UHV-Transformatorproduktion: Langsam Präzise Unverzichtbar
1. Übersicht
Ultrahochspannungs-Umspanner (UHV-Umspanner) sind Kernkomponenten moderner Energieversorgungssysteme. Das Verständnis ihrer Spannungsebenen, der komplexen Struktur, präziser Fertigungsprozesse und kritischer Produktionsmethoden zeigt, warum sie den Gipfel der Leistungsfähigkeit eines Landes in der Herstellung von Energieausrüstungen darstellen.
Definition der Spannungsebene
Der Begriff "Ultrahochspannungs-Umspanner" bezieht sich in der Regel auf Umspanner, die in Wechselstrom-Übertragungsleitungen mit einer Spannung von 1.000 kV oder höher oder in Gleichstrom-Übertragungsleitungen mit einer Spannung von ±800 kV oder höher eingesetzt werden.
1.1 Technischer Hintergrund
Die Entwicklung solcher Hochspannungs-Umspanner wird durch das wirtschaftliche Wachstum und die Entwicklung des Energiesektors eines Landes getrieben, um eine langstreckige, hochkapazitive und verlustarme Energieübertragung zu ermöglichen. So entwickelte China bereits 2010 unabhängig einen 1.000-kV/1.000-MVA-UHV-Umspanner.
1.2 UHV in der Gleichstromübertragung
UHV-Technologie ist auch in der Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HVDC) entscheidend. Zum Beispiel ist der ±1.100-kV-UHV-Gleichstrom-Umspanner eines der Schlüsselprodukte im Rahmen Chinas „Made in China 2025“- und „One Belt, One Road“-Strategien, dessen Technologie nun als weltweit führend anerkannt wird.
2. Hauptkomponenten
UHV-Umspanner weisen hochkomplexe und präzise Strukturen auf. Am Beispiel eines typischen ölgefüllten UHV-Umspanners besteht er hauptsächlich aus den folgenden Komponenten:
| Komponente | Funktionen und Merkmale |
| Eisenkern | Er wird durch das Verleimen hochwertiger Siliziumstahlbleche gebildet, um den Hauptmagnetkreis zu bilden. UHV-Transformatoren können innovative Strukturen wie einen sechsteiligen segmentierten Kern anwenden, um Verluste zu reduzieren und den Transport zu erleichtern. |
| Wicklungen | Einschließlich Hochspannungswicklungen und Niederspannungswicklungen. Im Allgemeinen wird die Niederspannungswicklung auf der inneren Schicht gewickelt, und die Hochspannungswicklung auf der äußeren Schicht. Es ist die Kernkomponente, mit der der Transformator die Spannungsumwandlung vollzieht. |
| Isoliersystem | Einschließlich Wickelisolierung, Zwischenschichtisolierung und Transformatorenöl. UHV-Transformatoren werden mehrschichtige geformte Eckenringisolierstrukturen, kompakte Behälterwand-Schirmisolierstrukturen usw. anwenden, um eine ausreichende Isolationsreserve sicherzustellen. |
| Ölbehälter und Transformatorenöl | Der Ölbehälter beherbergt den Eisenkern, die Wicklungen und das Transformatorenöl; das Transformatorenöl spielt die Rolle der Isolation und Kühlung. |
| Spannungsregelungseinrichtung | UHV-Transformatoren verwenden in der Regel einen Neutralpunkts-Belastungsschalter für die Spannungsregelung und können ein unabhängiges externes Spannungsregelungsverfahren anwenden, d.h., der Transformatorkörper und der Spannungsregelungs-Kompensationstransformatorbehälter sind getrennt angeordnet. |
| Kühlsystem | Es verteilt die während des Betriebs erzeugte Wärme. UHV-Transformatoren können fortschrittliche Designs wie mehrkanalige Körperschaltungen zur Wärmeabgabe und neue Eisenklemmölpassagenstrukturen anwenden, um die Wärmeabgabe zu optimieren. |
| Schutzgeräte und Buchsen | Einschließlich Ausgleichsbecher, Gasrelais, Feuchtigkeitsschwamm, Sicherheitsluftweg usw. Hoch- und Niederspannungsisolierbuchsen realisieren die Verbindung zwischen internen Leitern und externen Leitungen und sorgen für die Isolation zum Behälter. UHV-Buchsen haben komplexe Designs, z.B. werden mehrschichtige Isolierzylinder und Stützstrebenstrukturen verwendet, um ein gleichmäßiges elektrisches Feld sicherzustellen. |
3. Fertigungsprozesse und Schlüsseltechnologien
Die Herstellung von UHV-Transformatorn ist ein systematischer Ingenieurprozess, der von Rohstoffen bis zu fertigen Produkten reicht. Die folgenden Hauptproduktionsstufen werden dargestellt:
| Phase | Kerninhalte |
| Design und Materialauswahl | Durchführung des elektromagnetischen, der Isolierungs- und Strukturdesigns basierend auf elektrischen Parametern und Auswahl hochwertiger Siliziumstahlbleche, sauerstofffreier Kupferdrähte, leistungsfähiger Isoliermaterialien usw. |
| Herstellung des Eisenkerns | Einschließlich Schneiden, Stapeln und Klemmen von Siliziumstahlblechen. Die Maßgenauigkeit und die Stapelqualität beeinflussen direkt die Leistung des magnetischen Kreises und den Leerlaufverlust. |
| Wicklungsherstellung | Auf speziellen Wickelmaschinen gemäß den Designparametern werden Spulen gewickelt und eine Isolierung durchgeführt (z.B. Umwickeln mit Isolierpapier). Die Anzahl der Windungen muss genau sein, die Anordnung dicht und die Isolierung verlässlich. |
| Isolierbehandlung und Trocknung | Die Wicklungen und der Transformatorkörper müssen einer Vakuumharzimpregnierung und -trocknung unterzogen werden, um die Isolierleistung zu verbessern. Für UHV-Produkte können bei der Montage vor Ort Hochleistungsgasphasentrocknungsgeräte verwendet werden, um sicherzustellen, dass der Feuchtigkeitsgehalt der Isoliermaterialien ≤ 0,4 % beträgt. |
| Ölbehälter- und Komponentenherstellung | Herstellung von Transformatorölbehältern und metallischen Strukturkomponenten wie Klammern und Schilden. |
| Endmontage | Integrale Montage des getrockneten Eisenkerns, der Wicklungen, der Leitungen usw. im Ölbehälter, einschließlich Anordnung und Befestigung der Leitungen sowie Installation von Zubehör wie Dichtungsschläuchen und Kühlvorrichtungen. |
| Prüfung und Test | Eine Reihe strenger Tests ist vor der Auslieferung erforderlich, wie z.B. Isolations-Spannungsfestigkeitstest, Leerlauf-/Lastverlusttest, Teilentladungsmessung, Temperaturanstiegsexperiment usw. |
Die folgenden Schlüsselprozesse sind entscheidend für die Leistung und die Lebensdauer von UHV-Transformern und erfordern besondere Aufmerksamkeit:
3.1 Elektromagnetisches Design und Streufeldkontrolle
3.1.1 Bedeutung
UHV-Transformer haben sehr hohe Kapazitäten (z.B. bis zu 500 MVA pro Bein), was das Problem des Streufeldes verstärkt. Übermäßiges Streufeld kann lokale Überhitzungen und zusätzliche Verluste verursachen und den sicheren Betrieb gefährden.
3.1.2 Wesentliche Aspekte
Erweiterte elektromagnetische Simulationsverfahren müssen eingesetzt werden. Maßnahmen wie innovative Jochmagnetabschirmungen und „L-förmige“ Kupferabschirmungen an Tankverbindungen werden verwendet, um Wirbelstromverluste in Strukturkomponenten effektiv um bis zu 25 % zu reduzieren.
3.2 Isolierstrukturdesign und -verarbeitung
3.2.1 Bedeutung
Das Isolationssystem ist lebenswichtig für einen zuverlässigen Betrieb von UHV-Transformern, da es extrem hohe Betriebsspannungen und potenzielle Überspannungen aushalten muss.
3.2.2 Wesentliche Aspekte
Designs wie mehrschichtige geformte Winkelringisolierstrukturen werden angewendet, um eine gleichmäßige elektrische Feldverteilung und ausreichende Isolationsreserve an Spulenenden und Anschlussstellen sicherzustellen. Vakuumimpregnierungs- und Trocknungsprozesse müssen streng kontrolliert werden – beispielsweise mit Hochkapazität-Vapor-Phase-Trocknungsausrüstung vor Ort, um eine gründliche Trocknung der Isoliermaterialien zu gewährleisten und einen Feuchtegehalt von ≤ 0,4 % zu erreichen. Dies ist entscheidend, um partielle Entladungen und Isolierbrüche zu vermeiden.
3.3 Montageprozess vor Ort
3.3.1 Bedeutung
In Regionen mit schwierigen Transportbedingungen – wie Hochgebirgs- oder Bergregionen – müssen UHV-Transformer vor Ort montiert werden. Dies beinhaltet die Demontage, den Transport, den Schutz und die Wiedermontage von tausenden Komponenten, was die Komplexität des Designs und Prozesses weit über die eines herkömmlichen Transformers hinausgeht.
3.3.2 Wesentliche Aspekte
Modulare Strukturentwürfe sind unerlässlich – zum Beispiel segmentierte Kernrahmen und abnehmbare Verbindungselemente. Die Toleranzen bei der Montage vor Ort müssen eine Präzision im Millimeterbereich erreichen (z.B. Abweichung der Ausrichtung von Spule zu Kernzentrum < 3 mm). Ein rigoroser Prozess zur Toleranzsteuerung, Feuchtigkeitsschutz und Reinheitsschutz ist erforderlich, um die Leistung nach der Montage sicherzustellen.
3.4 Wicklungsherstellung und Qualitätskontrolle
3.4.1 Bedeutung
Die Qualität der Wicklung bestimmt direkt die elektrische Leistung, die mechanische Festigkeit und die Kurzschlussfestigkeit des Transformers.
3.4.2 Wesentliche Aspekte
Automatische Wickelmaschinen müssen eingesetzt werden, um eine präzise Spannungskontrolle und Lagenausrichtung zu erreichen. Nach der Wicklung werden Wechselstrom-Durchhalteversuche und Gleichstromwiderstandstests durchgeführt, um Risiken wie Kurzschlüsse zwischen den Wicklungen zu eliminieren.
3.5 Fabrikabnahmeprüfungen und Teilentladungsmessung
3.5.1 Bedeutung
Diese Prüfungen dienen als letzter Qualitätscheck vor der Lieferung und identifizieren potenzielle Mängel im Design oder in der Fertigung.
3.5.2 Wesentliche Aspekte
Neben Standardprüfungen ist die Teilentladungsmessung (TE) besonders kritisch. TE-Tests sind äußerst empfindlich gegenüber minimalen Isolationsfehlern und dienen als wichtiger Indikator für den Zustand der internen Isolation.
3.6 Wicklung für UHV-Transformer
3.6.1
| Phase | Rolle und Wert der manuellen Bearbeitung | Rolle der mechanischen/technischen Unterstützung |
| Kernwickelprozess | Dominant. Handwerker verlassen sich auf Tastsinn, Sehsinn und Erfahrung, um Tausende von Details wie Drahtposition, Festigkeit und Platzierung isolierender Teile präzise zu kontrollieren. | Hilfsfunktion. Bietet eine stabile Wickelplattform und grundlegende Energie, kann aber die endgültige Feinjustierung nicht ersetzen. |
| Präzisionskontrolle | Kerngarantie. Top-Handwerker können die Toleranz zwischen zwei Drahtlagen innerhalb von 1 mm (Branchenstandard ist 2 mm) kontrollieren, um optimale elektrische Leistung zu gewährleisten. | Bietet Messwerkzeuge (wie Lineale), aber die Realisierung der Präzision hängt von der sofortigen Beurteilung und Feinjustierung der Handwerker ab. |
| Spezielle Prozesse (z.B. Schweißen) | Unersetzlich. Angesichts von Hunderten von Drahtarten und Tausenden von Schweißpunkten müssen Handwerker Temperatur, Abstand und Zeit präzise kontrollieren, wie z.B. bei Hochfrequenzschweißprozessen. | Bietet Schweißausrüstung, aber Parametersteuerung und -bedienung verlassen sich vollständig auf die Fähigkeiten der Handwerker. |
| Zukunftsorientierte Entwicklungsrichtung | Das "implizite Wissen" erfahrener Handwerker bleibt das Kernstück. | Intelligentisierung und Digitalisierung. Wandelt die Erfahrungen exzellenter Handwerker in Daten für Qualitätsverfolgung und Umweltüberwachung um, sammelt Wissen für zukünftige Intelligenz. |
3.6.2 Gründe, warum die Wicklung von Spulen nicht vollständig automatisiert werden kann
Es gibt drei Hauptgründe, warum handwerkliche Fertigkeiten in der Wicklung von UHV-Transformatorspulen unersetzlich bleiben:
3.6.2.1 Extreme Präzisionsanforderungen
UHV-Transformatorspulen bestehen in der Regel aus Tausenden von Metern Leiter, bilden mehrere tausend Windungen und wiegen am Ende 20–30 Metriktonnen. Während des gesamten Wicklungsprozesses müssen jeder Schlag mit dem Hammer, die Platzierung jedes Isolierspacers und das Einwickeln jeder Isolierschicht mit absoluter Präzision ausgeführt werden—jede Abweichung ist unakzeptabel. Dieses Maß an Echtzeitbeurteilung und Mikroanpassung übersteigt die aktuellen Fähigkeiten von Maschinen, deren „Hände“ und „Augen“ noch nicht die Geschicklichkeit und Intuition erfahrener Handwerker erreichen können.
3.6.2.2 Strukturelle Komplexität und Anpassungsfähigkeit
UHV-Transformatoren kommen in einer Vielzahl von Designs mit hochkomplexen und variablen Strukturen vor. Zum Beispiel können bei ±1.100 kV-Umrichtertransformatoren Hunderte oder sogar Tausende von Lötstellen erforderlich sein, um verschiedene Arten von Leitern zu verbinden. Die Bediener müssen ihre Techniken im Flug anhand minimaler Unterschiede in den Drahtmaterialien anpassen—ähnlich dem „Verbinden von Kapillaren“. Diese nicht standardisierte, hochgradig adaptive Entscheidungsfindung und Ausführung ist genau das, wo handwerkliche Fähigkeiten hervorragen.
3.6.2.3 Unverzichtbare Qualitätssicherung
Eine einzelne Spule beinhaltet Zehntausende von kritischen Details. Das kleinste Versäumnis—wie das Weglassen einer Isolierschicht—kann zu einem Isolierdurchschlag führen, was Reparaturkosten von Hunderttausenden oder sogar Millionen RMB sowie möglicherweise die Sicherheit des gesamten Stromnetzes gefährden könnte. Angesichts dieses extremen Qualitätsrisikos bleibt die Verwendung hochverantwortlicher und außerordentlich fähiger Kunsthandwerker die zuverlässigste Herangehensweise.
4. Produktionskapazität
In der UHV-Transformatorindustrie wird die jährliche Produktion in der Regel in Gesamtkapazität (in kVA) gemessen, nicht in Stückzahlen, da die Nennleistung der einzelnen Transformatoren stark variiert—from einigen hundert MVA bis über 1.000 MVA pro Einheit.
4.1 Praktische Kapazität und strategisches Gleichgewicht
Angesichts der zeitaufwendigen manuellen Wicklung, wie deckt die Industrie die Nachfrage?
4.1.1 Zuverlässigkeit vor Geschwindigkeit
UHV-Transformatoren werden oft als das „Herz“ des Stromnetzes bezeichnet, wo Zuverlässigkeit oberste Priorität hat. Zum Beispiel hat Meister Zhang Guoyun in 25 Jahren an der Wicklung von über 10.000 Spulen mit insgesamt mehr als 40.000 Kilometern Leiter beteiligt. Seine handgefertigten Spulen erzielen konstant eine Toleranz zwischen den Schichten von 1 mm—halb so viel wie der Branchenstandard von 2 mm. Diese außergewöhnliche Präzision, die Maschinen noch nicht stabil replizieren können, bestimmt direkt die Leistung und Lebensdauer des Transformators.
4.1.2 Wie Kapazität gemessen wird
Diese hochwertigen Anlagen werden streng „auf Bestellung“ hergestellt, nicht für den Lagerbestand—ähnlich dem Bau von Flugzeugträgern oder EUV-Lithographiegeräten. Die Kapazität wird daher definiert durch die Anzahl qualifizierter Einheiten, die ein Werk innerhalb eines Jahres erfolgreich ausliefern kann.
4.1.3 Strategien zur Verbesserung der Gesamteffizienz
Um die Effizienz ohne Kompromisse in puncto Qualität zu steigern, investieren Hersteller massiv in die Ausbildung großer Teams hochqualifizierter Techniker. So haben „Meisterwerkstatt-Innovationsstudios“ über 2.000 Mitarbeiter in fortgeschrittenen Wicklungstechniken ausgebildet. Darüber hinaus werden die Produktionsplanung und die Arbeitsablaufsteuerung optimiert, um eine nahtlose Koordination zwischen den Kernwicklungsoperationen und den unterstützenden Prozessen davor und danach sicherzustellen.
| Inhalt | Daten/Größe | Kerninformationen |
| Kapazität des Branchenführers | TBEA hat eine jährliche Kapazität von etwa 495 Millionen kVA | Stellt die größte inländische Fertigungskapazität dar. |
| Gesamte inländische Kapazität | Im Jahr 2023 betrug die Kapazität der UHV-Transformatoren in China etwa 50 Millionen kVA (0,5 Milliarden kVA) und wird voraussichtlich 2025 60 Millionen kVA (0,6 Milliarden kVA) erreichen | Spiegelt das gesamte Niveau der UHV-Transformator-Kapazität im Land wider. |
| Fertigungszyklus | Der Fertigungszyklus von UHV-Transformatoren ist extrem lang und dauert in der Regel 18 bis 36 Monate | Dies ist der entscheidende Faktor, der die jährliche Produktion begrenzt. |
4.2 Warum die jährliche Produktion begrenzt ist
Die jährliche Produktionsmenge von UHV-Transformatoren (ultrahochspannungs-Transformatoren) kann nicht wie bei gewöhnlichen Waren in „Zehntausenden“ gemessen werden, hauptsächlich aufgrund ihrer extrem komplexen Fertigungsprozesse und sehr langen Produktionszyklen.
4.2.1 Technisch komplex und zeitaufwendig
UHV-Transformatoren, oft als das „Herz“ des Stromnetzes bezeichnet, unterliegen außerordentlich strengen Standards im Design, den Materialien, der Fertigung und dem Test. Der gesamte Prozess – von der Beschaffung der Rohstoffe und der präzisen Herstellung der Kernkomponenten (wie Wicklungen und Kerne) bis hin zur Endmontage und monatelangen rigorosen Tests – dauert sehr lange.
4.2.2 Kapazität für wenige Mega-Projekte vorgesehen
Weltweit verfügen nur wenige Unternehmen über die Fähigkeit, UHV-Transformatoren mit einer Spannung von ±800 kV oder höher herzustellen (z. B. TBEA, XD Group, Siemens, ABB). Nationale UHV-Projekte werden in Phasen genehmigt und gebaut, wobei die Anzahl der Transformatoren für jedes Hauptprojekt sorgfältig im Voraus geplant wird. So kann ein einzelnes UHV-Gleichstromübertragungsprojekt Dutzende von Umrichtertransformatoren erfordern. Daher wird die enorme Produktionskapazität führender Hersteller – wie etwa TBEAs fast 500 Millionen kVA – speziell für die Erfüllung großer Projektaufträge eingesetzt, anstatt Vorräte für spekulativen Verkauf zu produzieren.
4.3 Branchenkontext und globale Nachfrage
4.3.1 Starkes nationales Wachstum
Derzeit befindet sich der Aufbau des chinesischen UHV-Netzes in einer Phase des raschen Ausbaus. Laut nationaler Planung sind während des 14. Fünfjahresplans (2021–2025) 38 neue UHV-Leitungen – darunter 24 AC- und 14 DC-Projekte – vorgesehen, was einen deutlichen Ausbau gegenüber dem 13. Fünfjahresplan bedeutet. Dies bietet einen stabilen und wachsenden heimischen Markt für UHV-Transformatoren.
4.3.2 Steigende globale Nachfrage mit China als wichtigem Lieferanten
Auf globaler Ebene steht die Stromindustrie vor einem schwerwiegenden Mangel an Transformatoren. Die Lieferzeiten für Standardtransformatoren haben sich auf mehr als zwei Jahre ausgedehnt, und für große Leistungstransformatoren erreichen sie jetzt drei bis vier Jahre. In diesem Kontext hat China als wichtiger globaler Lieferant an Bedeutung gewonnen, dank seiner vollständigen Industriekette, hoher Produktivität (z. B. benötigen ausländische Hersteller etwa 18 Monate für die Herstellung eines UHV-Transformators, während führende chinesische Firmen dies in etwa drei Monaten schaffen können) und Kostenvorteilen. Die Exporte von Transformatoren aus China sind stark angestiegen – allein in den ersten acht Monaten des Jahres 2025 erreichten sie RMB 29,711 Milliarden, was ein Anstieg von über 50 % im Vergleich zum Vorjahr darstellt –, was zeigt, dass Chinas Produktionskapazität aktiv die steigende internationale Nachfrage deckt.
4. Schlussfolgerung
Als das „Energieherz“, das Elektrizität über Berge und Täler transportiert, verkörpert der UHV-Transformer höchste Ingenieurskunst – vom Design und den Materialien bis hin zu jedem einzelnen Fertigungsschritt. Es sind genau diese strenge Prozesse und Durchbrüche in Schlüsseltechnologien, die die Grundlage für das moderne, effiziente und hochzuverlässige UHV-Stromnetz von heute bilden.
