпазване от влага и защита от замърсяване, за да се осигури производителността след сборката.
3.4 Изготовление на бобини и контрол на качеството
3.4.1 Важност
Качеството на бобините директно определя електрическата производителност, механичната устойчивост и устойчивостта при краткосрочно замыкание на трансформатора.
3.4.2 Ключови разглеждания
Трябва да се използва автоматизирано оборудване за бобиниране, за да се постигне прецизен контрол на натрупаното напрежение и подравняване на слоевете. След бобинирането се провеждат тестове за устойчивост на сетево напрежение и DC съпротивление, за да се елиминира рискът от междувиткови краткосрочни замыкания.
3.5 Фабрични приемни тестове и измерване на частични разряди
3.5.1 Важност
Тези тестове служат като последна точка за проверка на качеството преди доставка, идентифицирайки потенциални дефекти в дизайна или производството.
3.5.2 Ключови разглеждания
Освен стандартните тестове, измерването на частични разряди (PD) е особено критично. PD тестовете са много чувствителни към микроскопични дефекти в изолацията и служат като ключов показател за вътрешното състояние на изолацията.
3.6 Бобиниране на бобини за трансформатори UHV
3.6.1
| Етап | Роля и стойност на ръчната операция | Роля на механичната/техническа помощ |
| Процес на намотване на ядрото | Доминираща. Майсторите се ползват от докос, зрение и опит, за да контролират с прецизност хиляди детайли като позицията на жицата, натягането и разположението на изолационни части. | Помощна. Предоставя стабилна платформа за намотване и основна енергия, но не може да замести финалната прецизна корекция. |
| Прецизен контрол | Основен гаранция. Водещите майстори могат да контролират допуските между две слоя жица в рамките на 1 мм (индустриалният стандарт е 2 мм), за да осигурят оптимална електрическа производителност. | Предоставя измервателни инструменти (например линийки), но реализирането на прецизност зависи от моментната оценка и финна подправка от страна на майсторите. |
| Специални процеси (например сваряване) | Незаменима. Срещу хиляди типове жици и хиляди точки за сваряване, майсторите трябва да контролират точно температурата, разстоянието и времето, например при процеса на височестотно сваряване. | Предоставя оборудване за сваряване, но контролът на параметрите и операциите се основава напълно на уменията на майсторите. |
| Бъдещо развитие | „Неизречената“ знания на опитните майстори все още са в сърцевината. | Интелектуализация и цифровизация. Преобразуване на опита на отличните майстори в данни за проследяване на качеството и наблюдение на околната среда, натрупвайки знания за бъдещата интелигентност. |
3.6.2 Причини, поради които опаковката на бобините не може напълно да бъде автоматизирана
Има три основни причини, поради които ръчната изработка остава незаменима в опаковката на бобините на UHV трансформатори:
3.6.2.1 Екстремни изисквания за точност
Бобините на UHV трансформатори обикновено са опаковани от хиляди метри проводник, формиращи няколко хиляди витка, с крайна тегло, достигащо 20–30 метрични тона. През целия процес на опаковка всяко докосване с чук, разположение на всеки изолационен интервал и обвиване на всяка слой изолационна хартия трябва да бъдат изпълнени с абсолютна точност—всяко отклонение е неприемливо. Този ниво на реално време преценяване и микрорегулировка надхвърля текущите възможности на машините, чиито „руце“ и „очи“ все още не могат да съответстват на ловкостта и интуицията на майсторите.
3.6.2.2 Структурна сложност и приспособяемост
UHV трансформаторите имат широк асортимент от дизайни с много сложни и променливи структури. Например, в ±1,100 kV преобразувателни трансформатори, може да са необходими стотици или дори хиляди сварни точки, за да се свържат различни видове проводници. Операторите трябва да коригират техниките в реално време в зависимост от минимални разлики в материалите на жиците—подобно на „свързване на капилари“. Това нестандартизирано, високо адаптивно вземане на решения и изпълнение е точно там, където ръчната умения издава най-добро.
3.6.2.3 Непреклонно стремеж към качество
Една единствена бобина включва десетки хиляди критични детайли. Най-малката пропускане—например, пропускане на един слой изолационна хартия—може да доведе до разрушаване на изолацията, което води до повторни разходи от стотици хиляди или дори милиони юана, и потенциално поставя под заплаха безопасността на цялата електрическа мрежа. Въз основа на този екстремен риск от качеството, разчитането на високо отговорни и изключително умели занаятчици остава най-надеждния подход.
4. Производствени възможности
В индустрията на UHV трансформаторите, годишната продукция обикновено се измерва в общо капацитет (в kVA), а не по брой единици, тъй като рейтингът на отделните трансформатори варира значително—от няколко стотици MVA до над 1,000 MVA на единица.
4.1 Практична капацитет и стратегическо равновесие
Учитывайки времево интензивния характер на ръчната опаковка, как индустрията удовлетворява заявките?
4.1.1 Надеждност над бързина
UHV трансформаторите често се наричат „сърцето“ на електрическата мрежа, където надеждността е на първо място. Например, майстор занаятчик Zhang Guoyun е участвал в опаковката на повече от 10,000 бобини за 25 години, с общо дължина на проводника, надхвърляща 40,000 километра. Ръчно опакованите бобини му постоянно постигат допусци между слоевете проводник в рамките на 1 мм—половина от стандартната индустриална норма от 2 мм. Тази изключителна точност, която машините все още не могат стабилно да репликират, директно определя производителността и продължителността на живота на трансформатора.
4.1.2 Как се измерва капацитетът
Тези висококачествени активи се произвеждат строго „на поръчка“, а не за склад—подобно на строителството на авиомахи или EUV литографски машини. Капацитетът е следователно дефиниран от колко квалифицирани единици фабрика може успешно да достави за година.
4.1.3 Стратегии за подобряване на общата ефективност
За подобряване на ефективността без компромис с качеството, производителите инвестираха сериозно в обучението на големи екипи от висококвалифицирани техници. Например, „Студио за иновации на майстори занаятчии“ са обучили над 2,000 служители в напреднали техники на опаковка. Освен това планирането на производството и управлението на работните процеси са оптимизирани, за да се осигури безпроблемна координация между основните операции по опаковка и поддръжката на процесите преди и след тях.
| Съдържание | Данни/Мащаб | Ключова информация |
| Капацитет на лидер в индустрията | TBEA разполага с годишен капацитет от около 495 милиона кВА | Представлява най-големият домакински производствен мащаб. |
| Общ домакински капацитет | През 2023 г. капацитетът на ултра-високонапрегнатите трансформатори в Китай беше около 50 милиона кВА (0.5 милиарда кВА) и се очаква да достигне 60 милиона кВА (0.6 милиарда кВА) през 2025 г. | Отразява общият ниво на капацитета на ултра-високонапрегнатите трансформатори по цялата страна. |
| Производствен цикъл | Производственият цикъл на ултра-високонапрегнатите трансформатори е изключително дълъг, обикновено продължава 18 до 36 месеца | Това е най-критичният фактор, ограничаващ годишния износ. |
4.2 Защо годишният обем е ограничен
Годишният обем производство на трансформатори за ултрависоко напрежение (UHV) не може да бъде измерен с „десетки хиляди“, както обикновените стоки, главно поради техните изключително сложни производствени процеси и изключително дълги цикли на производство.
4.2.1 Технически сложно и времепотребителски
Често наречени „сърцето“ на електроенергийната мрежа, UHV трансформаторите са подложени на изключително строги стандарти в проектуването, материали, производството и тестовете. Целият процес – от закупуването на суровини и прецизно изработване на основни компоненти (като намотките и ядрата) до крайна монтажа и месеци на дълго и строго тестване – изисква много време за завършване.
4.2.2 Капацитет разпределен между няколко големи проекти
По света само няколко компании притежават способността да произвеждат UHV трансформатори с напрежение ±800 кВ или повече (например, TBEA, XD Group, Siemens, ABB). Националните UHV проекти са одобрени и изграждани по фази, с количествата трансформатори внимателно планирани зарано за всеки голям проект. Например, един проект за UHV DC предаване може да изисква десетки конверторни трансформатори. Следователно, огромният производствен капацитет на водещите производители – като почти 500 милиона кВА на TBEA – е насочен към изпълнение на конкретни голями проектни поръчки, а не за производство на наличност за спекулация.
4.3 Индустриален контекст и глобален споразумение
4.3.1 Силно домашно развитие
Конструкцията на китайската UHV мрежа в момента е в период на бързо разрастване. Според националното планиране, през периода на 14-та петгодишна програма (2021–2025), State Grid е планирала 38 нови UHV линии – 24 AC и 14 DC проекти – значително надхвърляйки мащаба на 13-та петгодишна програма. Това предоставя стабилен и растящ вътрешен пазар за UHV трансформатори.
4.3.2 Растящ глобален споразумение с Китай като ключов доставчик
Посветено, електроенергийната индустрия изправена е пред сериозен недостиг на трансформатори. Времетраенето на доставката на стандартни трансформатори вече е продължило над две години, а за големите силови трансформатори достига три до четири години. На този фон, Китай е станал ключов глобален доставчик благодарение на своята пълна индустриална верига, висока производствена ефективност (например, докато чуждестранните производители изискват около 18 месеца за изграждането на един UHV трансформатор, водещите китайски фирми могат да го завършат приблизително за три месеца) и конкурентноспособност по цената. Експортът на трансформатори от Китай е рязко се увеличил – достигайки RMB 29.711 млрд. само за първите осем месеца на 2025 година, което представлява увеличение с повече от 50% на годишна база – показвайки, че производствената способност на Китай активно удовлетворява нарастващия международен споразумение.
4. Заключение
Като „силен двигател“ на електроенергия, който предава енергия през планини и долини, UHV трансформаторът представя най-високите нива на инженерна изтънченост – от проектуването и материалите до всяка една стъпка в производството. Именно тези строги процеси и прориви в критичните технологии подкрепят днешната модерна, ефективна и високо надеждна UHV електроенергийна мрежа.
