Producción de transformadores UHV: Lenta precisada e esencial
1. Resumo
Os transformadores de ultra-alta tensión (UHV) son equipos centrais nos sistemas eléctricos modernos. Comprender as súas clasificacións de voltaxe, estrutura complexa, procesos de fabricación precisos e técnicas críticas de produción revela por que representan o cume da capacidade de fabricación de equipos eléctricos dun país.
Definición do nivel de voltaxe
O termo "transformador de ultra-alta tensión" xeralmente refírese a transformadores utilizados en liñas de transmisión AC con unha clasificación de 1.000 kV ou superior, ou en liñas de transmisión DC con unha clasificación de ±800 kV ou superior.
1.1 Contexto técnico
Desenvolveuse tales transformadores de alta tensión impulsados polo crecemento económico nacional e do sector eléctrico, co obxectivo de permitir a transmisión de enerxía a gran distancia, alta capacidade e baixa perda. Por exemplo, xa en 2010, China desenvolveu de forma independente un transformador UHV de 1.000 kV / 1.000 MVA.
1.2 UHV na transmisión DC
A tecnoloxía UHV é igualmente crítica na transmisión HVDC (corrente directa de alta tensión). Por exemplo, o transformador conversor UHV DC de ±1.100 kV é un dos produtos clave baixo as estratexias “Made in China 2025” e “Belt and Road Initiative” de China, coa súa tecnoloxía agora recoñecida como líder mundial.
2. Componentes principais
Os transformadores UHV caracterízanse por estruturas altamente complexas e precisas. Tomando como exemplo un transformador UHV típico mergullado en óleo, principalmente consiste nos seguintes componentes:
| Componente | Funcións e Características |
| Núcleo de Ferro | Está feito laminando lámminas de silicio de alta calidade para formar o circuito magnético principal. Os transformadores UHV poden adoptar estruturas innovadoras como o núcleo segmentado en seis módulos para reducir as perdas e facilitar o transporte. |
| Enrolamentos | Inclúen os enrolamentos de alta tensión e os de baixa tensión. Xeralmente, o enrolamento de baixa tensión está envolto na capa interior, e o de alta tensión na capa exterior. É o compoñente central para que o transformador complete a transformación da tensión. |
| Sistema de Aislamento | Inclúe o aislamento dos enrolamentos, o aislamento intercapa e o óleo do transformador. Os transformadores UHV adoptarán estruturas de aislamento como anéis de canto moldados en múltiples capas, estruturas de aislamento compactas nas paredes do tanque, etc., para asegurar un margen de aislamento suficiente. |
| Tanque de Óleo e Óleo do Transformador | O tanque de óleo acoxe o núcleo de ferro, os enrolamentos e o óleo do transformador; o óleo do transformador desempeña o papel de aislamento e refrigeración. |
| Dispositivo de Regulación de Tensión | Os transformadores UHV xeralmente adoptan un selector de derivación sobrecarga no punto neutro para a regulación de tensión, e poden adoptar un modo de regulación de tensión externo independente, é dicir, o corpo principal do transformador e o tanque do transformador de compensación de regulación de tensión están dispostos separadamente. |
| Sistema de Refrigeración | Dissipa o calor xerado durante a operación. Os transformadores UHV poden adoptar deseños avanzados como a estrutura de dissipación de calor multicanal e a estrutura de paso de óleo noha nova prensa de núcleo para optimizar a dissipación de calor. |
| Dispositivos de Protección e Terminais | Inclúen o reservatorio, o relé de gas, o absorbente de humidade, a via de seguridade, etc. Os terminais de aislamento de alta tensión e baixa tensión realizan a conexión entre os conductores internos e as liñas externas, e aseguran o aislamento ao tanque. Os terminais UHV teñen deseños complexos, por exemplo, adoptarán cilindros de aislamento en múltiples capas e estruturas de apoio para asegurar un campo eléctrico uniforme. |
3. Procesos de fabricación e tecnoloxías clave
A fabricación de transformadores de ultra-alta tensión (UHV) é un proceso de enxeñaría sistemático que abarca dende os materiais brutos ata os produtos finais. O seguinte esquema detalla as súas etapas de produción principais:
| Etapa | Contido Central |
| Deseño e Selección de Materiais | Realizar o deseño electromagnético, de aislamento e estrutural baseándose nos parámetros eléctricos, e seleccionar lâminas de silicio de alta calidade, cables de cobre desoxigenado, materiais de aislamento de alto rendemento, etc. |
| Fabricación do Núcleo de Ferro | Incluíndo o corte, apilado e prensado das lâminas de silicio. A precisión dimensional e a calidade do apilado afectan directamente ao rendemento do circuito magnético e á perda en vacío. |
| Produción de Enrolamentos | Enrolar bobinas en máquinas de enrolamento especiais segundo os parámetros de deseño e realizar o tratamento de aislamento (como envolver papel aislante). O número de voltas debe ser exacto, a disposición apretada e o aislamento fiable. |
| Tratamento de Aislamento e Secado | Os enrolamentos e o corpo do transformador necesitan someterse a barnizado a vacío e secado para mellorar o rendemento do aislamento. Para produtos UHV, durante a montaxe no terreo, pódense usar dispositivos de secado gasoso de alta potencia para asegurar que o contido de humidade dos materiais de aislamento sexa ≤ 0,4%. |
| Fabricación do Tanque de Aceite e Compoñentes | Fabricar tanques de aceite de transformador e compoñentes estruturais metálicos como presillas e escudos. |
| Montaxe Final | Integrar o núcleo de ferro seco, os enrolamentos, as conexiones, etc. no tanque de aceite, incluíndo a disposición e fixación das conexiones, e a instalación de accesorios como bornes e dispositivos de refrixeración. |
| Inspección e Probas | Son necesarias unha serie de probas estritas antes da entrega, como a proba de resistencia a voltaxes de aislamento, a proba de perdas en vacío/carga, a medida de descargas parciais, o experimento de aumento de temperatura, etc. |
Os seguintes procesos clave son críticos para o rendemento e a vida útil dos transformadores de ultra-alto voltaxe (UHV) e requiren unha atención especial:
3.1 Diseño electromagnético e control do fluxo magnético estrayado
3.1.1 Importancia
Os transformadores UHV teñen capacidades moi altas (por exemplo, ata 500 MVA por brazo), facendo que o fluxo magnético estrayado sexa un problema máis pronunciado. Un fluxo magnético estrayado excesivo pode causar sobrecalentamento localizado e perdas adicionais, comprometendo a operación segura.
3.1.2 Consideracións clave
Deben empregarse técnicas avanzadas de simulación electromagnética. Medidas como o escudo magnético innovador no yugo e o escudo de cobre en forma de "L" nas unions do tanque úsanse para reducir eficazmente as perdas por correntes de Foucault nos componentes estructurais—ata un 25%.
3.2 Diseño e procesamento da estrutura de aislamento
3.2.1 Importancia
O sistema de aislamento é a liña vital para a operación fiable dos transformadores UHV, xa que debe resistir voltaxes operativos extremadamente altos e posibles sobrevoltaxes.
3.2.2 Consideracións clave
Adóptanse diseños como estruturas de aislamento multicapa con aneis angulares moldados para asegurar unha distribución uniforme do campo eléctrico e un margen de aislamento suficiente nas extremidades das bobinas e nas saídas dos conductores. Os procesos de impregnación ao vacío e secado deben controlarse estritamente—por exemplo, usando equipo de secado de fase de vapor de gran capacidade in situ para asegurar un secado completo dos materiais de aislamento, logrando un contido de humidade ≤ 0,4%. Isto é crucial para prever descargas parciais e roturas de aislamento.
3.3 Proceso de montaxe in situ
3.3.1 Importancia
Nas rexións con condicións de transporte desafiantes—como áreas de alta altitude ou montañosas—os transformadores UHV deben montarse in situ. Isto implica a desmontaxe, transporte, protección e remontaxe de millares de compoñentes, facendo que o seu deseño e complexidade de proceso superen con creces os de transformadores convencionais.
3.3.2 Consideracións clave
Son esenciais diseños estruturais modulares—por exemplo, marcos de núcleo segmentados e estruturas de conexión desmontables. As tolerancias de montaxe in situ deben alcanzar un nivel de precisión de milímetros (por exemplo, a desviación de alineación entre a bobina e o centro do núcleo < 3 mm). Requírese un proceso rigoroso de control de tolerancias, prevención de humidade e protección de limpeza para asegurar o rendemento tras o montaxe.
3.4 Fabricación de bobinas e control de calidade
3.4.1 Importancia
A calidade da bobinación determina directamente o rendemento eléctrico, a forza mecánica e a capacidade de resistencia a cortocircuitos do transformador.
3.4.2 Consideracións clave
Debe usar equipamento de bobinado automatizado para lograr un control preciso da tensión e alineación de capas. Despois do bobinado, realizan-se ensaios de resistencia ao voltaxe de frecuencia de rede e de resistencia DC para eliminar riscos como cortocircuitos interturno.
3.5 Ensaios de aceptación na fábrica e medida de descarga parcial
3.5.1 Importancia
Estes ensaios serven como o último punto de control de calidade antes da entrega, identificando posibles defectos no deseño ou fabricación.
3.5.2 Consideracións clave
Máis aló dos ensaios estándar, a medida de descarga parcial (DP) é especialmente crítica. A proba de DP é moi sensible a pequenos defectos de aislamento e serve como un indicador clave da condición interna do aislamento.
3.6 Bobinado de bobinas para transformadores UHV
3.6.1
| Etapa | Papel e valor da operación manual | Papel da asistencia mecánica/técnica |
| Proceso de bobinado do núcleo | Dominante. Os artesáns confían no tacto, na vista e na experiencia para controlar con precisión milleiros de detalles como a posición do fío, a estreiteza e a colocación das partes aislantes. | Auxiliar. Proporciona unha plataforma estable de bobinado e enerxía básica, pero non pode substituír o axuste final fino. |
| Control de precisión | Garantía central. Os artesáns de élite poden controlar a tolerancia entre dúas capas de fíos dentro de 1mm (o estándar da industria é 2mm) para asegurar un rendemento eléctrico óptimo. | Proporciona ferramentas de medida (como réguas), pero a realización da precisión depende do xuízo inmediato e do axuste fino dos artesáns. |
| Procesos especiais (por exemplo, soldadura) | Irremplazable. Frente a centos de tipos de fíos e milleiros de puntos de soldadura, os artesáns teñen que controlar con precisión a temperatura, a distancia e o tempo, como no proceso de soldadura de alta frecuencia. | Proporciona equipos de soldadura, pero o control de parámetros e a operación dependen totalmente das habilidades dos artesáns. |
| Dirección de desenvolvemento futuro | O "coñecemento tácito" dos artesáns experimentados aínda é o núcleo. | Inteligencia e digitalización. Convertir a experiencia dos excelentes artesáns en datos para a trazabilidade da calidade e o control do medio ambiente, acumulando coñecemento para a intelixencia futura. |
3.6.2 Razóns polas que o enrolamento de bobinas non pode ser totalmente automatizado
Existen tres razóns principais polas que a artesanía manual permanece insubstituible no enrolamento de bobinas de transformadores UHV:
3.6.2.1 Requisitos extremos de precisión
As bobinas de transformadores UHV adoitan estar enrolladas con millares de metros de conductor, formando varios miles de voltas, cun peso final que alcanza os 20–30 toneladas métricas. Ao longo do proceso de enrolamento, cada golpe do martelo, a colocación de cada espaciador aislante e o envolvemento de cada capa de papel aislante deben realizarse con absoluta precisión—calquera desviación é inaceptable. Este nivel de xuízo en tempo real e microaxuste excede as capacidades actuais das máquinas, cuxas “mans” e “ollas” aínda non poden igualar a destreza e intuición dos mestres artesáns.
3.6.2.2 Complexidade estrutural e adaptabilidade
Os transformadores UHV viñen en unha ampla variedade de deseños con estruturas altamente complexas e variables. Por exemplo, nos transformadores conversores de ±1,100 kV, pódense requirecer centos ou mesmo millares de soldaduras para conectar diferentes tipos de conductores. Os operadores deben axustar as técnicas sobre a marcha baseándose en pequenas diferenzas nos materiais dos fíos—como “conectar capilares”. Esta toma de decisións non estandarizada e altamente adaptable é precisamente onde a habilidade manual se destaca.
3.6.2.3 Búsqueda intransixente da calidade
Unha única bobina implica decenas de milles de detalles críticos. O menor descuido—como omitir unha capa de papel aislante—pode levar a un fallo de aislamento, resultando en custos de refabricación de centos de millóns ou incluso millóns de RMB, e potencialmente comprometendo a seguridade de toda a rede eléctrica. Dada esta extrema risco de calidade, confiar en artesáns altamente responsables e excepcionalmente hábiles permanece como o enfoque máis confiable.
4. Capacidade de produción
Na industria de transformadores UHV, a produción anual adoita medirse en capacidade total (en kVA), non polo número de unidades, xa que as clasificacións individuais de transformadores varián dramaticamente—desde uns poucos centos de MVA ata máis de 1,000 MVA por unidade.
4.1 Capacidade práctica e equilibrio estratégico
Dado o carácter intensivo en tempo do enrolamento manual, como satisfai a industria a demanda?
4.1.1 Fiabilidade sobre velocidade
Os transformadores UHV son chamados frecuentemente o “corazón” da rede eléctrica, onde a fiabilidade é primordial. Por exemplo, o Mestre Artesán Zhang Guoyun participou no enrolamento de máis de 10,000 bobinas ao longo de 25 anos, cunha lonxitude total de conductor que supera os 40,000 quilómetros. As súas bobinas enrolladas a man consiguen tolerancias entre condutores intercapas dentro de 1 mm—metade do estándar da industria de 2 mm. Esta precisión excepcional, que as máquinas aínda non poden replicar de forma estable, determina directamente o rendemento e a vida útil do transformador.
4.1.2 Como se mide a capacidade
Estes activos de alta gama prodúcense estritamente “por encargo”, non para inventario—similares á construción de portaaviões ou máquinas de litografía EUV. A capacidade define así por cantas unidades cualificadas unha fábrica pode entregar con éxito nun ano.
4.1.3 Estratexias para mellorar a eficiencia global
Para aumentar a eficiencia sen comprometer a calidade, os fabricantes invirtén fortemente en cultivar grandes equipos de técnicos altamente cualificados. Por exemplo, os “Estudios de Innovación de Mestres Artesáns” formaron a máis de 2,000 empregados en técnicas avanzadas de enrolamento. Ademais, a planificación de produción e a xestión de fluxo de traballo están optimizadas para asegurar unha coordinación sinxela entre as operacións centrais de enrolamento e os procesos de apoio antes e despois.
| Contido | Datos/Escala | Información Clave |
| Capacidade do Líder da Industria | A TBEA ten unha capacidade anual de aproximadamente 495 millóns de kVA | Representa a maior escala de fabricación no país. |
| Capacidade Total Doméstica | En 2023, a capacidade de transformadores UHV en China era de aproximadamente 50 millóns de kVA (0.5 mil millóns de kVA), e espera-se que alcance os 60 millóns de kVA (0.6 mil millóns de kVA) en 2025 | Reflexa o nivel de capacidade global dos transformadores UHV a nivel nacional. |
| Ciclo de Fabricación | O ciclo de fabricación dos transformadores UHV é extremadamente longo, habitualmente tardando entre 18 e 36 meses | Este é o factor máis crítico que limita a produción anual. |
4.2 Por que a produción anual está limitada
A volume de produción anual dos transformadores de alta tensión extremadamente alta (UHV) non pode medirse en "decenas de miles" como as mercadorías comúns, principalmente debido aos seus procesos de fabricación excepcionalmente complexos e aos ciclos de produción extremadamente longos.
4.2.1 Técnica complexa e intensiva en tempo
Os transformadores UHV, a menudo referidos como o "corazón" da rede eléctrica, están suxeitos a estándares extraordinariamente rigorosos no deseño, materiais, fabricación e probas. O proceso completo, desde a adquisición de materias primas e a fabricación de precisión de compoñentes clave (como as bobinas e os núcleos) ata a montaxe final e as probas rigorosas de meses de duración, leva moito tempo en completarse.
4.2.2 Capacidade asignada a poucos mega proxectos
A nivel mundial, só unha man xornal de empresas posúen a capacidade de fabricar transformadores UHV con clasificación de ±800 kV ou superior (por exemplo, TBEA, XD Group, Siemens, ABB). Os proxectos nacionais UHV son aprobados e construídos por fases, coa cantidade de transformadores planificada con antelación para cada proxecto importante. Por exemplo, un único proxecto de transmisión DC UHV pode requirecer docenas de transformadores conversores. En consecuencia, a enorme capacidade de produción dos principais fabricantes, como os case 500 millóns de kVA de TBEA, está dedicada a cumprir pedidos específicos de proxectos de gran escala en vez de producir existencias para venda especulativa.
4.3 Contexto da industria e demanda global
4.3.1 Forte crecemento doméstico
A construción da rede UHV en China está actualmente nun período de rápida expansión. Segundo a planificación nacional, durante o período do 14º Plan Quinquenal (2021-2025), State Grid ten programadas 38 novas liñas UHV, que inclúen 24 proxectos AC e 14 DC, expandíndose significativamente máis aló da escala do 13º Plan Quinquenal. Isto proporciona un mercado doméstico estable e en crecemento para os transformadores UHV.
4.3.2 Demanda global en aumento con China como fornecedor clave
A nivel global, a industria eléctrica está afrontando unha grave escasez de transformadores. Os tempos de entrega para os transformadores estándar estenderonse máis allá dos dous anos, e para os grandes transformadores de potencia, agora alcanzan tres a catro anos. Contra este pano de fondo, China emerxeu como un fornecedor global crítico, grazas á súa cadea industrial completa, alta eficiencia de produción (por exemplo, mentres que lle toma aos fabricantes estranxeiros aproximadamente 18 meses para construír un transformador UHV, as empresas chinesas líderes poden completalo en aproximadamente tres meses) e competitividade de custos. As exportacións de transformadores de China disparáronse, alcanzando RMB 29.711 millóns nos primeiros oito meses de 2025, un incremento de máis do 50% interanual, demostrando que a capacidade de produción de China está a satisfacer activamente a crecente demanda internacional.
4. Conclusión
Como o "corazón de enerxía" que transmite electricidade a través de montañas e vales, o transformador UHV encarna os niveis máis altos de sofisticación enxeñeira, desde o deseño e os materiais ata cada paso de fabricación. Son precisamente estes procesos rigorosos e as avances nas tecnoloxías clave os que sustentan a moderna, eficiente e altamente fiable rede UHV de hoxe.
