UHV変圧器の生産：遅い、正確な、不可欠なプロセス
1. 概要
超高圧変圧器は現代の電力システムにおける核心的な設備です。その電圧等級、複雑な構造、精密な製造過程、そして重要な生産技術を理解することで、なぜ超高圧変圧器が国の電力機器製造能力の頂点を表すのかが明らかになります。
電圧レベルの定義
「超高圧変圧器」とは通常、1,000 kV以上の交流送電線または±800 kV以上の直流送電線で使用される変圧器を指します。
1.1 技術的背景
このような高電圧変圧器の開発は、国家経済と電力部門の成長によって推進されており、長距離、大容量、低損失の電力送電を可能にすることを目指しています。たとえば、2010年には中国が独自に1,000 kV / 1,000 MVAの超高圧変圧器を開発しました。
1.2 直流送電におけるUHV
超高圧技術はHVDC（高電圧直流）送電においても同様に重要です。たとえば、±1,100 kVの超高圧直流変換変圧器は、中国の「Made in China 2025」および「一帯一路」戦略の主要な製品の一つであり、その技術は現在世界最高水準と認められています。
2. 主要部品
超高圧変圧器は非常に複雑かつ精密な構造を特徴としています。一般的な油浸式超高圧変圧器を例に取ると、主に以下の部品で構成されています：
| 部品 | 機能と特徴 |
| 鉄心 | 高品質のシリコン鋼板を積層して主磁気回路を形成します。UHV変圧器では、損失を減らし輸送を容易にするために、六モジュール分割コアなどの革新的な構造を採用することがあります。 |
| 巻線 | 高電圧巻線と低電圧巻線を含みます。通常、低電圧巻線は内層に巻かれ、高電圧巻線は外層に巻かれます。これは変圧器が電圧変換を行うための核心部品です。 |
| 絶縁システム | 巻線絶縁、層間絶縁、および変圧器油を含みます。UHV変圧器では、多層成形コーナーリング絶縁構造やコンパクトタンク壁バリア絶縁構造などを採用して、十分な絶縁余裕を確保します。 |
| オイルタンクと変圧器油 | オイルタンクは鉄心、巻線、および変圧器油を収容します。変圧器油は絶縁と冷却の役割を果たします。 |
| 電圧調整装置 | UHV変圧器では通常、中性点オンロードタップチェンジャーを使用して電圧を調整し、独立した外部電圧調整モードを採用することもあります。つまり、変圧器本体と電圧調整補償変圧器タンクが別々に配置されます。 |
| 冷却システム | 動作中に発生する熱を放散します。UHV変圧器では、多チャネルボディ熱放散構造や新規鉄心クリップオイルパス構造などの先進的な設計を採用して熱放散を最適化することがあります。 |
| 保護装置とブッシング | エキスパンションタンク、ガスリレー、吸湿剤、安全空気道などがあります。高電圧および低電圧絶縁ブッシングは内部導線と外部線路との接続を実現し、タンクに対する絶縁を確保します。UHVブッシングは複雑な設計を持ち、例えば多層絶縁シリンダーと支持ステイ構造を採用して均一な電界を確保します。 |
3. 製造プロセスと主要技術
超高圧（UHV）トランスフォーマの製造は、原材料から完成品までの一連のエンジニアリングプロセスです。以下にその主な生産段階を示します。
| 段階 | 主要内容 |
| 設計と材料選定 | 電気パラメータに基づいて電磁、絶縁、構造設計を行い、高品質のシリコン鋼板、無酸素銅線、高性能絶縁材料などを選択します。 |
| 鉄心製造 | シリコン鋼板の切断、積層、圧着を含みます。寸法精度と積層品質は磁気回路の性能と空載損失に直接影響します。 |
| 巻線生産 | 設計パラメータに基づいて特殊な巻線機でコイルを巻き、絶縁処理（例えば絶縁紙の巻き付け）を行います。巻数は正確で、配置は密接で、絶縁は信頼性が求められます。 |
| 絶縁処理と乾燥 | 巻線と変圧器本体は真空浸透と乾燥を経て絶縁性能を向上させます。UHV製品では、現場組立時に高電力ガス相乾燥装置を使用して絶縁材料の水分量を0.4%以下に保つことが求められます。 |
| 油タンクと部品製造 | 変圧器の油タンクとクリップ、シールドなどの金属構造部品を製造します。 |
| 最終組立 | 乾燥した鉄心、巻線、リードなどを油タンク内に一体的に組み立て、リードの配置と固定、ブッシングや冷却装置などのアクセサリーの取り付けを行います。 |
| 検査と試験 | 出荷前に絶縁耐電圧試験、空載/負荷損失試験、部分放電測定、温度上昇実験など、一連の厳格な試験が必要です。 |
以下の主要なプロセスは、超高圧（UHV）変圧器の性能と耐用年数に重要な影響を与え、特別な注意が必要です：
3.1 電磁設計と漏れ磁束制御
3.1.1 重要性
UHV変圧器は非常に高い容量（例：肢あたり最大500 MVA）を持つため、漏れ磁束がより顕著な問題となります。過度な漏れ磁束は局所的な過熱や追加の損失を引き起こし、安全な運転を危うくします。
3.1.2 主要な考慮事項
高度な電磁シミュレーション技術を採用する必要があります。イーキー磁気シールドやタンク接合部での「L字型」銅シールドなどの措置により、構造部品における渦電流損失を最大25％まで効果的に削減することができます。
3.2 絶縁構造設計と処理
3.2.1 重要性
絶縁システムは、極めて高い動作電圧や潜在的な過電圧に耐えられる必要があるため、信頼性のあるUHV変圧器の運転において生命線となります。
3.2.2 主要な考慮事項
コイル端やリード出口での均一な電界分布と十分な絶縁マージンを確保するために、多層成形角リング絶縁構造などの設計が採用されます。真空浸漬および乾燥工程は厳格に制御されなければなりません—例えば、大容量のオンサイト蒸気相乾燥装置を使用して絶縁材料を完全に乾燥させ、水分含有量を0.4%以下に抑えることが重要です。これは部分放電や絶縁破壊を防ぐために不可欠です。
3.3 現場組立工程
3.3.1 重要性
輸送条件が厳しい地域—例えば高地や山岳地帯では—UHV変圧器は現場で組み立てられる必要があります。これは数千もの部品の分解、輸送、保護、再組立てを含むため、その設計と工程の複雑さは従来の変圧器を大きく上回ります。
3.3.2 主要な考慮事項
モジュラー構造設計は必須であり、例えば分割コアフレームや取り外し可能な接続構造などが挙げられます。現場組立時の公差はミリメートルレベルの精度（例：コイルとコア中心の位置合わせ偏差<3mm）に達する必要があります。公差管理、湿気防止、清潔保護の厳格な工程が必要であり、組立後の性能を確保します。
3.4 卷線製造と品質管理
3.4.1 重要性
卷線の品質は、変圧器の電気性能、機械強度、短絡耐え能力を直接決定します。
3.4.2 主要な考慮事項
自動巻線装置を使用して正確な張力制御と層間配置を行う必要があります。巻線後には、商用周波数耐電圧試験と直流抵抗試験を行い、ターン間ショートサーキットなどのリスクを排除します。
3.5 工場受入試験と部分放電測定
3.5.1 重要性
これらの試験は出荷前の最終品質チェックポイントとして機能し、設計または製造上の潜在的な欠陥を特定します。
3.5.2 主要な考慮事項
標準的な試験に加えて、部分放電（PD）測定は特に重要です。PD試験は微細な絶縁欠陥に対して非常に敏感であり、内部絶縁状態の重要な指標となります。
3.6 UHV変圧器のコイル巻線
3.6.1
| 段階 | 手動操作の役割と価値 | 機械/技術的支援の役割 |
| コア巻線プロセス | 主導的。職人は手触り、視覚、経験を頼りに、ワイヤーの位置、緊度、絶縁部品の配置など数千もの詳細を正確に制御します。 | 補助的。安定した巻線プラットフォームと基本的な電力を提供しますが、最終的な微調整を置き換えることはできません。 |
| 精密制御 | 核心的保証。トップクラスの職人は2層のワイヤー間の許容誤差を1mm（業界標準は2mm）以内に制御し、最適な電気性能を確保します。 | 測定ツール（例えば定規）を提供しますが、精度の実現は職人の即時判断と微調整に依存します。 |
| 特殊プロセス（例：溶接） | 不可欠。数百種類のワイヤーと数千の溶接点に対応し、職人は温度、距離、時間などを正確に制御する必要があります。例えば高周波溶接プロセス。 | 溶接装置を提供しますが、パラメータ制御と操作は完全に職人のスキルに依存します。 |
| 将来の発展方向 | 経験豊富な職人の「暗黙の知識」は依然として中心です。 | 知能化とデジタル化。優れた職人の経験をデータに変換し、品質トレーサビリティと環境監視のために蓄積し、将来的な知能化のための知識を蓄積します。 |
3.6.2 コイル巻線が完全に自動化できない理由
UHVトランスのコイル巻線において、手作業の職人技が依然として不可欠な理由は主に3つあります。
3.6.2.1 極めて高い精度要件
UHVトランスのコイルは通常、数千メートルの導体から形成され、数千回転し、最終的な重量は20〜30トンに達します。巻線プロセス全体を通じて、マレットの一打、各絶縁スペーサーの配置、各層の絶縁紙の巻き付けは、絶対的な精度で実行されなければならず、いかなる偏差も許容されません。このレベルのリアルタイム判断と微調整は、現在の機械の能力を超えています。「手」と「目」が熟練した職人の器用さと直感にはまだ及ばないからです。
3.6.2.2 構造の複雑さと適応性
UHVトランスは非常に多様な設計を持ち、構造は高度に複雑で変動します。たとえば、±1,100 kVコンバータトランスでは、異なる種類の導体を接続するために数百または数千もの溶接点が必要となる場合があります。操作者は、ワイヤ材料の微細な違いに基づいて技術を即座に調整しなければなりません—これは「毛細血管を接続する」ようなものです。この非標準化された、高度に適応的な意思決定と実行は、まさに手作業のスキルが優れているところです。
3.6.2.3 妥協しない品質への追求
単一のコイルには数万の重要な詳細が含まれます。たとえば、絶縁紙の1層を省略するなど、最も小さな見落としでも、絶縁破壊につながり、数十万または数百万人民元の再作業コストを生じさせ、さらには電力網全体の安全性を脅かす可能性があります。この極端な品質リスクを考えると、非常に責任感があり、例外的に技能のある職人に頼ることが最も信頼できるアプローチです。
4. 生産能力
UHVトランス業界では、年間出力は個数ではなく、総容量（kVA）で測定されます。なぜなら、個々のトランスの定格は大きく異なり、数100 MVAから1,000 MVA以上まであります。
4.1 実際の容量と戦略的なバランス
手作業の巻線が時間のかかるプロセスであることを考えると、業界はどうやって需要に対応しているのでしょうか。
4.1.1 速度よりも信頼性
UHVトランスはしばしば電力網の「心臓」と呼ばれ、信頼性が最重要です。例えば、匠の張国雲は25年間にわたり1万以上のコイルの巻線に参加し、総導体長は4万キロメートルを超えています。彼が手巻きしたコイルは、層間導体の公差が常に1 mm以内—業界標準の2 mmの半分—を達成しています。この卓越した精度は、まだ安定的に機械が再現できないものであり、直接トランスの性能と寿命を決定します。
4.1.2 容量の測定方法
これらの高級資産は厳密に「注文駆動型」で生産され、在庫のために生産されるわけではありません—航空母艦やEUVリソグラフィ装置の建造と同様です。従って、工場が1年間に成功裏に納品できる合格製品の数によって容量が定義されます。
4.1.3 全体的な効率を向上させる戦略
品質を損なうことなく効率を向上させるため、メーカーは高度に熟練した技術者の大規模なチームの育成に多額の投資を行います。例えば、「匠の革新スタジオ」は2,000人以上の従業員に高度な巻線技術を教えることで知られています。また、生産計画とワークフローマネージメントは最適化され、コアの巻線作業とその前後の支援プロセスとの間のシームレスな調整が確保されています。
| 内容 | データ/規模 | 主要情報 |
| 業界リーダーの生産能力 | TBEAは年間約4億9500万kVAの生産能力を持つ | 国内最大の製造規模を表す。 |
| 国内総生産能力 | 2023年、中国の超高圧変圧器の生産能力は約5000万kVA（0.5億kVA）で、2025年には6000万kVA（0.6億kVA）に達すると予想される | 全国の超高圧変圧器の全体的な生産能力を反映している。 |
| 製造サイクル | 超高圧変圧器の製造サイクルは非常に長く、通常18か月から36か月かかる | これは年間生産量を制限する最も重要な要因である。 |
4.2 年間生産量が制限される理由
超高圧（UHV）変圧器の年間生産量は、通常の商品のように「数万」とは測定されません。これは主にその非常に複雑な製造過程と非常に長い生産サイクルによるものです。
4.2.1 技術的に複雑で時間のかかる工程
電力網の「心臓」とも呼ばれるUHV変圧器は、設計、材料、製造、テストにおいて極めて厳しい基準が適用されます。原材料の調達からコイルやコアなどの主要部品の精密加工、最終的な組立、そして数ヶ月にわたる厳格なテストまで、全プロセスを完了するには非常に長い時間がかかります。
4.2.2 大規模プロジェクトへの生産能力の割り当て
世界中で±800kV以上のUHV変圧器を製造できる企業はごく少数であり（例えばTBEA、XDグループ、シーメンス、ABBなど）、国家レベルのUHVプロジェクトは段階的に承認および建設され、各主要プロジェクトに対して変圧器の数量が事前に慎重に計画されています。たとえば、単一のUHV直流送電プロジェクトでは数十台の変換変圧器が必要となることがあります。したがって、主要メーカーの大量の生産能力（たとえばTBEAの約5億kVA）は特定の大規模プロジェクトの注文を満たすために使われ、投機的な販売用の在庫生産には使用されません。
4.3 業界背景と世界的な需要
4.3.1 国内での強力な成長
中国のUHV電力網の建設は現在急速な拡大期にあります。国の計画によれば、第14次五カ年計画期間（2021-2025年）中に、国電網は38の新規UHV線路—交流24路線と直流14路線—を計画しており、第13次五カ年計画よりも大幅に規模を拡大しています。これにより、UHV変圧器にとって安定かつ成長する国内市場が提供されています。
4.3.2 中国が主要サプライヤーとしての世界的な需要の急増
世界中の電力業界は現在、変圧器の深刻な不足に直面しています。標準的な変圧器の納期は2年以上に伸びており、大型電力変圧器では3〜4年となっています。このような状況下で、中国は完全な産業チェーン、高い生産効率（外国の製造業者ではUHV変圧器を1台作成するのに約18か月かかるのに対し、主要な中国企業は約3か月で完成させることができます）、コスト競争力により重要なグローバルサプライヤーとして浮上しました。中国からの変圧器輸出は急増しており、2025年の最初の8ヶ月だけで297億1100万元に達し、前年比50%以上増加しています。これは、中国の生産能力が国際的な需要の増加に対応していることを示しています。
4. 結論
山々や谷間を超えて電力を伝送する「電力の心臓」として、UHV変圧器は設計から材料、製造工程のすべてにおいて最高水準のエンジニアリング技術を体現しています。これらの厳格なプロセスと重要な技術の突破こそが、現代的で効率的かつ高度に信頼性のあるUHV電力網を支えています。
