Производство УВЭЛ-трансформаторов: медленно точное и необходимое
1. Обзор
Трансформаторы сверхвысокого напряжения (СВН) являются ключевым оборудованием в современных энергетических системах. Понимание их номинальных напряжений, сложной структуры, точных производственных процессов и важнейших технологий производства показывает, почему они представляют собой вершину способности страны по производству электротехнического оборудования.
Определение уровня напряжения
Термин "трансформатор сверхвысокого напряжения" обычно относится к трансформаторам, используемым на линиях переменного тока с напряжением 1000 кВ и выше, или на линиях постоянного тока с напряжением ±800 кВ и выше.
1.1 Технический фон
Разработка таких высоковольтных трансформаторов обусловлена ростом национальной экономики и энергетического сектора, с целью обеспечения передачи электроэнергии на большие расстояния, с высокой мощностью и низкими потерями. Например, уже в 2010 году Китай самостоятельно разработал трансформатор СВН 1000 кВ / 1000 МВА.
1.2 СВН в передаче постоянного тока
Технология СВН также играет ключевую роль в передаче постоянного тока высокого напряжения (ПВН). Например, преобразовательный трансформатор СВН ±1100 кВ является одним из ключевых продуктов в рамках стратегий Китая "Сделано в Китае 2025" и "Пояс и путь", и его технологии признаны мировыми лидерами.
2. Основные компоненты
Трансформаторы СВН имеют очень сложную и точную структуру. В качестве примера рассмотрим типичный масляный трансформатор СВН, который состоит из следующих основных компонентов:
| Компонент | Функции и особенности |
| Железный сердечник | Изготавливается путем ламинации высококачественных листов кремниевой стали для формирования основного магнитного контура. Трансформаторы сверхвысокого напряжения могут использовать инновационные конструкции, такие как шестимодульный сегментированный сердечник, чтобы уменьшить потери и облегчить транспортировку. |
| Обмотки | Включают высоковольтные и низковольтные обмотки. Обычно низковольтная обмотка наматывается на внутренний слой, а высоковольтная обмотка — на внешний слой. Это ключевой компонент, который обеспечивает преобразование напряжения в трансформаторе. |
| Изоляционная система | Включает изоляцию обмоток, межслойную изоляцию и трансформаторное масло. Трансформаторы сверхвысокого напряжения используют многослойную формованную угловую изоляцию, компактную барьерную изоляцию стенок бака и другие конструкции, чтобы обеспечить достаточный запас изоляции. |
| Бак и трансформаторное масло | Бак содержит железный сердечник, обмотки и трансформаторное масло; трансформаторное масло выполняет функции изоляции и охлаждения. |
| Устройство регулирования напряжения | Трансформаторы сверхвысокого напряжения обычно используют регулятор напряжения под нагрузкой на нейтральной точке для регулирования напряжения и могут применять независимый внешний режим регулирования, то есть корпус трансформатора и бак регулирующего компенсационного трансформатора размещаются отдельно. |
| Система охлаждения | Рассеивает тепло, выделяющееся во время работы. Трансформаторы сверхвысокого напряжения могут использовать передовые конструкции, такие как многоканальная система рассеивания тепла и новая структура масляного канала зажима сердечника, для оптимизации охлаждения. |
| Защитные устройства и изоляторы | Включают расширитель, газовый реле, поглотитель влаги, предохранительный воздушный канал и т.д. Высоковольтные и низковольтные изоляторы обеспечивают соединение между внутренними выводами и внешними линиями, а также изоляцию от бака. Изоляторы сверхвысокого напряжения имеют сложные конструкции, например, используются многослойные цилиндры изоляции и поддерживающие стержни, чтобы обеспечить равномерное электрическое поле. |
3. Производственные процессы и ключевые технологии
Производство сверхвысоковольтных (СВВ) трансформаторов — это системный инженерный процесс, охватывающий этапы от сырья до готовой продукции. Ниже приведены основные стадии производства:
| Этап | Основное содержание |
| Проектирование и выбор материалов | Проведение электромагнитного, изоляционного и конструктивного проектирования на основе электрических параметров, а также выбор высококачественных силиконовых сталей, бескислородных медных проводов, высокопроизводительных изоляционных материалов и т.д. |
| Производство сердечника | Включает резку, укладку и зажим силиконовых сталей. Точность размеров и качество укладки напрямую влияют на характеристики магнитного контура и потери при холостом ходе. |
| Производство обмоток | Намотка катушек на специальных намоточных машинах в соответствии с проектными параметрами и проведение изоляционной обработки (например, обертывание изоляционной бумагой). Количество витков должно быть точным, расположение плотным, а изоляция надежной. |
| Изоляционная обработка и сушка | Обмотки и корпус трансформатора должны пройти вакуумную пропитку и сушку для улучшения изоляционных характеристик. Для продуктов сверхвысокого напряжения при сборке на месте могут использоваться устройства высокомощной газовой сушки, чтобы обеспечить содержание влаги в изоляционных материалах ≤ 0,4%. |
| Производство бака и компонентов | Производство масляных баков трансформаторов и металлических конструктивных элементов, таких как зажимы и экраны. |
| Финальная сборка | Интегральная сборка высушенного сердечника, обмоток, выводов и т.д. в масляном баке, включая размещение и фиксацию выводов, а также установку аксессуаров, таких как изоляторы и охлаждающие устройства. |
| Проверка и испытания | Перед отправкой требуется выполнение ряда строгих тестов, таких как испытание на пробой изоляции, испытание на потери при холостом ходе/под нагрузкой, измерение частичных разрядов, эксперимент по повышению температуры и т.д. |
Следующие ключевые процессы критически важны для производительности и срока службы сверхвысоковольтных (СВВ) трансформаторов и требуют особого внимания:
3.1 Электромагнитный дизайн и контроль рассеянного магнитного потока
3.1.1 Важность
СВВ трансформаторы имеют очень высокую мощность (например, до 500 МВА на ветвь), что делает проблему рассеянного магнитного потока более значительной. Избыточный рассеянный магнитный поток может вызвать локальное перегревание и дополнительные потери, угрожая безопасной эксплуатации.
3.1.2 Ключевые аспекты
Необходимо применять передовые методы электромагнитного моделирования. Используются меры, такие как инновационное магнитное экранирование ярма и "L-образное" медное экранирование в местах соединения бака, чтобы эффективно снизить потери от вихревых токов в конструкционных элементах — до 25%.
3.2 Дизайн и обработка изоляционной структуры
3.2.1 Важность
Изоляционная система является жизненно важным элементом для надежной работы СВВ трансформаторов, так как она должна выдерживать чрезвычайно высокие рабочие напряжения и возможные перенапряжения.
3.2.2 Ключевые аспекты
Применяются дизайны, такие как многослойные формованные угловые кольца изоляции, чтобы обеспечить равномерное распределение электрического поля и достаточный запас изоляции на концах обмоток и выходах выводов. Процессы вакуумной пропитки и сушки должны строго контролироваться, например, с использованием высокопроизводительного оборудования для фазовой сушки на месте, чтобы обеспечить полную сушку изоляционных материалов, достигая содержания влаги ≤ 0,4%. Это важно для предотвращения частичных разрядов и пробоя изоляции.
3.3 Процесс сборки на месте
3.3.1 Важность
В регионах с трудными условиями транспортировки, таких как высокогорные или горные районы, СВВ трансформаторы должны собираться на месте. Это включает разборку, транспортировку, защиту и повторную сборку тысяч компонентов, что делает сложность его дизайна и процесса значительно превышающей сложность обычных трансформаторов.
3.3.2 Ключевые аспекты
Необходимы модульные конструктивные решения, например, секционные рамы сердечника и разъемные соединительные конструкции. Точность сборки на месте должна достигать миллиметрового уровня (например, отклонение выравнивания центра обмотки и сердечника < 3 мм). Необходим строгий процесс контроля допусков, защиты от влаги и чистоты, чтобы обеспечить после сборки необходимые характеристики.
3.4 Изготовление обмоток и контроль качества
3.4.1 Важность
Качество обмоток напрямую определяет электрические характеристики, механическую прочность и способность трансформатора выдерживать короткое замыкание.
3.4.2 Ключевые аспекты
Для достижения точного контроля натяжения и выравнивания слоев необходимо использовать автоматическое оборудование для намотки. После намотки проводятся испытания на выдерживаемость рабочего напряжения и сопротивление постоянному току, чтобы исключить риски, такие как межвитковые замыкания.
3.5 Заводские приемочные испытания и измерение частичных разрядов
3.5.1 Важность
Эти испытания служат окончательным контрольным пунктом качества перед отправкой, выявляя потенциальные дефекты в дизайне или производстве.
3.5.2 Ключевые аспекты
Помимо стандартных испытаний, измерение частичных разрядов (ЧР) особенно критично. Испытания на ЧР очень чувствительны к мелким дефектам изоляции и являются ключевым показателем внутреннего состояния изоляции.
3.6 Намотка обмоток для СВВ трансформаторов
3.6.1
| Этап | Роль и значение ручной операции | Роль механической/технической помощи |
| Процесс намотки сердечника | Основная. Мастера полагаются на ощущения рук, зрение и опыт для точного контроля тысяч деталей, таких как положение провода, натяжение и размещение изоляционных частей. | Вспомогательная. Предоставляют стабильную платформу для намотки и базовое питание, но не могут заменить окончательную тонкую настройку. |
| Точное управление | Основное обеспечение. Лучшие мастера могут контролировать допуск между двумя слоями проводов в пределах 1 мм (стандарт отрасли - 2 мм), чтобы обеспечить оптимальные электрические характеристики. | Предоставляют измерительные инструменты (например, линейки), но достижение точности зависит от немедленного суждения и тонкой настройки мастеров. |
| Специальные процессы (например, сварка) | Незаменимая. Перед лицом сотен типов проводов и тысяч сварочных точек мастера должны точно контролировать температуру, расстояние и время, например, процесс высокочастотной сварки. | Предоставляют сварочное оборудование, но контроль параметров и операция полностью зависят от навыков мастеров. |
| Направление будущего развития | "Неявные знания" опытных мастеров остаются ключевыми. | Интеллектуализация и цифровизация. Преобразование опыта выдающихся мастеров в данные для прослеживаемости качества и мониторинга окружающей среды, накопление знаний для будущей интеллектуализации. |
3.6.2 Причины, по которым намотка катушек не может быть полностью автоматизирована
Существует три основные причины, по которым ручное мастерство остается незаменимым в намотке катушек сверхвысоковольтных (СВВ) трансформаторов:
3.6.2.1 Экстремальные требования к точности
Катушки СВВ трансформаторов обычно наматываются из тысяч метров проводника, образуя несколько тысяч витков, с конечным весом, достигающим 20-30 метрических тонн. На протяжении всего процесса намотки каждый удар молотком, размещение каждого изоляционного прокладочного элемента и обертывание каждого слоя изоляционной бумаги должны выполняться с абсолютной точностью — любое отклонение недопустимо. Этот уровень реального времени оценки и микрорегулировки превышает текущие возможности машин, чьи "руки" и "глаза" все еще не могут сравниться с ловкостью и интуицией опытных мастеров.
3.6.2.2 Структурная сложность и адаптивность
СВВ трансформаторы имеют широкий спектр конструкций с высоко сложными и переменными структурами. Например, в ±1,100 кВ преобразовательных трансформаторах может потребоваться сотни или даже тысячи паяных соединений для подключения различных типов проводников. Операторы должны на ходу корректировать техники, основываясь на незначительных различиях в материалах проводов — что похоже на "соединение капилляров". Это нестандартизированное, высокоадаптивное принятие решений и выполнение задач — именно то, в чем особенно преуспевают ручные навыки.
3.6.2.3 Непреклонное стремление к качеству
Одна катушка включает в себя десятки тысяч критически важных деталей. Самый маленький промах, такой как пропуск одного слоя изоляционной бумаги, может привести к пробою изоляции, что вызовет затраты на переделку в сотни тысяч или даже миллионы юаней и потенциально поставит под угрозу безопасность всей энергосистемы. Учитывая этот экстремальный риск качества, опора на высокопрофессиональных и исключительно квалифицированных мастеров остается наиболее надежным подходом.
4. Производственная мощность
В отрасли СВВ трансформаторов годовой выпуск обычно измеряется общей мощностью (в кВА), а не количеством единиц, так как номинальная мощность отдельных трансформаторов может сильно варьироваться — от нескольких сотен МВА до более чем 1,000 МВА на единицу.
4.1 Практическая мощность и стратегическое равновесие
Учитывая трудоемкий характер ручной намотки, как отрасль удовлетворяет спрос?
4.1.1 Надежность превыше скорости
СВВ трансформаторы часто называют "сердцем" энергосистемы, где надежность является первостепенной. Например, мастер-мастер Чжан Гоюнь за 25 лет принял участие в намотке более 10,000 катушек, с общей длиной проводника, превышающей 40,000 километров. Его ручные катушки постоянно достигают допусков между слоями проводника в пределах 1 мм — это половина стандартной нормы отрасли в 2 мм. Эта исключительная точность, которую машины пока не могут стабильно воспроизводить, напрямую определяет производительность и срок службы трансформатора.
4.1.2 Как измеряется мощность
Эти высококачественные активы производятся строго "по заказу", а не для складирования — аналогично строительству авианосцев или EUV литографических установок. Таким образом, мощность определяется тем, сколько качественных единиц завод может успешно поставить в течение года.
4.1.3 Стратегии повышения общей эффективности
Для повышения эффективности без ущерба для качества производители инвестируют значительные средства в подготовку больших команд высококвалифицированных техников. Например, "Студии инноваций мастеров-мастеров" обучили более 2,000 сотрудников передовым методам намотки. Кроме того, планирование производства и управление рабочими процессами оптимизируются, чтобы обеспечить бесшовную координацию между основными операциями по намотке и поддерживающими процессами до и после них.
| Содержание | Данные/Масштаб | Ключевая информация |
| Производственная мощность лидера отрасли | TBEA имеет годовую производственную мощность около 495 миллионов кВА | Представляет собой крупнейший масштаб производства в стране. |
| Общая производственная мощность внутри страны | В 2023 году производственная мощность трансформаторов сверхвысокого напряжения в Китае составила около 50 миллионов кВА (0,5 миллиарда кВА), и ожидается, что она достигнет 60 миллионов кВА (0,6 миллиарда кВА) к 2025 году | Отражает общий уровень производственной мощности трансформаторов сверхвысокого напряжения по всей стране. |
| Производственный цикл | Производственный цикл трансформаторов сверхвысокого напряжения очень длинный, обычно составляет от 18 до 36 месяцев | Это самый важный фактор, ограничивающий годовой объем производства. |
4.2 Почему годовой объем выпуска ограничен
Годовой объем производства трансформаторов сверхвысокого напряжения (СВН) не может измеряться "десятками тысяч", как обычные товары, главным образом из-за их исключительно сложных процессов изготовления и крайне длительных производственных циклов.
4.2.1 Техническая сложность и длительное время выполнения
Часто называемые "сердцем" энергетической сети, трансформаторы СВН подвергаются чрезвычайно строгим стандартам в дизайне, материалах, производстве и испытаниях. Весь процесс — от закупки сырья и точного изготовления основных компонентов (например, обмоток и магнитопроводов) до окончательной сборки и месяцев длительных испытаний — занимает очень много времени для завершения.
4.2.2 Производственные мощности распределены между несколькими крупными проектами
По всему миру лишь несколько компаний обладают способностью производить трансформаторы СВН с напряжением ±800 кВ и выше (например, TBEA, XD Group, Siemens, ABB). Национальные проекты СВН утверждаются и строятся поэтапно, с тщательным планированием количества трансформаторов для каждого крупного проекта заранее. Например, один проект передачи постоянного тока СВН может потребовать десятки преобразовательных трансформаторов. В результате значительная производственная мощность ведущих производителей, таких как почти 500 миллионов кВА у TBEA, направлена на выполнение конкретных крупномасштабных заказов, а не на производство запасов для спекулятивной продажи.
4.3 Отраслевой контекст и глобальный спрос
4.3.1 Сильный внутренний рост
Строительство сетей СВН в Китае сейчас находится в периоде быстрого расширения. Согласно национальному планированию, в течение 14-го пятилетнего плана (2021–2025) Государственная сеть запланировала 38 новых линий СВН, включающих 24 проекта переменного тока и 14 проектов постоянного тока, значительно превышая масштабы 13-го пятилетнего плана. Это обеспечивает стабильный и растущий внутренний рынок для трансформаторов СВН.
4.3.2 Растущий глобальный спрос с Китаем в качестве ключевого поставщика
На глобальном уровне энергетическая отрасль сталкивается с серьезным дефицитом трансформаторов. Время ожидания поставки стандартных трансформаторов растянулось более чем на два года, а для крупных силовых трансформаторов оно достигает трех-четырех лет. На этом фоне Китай выступает как ключевой глобальный поставщик, благодаря своей полной производственной цепочке, высокой эффективности производства (например, в то время как зарубежным производителям требуется около 18 месяцев для постройки одного трансформатора СВН, ведущие китайские компании могут завершить это за примерно три месяца) и конкурентоспособности по стоимости. Экспорт трансформаторов из Китая резко увеличился, достигнув 29,711 миллиарда юаней только за первые восемь месяцев 2025 года, что на 50% больше, чем годом ранее, демонстрируя, что производственные мощности Китая активно удовлетворяют растущий международный спрос.
4. Заключение
Как "сердце" электрической энергии, которое передает электроэнергию через горы и долины, трансформатор СВН воплощает самые высокие уровни инженерного совершенства — от дизайна и материалов до каждого шага производства. Именно эти строгие процессы и прорывы в ключевых технологиях поддерживают современную, эффективную и высоко надежную сеть СВН сегодня.
