UHV 변압기 생산: 천천히 정밀하게 필수적으로

1. 개요

• 초고압 (UHV) 변압기는 현대 전력 시스템의 핵심 장비입니다. 그들의 전압 등급, 복잡한 구조, 정밀 제조 공정, 그리고 중요한 생산 기술을 이해함으로써 한 나라의 전력 장비 제조 능력의 최고봉을 알 수 있습니다.

• 전압 수준 정의
  "초고압 변압기"라는 용어는 일반적으로 1,000 kV 이상의 교류 송전선이나 ±800 kV 이상의 직류 송전선에서 사용되는 변압기를 의미합니다.

1.1 기술적 배경
이러한 고전압 변압기의 개발은 국가 경제와 전력 부문의 성장에 의해 촉진되며, 장거리, 대용량, 저손실 전력 송전을 가능하게 하는 것을 목표로 합니다. 예를 들어, 2010년부터 중국은 독자적으로 1,000 kV / 1,000 MVA UHV 변압기를 개발하였습니다.

1.2 직류 송전에서의 UHV
UHV 기술은 HVDC (고전압 직류) 송전에서도 동일하게 중요합니다. 예를 들어, ±1,100 kV UHV DC 변환 변압기는 중국의 "Made in China 2025" 및 "Belt and Road Initiative" 전략의 주요 제품 중 하나이며, 그 기술은 이제 세계 최고 수준으로 인정받고 있습니다.

2. 주요 구성 요소
UHV 변압기는 매우 복잡하고 정밀한 구조를 가지고 있습니다. 일반적인 유변압기 UHV 변압기를 예로 들면, 주로 다음 구성 요소로 이루어져 있습니다:

3. 제조 공정 및 핵심 기술

초고압(UHV) 변압기의 제조는 원자재에서 완제품까지의 체계적인 공학적 과정입니다. 다음은 주요 생산 단계를 개략적으로 설명합니다:

다음 주요 공정은 초고압 변압기(UHV)의 성능과 수명에 중요한 영향을 미치며 특별한 주의가 필요합니다:

3.1 전자기 설계 및 누설 자기 통제

3.1.1 중요성

UHV 변압기는 매우 높은 용량(예: 지지당 최대 500 MVA)을 가지므로 누설 자기가 더욱 심각한 문제가 됩니다. 과도한 누설 자기는 국소적인 과열과 추가 손실을 초래하여 안전한 작동을 위협할 수 있습니다.
3.1.2 주요 고려사항
고급 전자기 시뮬레이션 기법이 사용되어야 합니다. 예를 들어, 혁신적인 요크 자기 차폐와 탱크 연결부의 “L형” 구리 차폐를 사용하여 구조적 구성 요소에서 유도 전류 손실을 최대 25%까지 효과적으로 줄일 수 있습니다.

3.2 절연 구조 설계 및 가공
3.2.1 중요성
절연 시스템은 UHV 변압기의 신뢰성 있는 작동을 위한 생명선으로, 매우 높은 작동 전압과 잠재적인 과전압을 견뎌내야 합니다.
3.2.2 주요 고려사항
다층 성형 각 링 절연 구조와 같은 설계가 코일 끝과 리드 출구에서 균일한 전기장 분포와 충분한 절연 여유를 보장하기 위해 채택됩니다. 진공 잉침 및 건조 공정은 엄격히 제어되어야 하며, 예를 들어 대용량 현장 증기 상 건조 장비를 사용하여 절연 재료의 완전한 건조를 달성하고 수분 함량을 ≤ 0.4%로 유지해야 합니다. 이는 부분 방전 및 절연 파괴를 방지하는 데 필수적입니다.

3.3 현장 조립 공정
3.3.1 중요성
교통 조건이 어려운 지역(예: 고산지역 또는 산악 지형)에서는 UHV 변압기를 현장에서 조립해야 합니다. 이는 수천 개의 부품을 분해, 운송, 보호 및 재조립하는 것을 포함하므로 그 설계와 공정 복잡성이 일반 변압기보다 훨씬 큽니다.
3.3.2 주요 고려사항
모듈식 구조 설계가 필수적입니다. 예를 들어, 분할된 코어 프레임과 분리 가능한 연결 구조가 있습니다. 현장 조립 허용 오차는 밀리미터 수준의 정밀도(예: 코일-코어 중심 정렬 편차 < 3 mm)에 도달해야 합니다. 조립 후 성능을 보장하기 위해서는 엄격한 허용 오차 관리, 습기 방지 및 청결 보호 공정이 필요합니다.

3.4 감속체 제작 및 품질 관리
3.4.1 중요성
감속체의 품질은 변압기의 전기 성능, 기계적 강도 및 단락 내구성을 직접 결정합니다.
3.4.2 주요 고려사항
정확한 긴장력 제어 및 층 정렬을 달성하기 위해 자동화된 감속체 장비를 사용해야 합니다. 감속 후에는 주파수 인내 전압 및 직류 저항 테스트를 실시하여 회전 사이 단락 등의 위험을 제거합니다.

3.5 공장 수령 테스트 및 부분 방전 측정
3.5.1 중요성
이러한 테스트는 출하 전 마지막 품질 검사점으로, 설계나 제조 과정에서 잠재적인 결함을 식별합니다.
3.5.2 주요 고려사항
표준 테스트 외에도 부분 방전(PD) 측정은 특히 중요합니다. PD 테스트는 미세한 절연 결함에 매우 민감하며 내부 절연 상태의 주요 지표 역할을 합니다.

3.6 UHV 변압기의 코일 감속
3.6.1

3.6.2 코일 감기에 완전 자동화가 불가능한 이유
초고압 변압기 코일 감기에 수작업이 여전히 대체 불가능한 주요 이유는 세 가지입니다:

3.6.2.1 극도의 정밀도 요구사항
초고압 변압기 코일은 일반적으로 수천 미터의 도체로 감아져 있으며,数千米的导体绕制而成，形成数千匝，最终重量达到20-30公吨。在整个绕制过程中，每一下锤子的敲击、每个绝缘垫片的放置以及每层绝缘纸的包裹都必须绝对精确—任何偏差都是不可接受的。这种实时判断和微调的程度超出了当前机器的能力范围，其“手”和“眼”仍无法与大师级工匠的灵巧性和直觉相匹配。

3.6.2.2 结构复杂性和适应性
特高压变压器的设计种类繁多，结构非常复杂且多变。例如，在±1,100 kV换流变压器中，可能需要数百甚至数千个焊点来连接不同类型的导体。操作人员必须根据导线材料的细微差异即时调整技术—类似于“连接毛细血管”。这种非标准化、高度适应性的决策和执行正是手工技能擅长之处。

3.6.2.3 对质量的不懈追求
单个线圈涉及数万个关键细节。哪怕是最轻微的疏忽—比如遗漏一层绝缘纸—都可能导致绝缘击穿，从而造成数十万甚至数百万人民币的返工成本，并可能危及整个电网的安全。鉴于这种极端的质量风险，依靠高度负责且技艺高超的工匠仍然是最可靠的方法。

4. 生产能力

在特高压变压器行业中，年产量通常以总容量（kVA）来衡量，而不是按单位数量，因为单个变压器的额定值差异很大—从几百MVA到超过1,000 MVA不等。

4.1 实际产能与战略平衡
考虑到手动绕制的耗时性质，行业如何满足需求？

4.1.1 可靠性优先于速度
特高压变压器常被称为电网的“心脏”，可靠性至关重要。例如，高级工匠张国云在25年间参与了超过10,000个线圈的绕制，总导体长度超过40,000公里。他手工绕制的线圈始终保持层间导体公差在1毫米以内—这是行业标准2毫米的一半。这种机器目前还无法稳定复制的卓越精度直接决定了变压器的性能和使用寿命。

4.1.2 产能如何衡量
这些高端资产是严格按照“订单驱动”的方式生产的，而不是为了库存—类似于建造航空母舰或EUV光刻机。因此，产能定义为工厂一年内能够成功交付多少合格单位。

4.1.3 提升整体效率的策略
为了在不影响质量的前提下提高效率，制造商大量投资培养高素质的技术人员团队。例如，“高级工匠创新工作室”已经培训了超过2,000名员工掌握先进的绕制技术。此外，生产计划和工作流程管理也得到了优化，以确保核心绕制操作与前后支持过程之间的无缝协调。

3.6.2 코일 감기에 완전 자동화가 불가능한 이유
초고압 변압기 코일 감기에 수작업이 여전히 대체 불가능한 주요 이유는 세 가지입니다:

3.6.2.1 극도의 정밀도 요구사항
초고압 변압기 코일은 일반적으로 수천 미터의 도체로 감아져 있으며, 수천 개의 회전을 형성하며, 최종 무게는 20-30 톤에 달합니다. 전체 감기 과정에서 망치로 두드리는 각각의 동작, 각 절연 스페이서의 배치, 그리고 각 절연 종이층의 감기는 절대적인 정밀도로 수행되어야 합니다—어떠한 편차도 용납되지 않습니다. 이러한 실시간 판단과 미세 조정의 수준은 현재 기계의 능력을 초월하며, 그 "손"과 "눈"은 아직까지 숙련된 장인의 민첩성과 직감을 따라잡지 못하고 있습니다.

3.6.2.2 구조적 복잡성 및 적응성
초고압 변압기는 매우 복잡하고 다양한 구조를 가진 설계가 많습니다. 예를 들어, ±1,100 kV 변환 변압기에서는 여러 유형의 도체를 연결하기 위해 수백 또는 수천 개의 솔더링 포인트가 필요할 수 있습니다. 작업자는 선재 재료의 미세한 차이에 따라 기술을 즉시 조정해야 합니다—이는 마치 "모세혈관을 연결하는 것"과 같습니다. 이러한 비표준화되고 높은 적응성의 의사결정 및 실행은 바로 수작업 기술이 뛰어난 부분입니다.

3.6.2.3 품질에 대한 타협 없는 추구
하나의 코일만 해도 수만 개의 중요한 세부 사항이 있습니다. 단 하나의 절연 종이층을 빠뜨리는 것과 같은 가장 작은 부주의는 절연 파괴로 이어질 수 있으며, 이는 수십만 원에서 수백만 원에 달하는 재작업 비용을 초래하고, 전력망 전체의 안전성을 위협할 수 있습니다. 이러한 극단적인 품질 위험 때문에, 매우 책임감 있고 뛰어난 기술을 가진 장인들을 의존하는 것이 가장 신뢰할 수 있는 접근 방식입니다.

4. 생산 능력

초고압 변압기 산업에서 연간 생산량은 일반적으로 단위 수가 아닌 총 용량(kVA)으로 측정됩니다. 개별 변압기의 등급은 몇 백 MVA에서 1,000 MVA 이상으로 다양하기 때문입니다.

4.1 실제 용량과 전략적 균형
수작업 감기가 시간 집약적인 특성을 고려할 때, 산업은 어떻게 수요를 충족시키는가?

4.1.1 신뢰성 우선, 속도보다
초고압 변압기는 종종 전력망의 "심장"이라고 불리며, 신뢰성이 중요합니다. 예를 들어, 장인 장궈윈은 25년 동안 10,000개 이상의 코일을 감았으며, 총 도체 길이는 40,000km를 넘었습니다. 그가 수작업으로 감은 코일은 항상 1mm 미만의 층간 도체 허용오차를 달성했습니다—이는 업계 표준 2mm의 절반입니다. 이러한 기계가 아직 안정적으로 재현하지 못하는 뛰어난 정밀도는 직접적으로 변압기의 성능과 수명을 결정합니다.

4.1.2 용량 측정 방법
이러한 고급 자산은 재고를 위한 것이 아니라 순수하게 "주문 기반"으로 생산됩니다—항공모함이나 EUV 리소그래피 기계와 유사합니다. 따라서 용량은 공장이 한 해 동안 성공적으로 배송할 수 있는 합격 단위의 수로 정의됩니다.

4.1.3 전체 효율성 향상 전략
품질을 저하시키지 않고 효율성을 향상시키기 위해 제조업체는 뛰어난 기술을 가진 대규모 기술자 팀 양성에 많은 투자를 합니다. 예를 들어, "장인 혁신 스튜디오"는 2,000명 이상의 직원에게 고급 감기 기술을 교육했습니다. 또한 생산 계획과 작업 흐름 관리가 최적화되어 핵심 감기 작업과 그 전후 지원 프로세스 간의 원활한 조정이 이루어집니다.

4.2 연간 생산량이 제한되는 이유
초고압(UHV) 변압기의 연간 생산량은 일반 상품처럼 "수만 대"로 측정될 수 없습니다. 이는 그들의 매우 복잡한 제조 공정과 매우 긴 생산 주기가 주된 원인입니다.

4.2.1 기술적으로 복잡하고 시간이 많이 소요됨
UHV 변압기는 종종 전력망의 "심장"으로 불리며, 설계, 재료, 제조 및 테스트에 매우 엄격한 기준을 적용받습니다. 원자재 조달부터 핵심 부품(예: 와인딩 및 코어)의 정밀 제작, 최종 조립, 그리고 몇 개월 동안의 철저한 테스트까지 전체 과정이 매우 오랜 시간이 걸립니다.

4.2.2 몇몇 메가 프로젝트에 할당된 용량
전 세계적으로 ±800 kV 이상의 UHV 변압기를 제조할 수 있는 회사는 몇 개뿐입니다(예: TBEA, XD Group, Siemens, ABB). 국가 UHV 프로젝트는 단계적으로 승인되고 건설되며, 각 주요 프로젝트를 위해 변압기 수량이 미리 신중하게 계획됩니다. 예를 들어, 단일 UHV 직류 송전 프로젝트는 수십 대의 변환 변압기를 필요로 합니다. 따라서 TBEA와 같은 선두 제조업체의 거대한 생산 능력(약 5억 kVA)은 특정 대규모 프로젝트 주문을 충족시키는 데 집중되어 있으며, 사전 판매를 위한 재고 생산을 목표로 하지는 않습니다.

4.3 산업적 맥락과 글로벌 수요

4.3.1 강력한 국내 성장
중국의 UHV 전력망 건설은 현재 급속히 확장되고 있습니다. 국가 계획에 따르면, 14차 5개년 계획 기간(2021-2025) 동안 국가전력그룹은 38개의 새로운 UHV 노선—24개의 교류 및 14개의 직류 프로젝트—을 계획하여 13차 5개년 계획의 규모를 크게 초과할 것입니다. 이를 통해 UHV 변압기에 대한 안정적이고 성장하는 국내 시장이 제공됩니다.

4.3.2 중국을 중심으로 하는 글로벌 수요 증가
전 세계적으로 변압기 부족이 심각한 문제로 대두되고 있습니다. 표준 변압기의 납품 기간은 2년 이상으로 늘어났으며, 대형 발전용 변압기의 경우 3~4년으로 늘어났습니다. 이러한 배경 속에서 중국은 완전한 산업 체인, 높은 생산 효율성(외국 제조업체가 하나의 UHV 변압기를 만드는 데 약 18개월이 걸리는 반면, 중국의 선두 기업들은 약 3개월 만에 완성할 수 있음), 그리고 비용 경쟁력을 바탕으로 중요한 글로벌 공급자가 되었습니다. 중국의 변압기 수출은 2025년 8월까지 297억 1천만 위안에 달하며, 전년 대비 50% 이상 증가함으로써 중국의 생산 능력이 국제 수요 증가를 적극적으로 충족하고 있음을 보여줍니다.

4. 결론
산과 계곡을 가로지르는 전력을 전송하는 "전력 심장"인 UHV 변압기는 설계와 재료, 모든 제조 단계에서 가장 높은 수준의 공학적 정교함을 구현합니다. 바로 이러한 엄격한 과정과 핵심 기술의 돌파구가 오늘날의 현대적이고 효율적이며 높은 신뢰성을 갖춘 UHV 전력망을 가능케 합니다.