Виробництво УВС-трансформаторів: повільно, точно, необхідно
1. Огляд
Трансформатори надвисокого напруги (UHV) є ключовим обладнанням сучасних енергетичних систем. Розуміння їх номінальних напруг, складної структури, точних виробничих процесів та критичних технологій виробництва показує, чому вони представляють вершину здатностей країни до виробництва енергетичного обладнання.
Визначення рівня напруги
Термін "трансформатор надвисокої напруги" зазвичай вказує на трансформатори, які використовуються в лініях передачі струму постійного струму з напругою 1000 кВ або вище, або постійного струму з напругою ±800 кВ або вище.
1.1 Технічний фон
Розвиток таких високонапіжних трансформаторів сприяє національному економічному та енергетичному зростанню, метою якого є забезпечення довговідстаневої, високопотужної та малошкідливої передачі електроенергії. Наприклад, ще в 2010 році Китай незалежно розробив трансформатор UHV 1000 кВ / 1000 МВА.
1.2 UHV в передачі постійного струму
Технологія UHV також має критичне значення у передачі електроенергії постійного струму (HVDC). Наприклад, конвертерний трансформатор UHV ±1100 кВ є одним із ключових продуктів стратегій "Made in China 2025" та "Пояс і шлях", а його технологія тепер визнана найкращою у світі.
2. Основні компоненти
Трансформатори UHV мають дуже складну та точну структуру. Наприклад, типовий масляний трансформатор UHV в основному складається з наступних компонентів:
| Компонент | Функції та особливості |
| Залізний сердечник | Виготовляється шаруванням високоякісних армовано-силиконових пластин для формування основного магнітного контуру. Трансформатори ЕВМ можуть використовувати інноваційні конструкції, такі як шести-модульний розділений сердечник, щоб зменшити втрати та спростити транспортування. |
| Обмотки | Включають високовольтні та низьковольтні обмотки. Зазвичай, низьковольтна обмотка намотана на внутрішньому шарі, а високовольтна — на зовнішньому. Це ключовий компонент, завдяки якому трансформатор виконує перетворення напруги. |
| Ізоляційна система | Включає ізоляцію обмоток, міжшарову ізоляцію та трансформаторне масло. Трансформатори ЕВМ можуть використовувати багатошарову формуєму кутову кільцеву ізоляцію, компактну стінку бар’єрної ізоляції тощо, щоб забезпечити достатній ізоляційний запас. |
| Бак та трансформаторне масло | Бак містить залізний сердечник, обмотки та трансформаторне масло; трансформаторне масло виконує роль ізоляції та охолодження. |
| Пристрій регулювання напруги | Трансформатори ЕВМ зазвичай використовують регулювач напруги під навантаженням на нейтральній точці для регулювання напруги, і можуть використовувати незалежний зовнішній режим регулювання напруги, тобто корпус трансформатора та бак регулювального компенсаційного трансформатора розташовані окремо. |
| Система охолодження | Розповсюджує тепло, що генерується під час роботи. Трансформатори ЕВМ можуть використовувати передові дизайни, такі як багатоканальна структура тепловідведення та нова структура масивного зажиму масла, для оптимізації тепловідведення. |
| Захисні пристрої та вводи | Включають резервуар, газовий реле, вбирач вологи, безпековий канал тощо. Високовольтні та низьковольтні ізоляційні вводи реалізують з'єднання між внутрішніми провідниками та зовнішніми лініями, забезпечуючи ізоляцію від баку. Вводи ЕВМ мають складні конструкції, наприклад, багатошарова циліндрична ізоляція та підтримуючі структури будуть використані для забезпечення рівномірного електричного поля. |
3. Виробничі процеси та ключові технології
Виробництво перетворювачів ультрависокого напруги (UHV) є системним інженерним процесом, який охоплює від сировини до готової продукції. Нижче наведено основні етапи його виробництва:
| Етап | Основний зміст |
| Проектування та вибір матеріалів | Проведення електромагнітного, ізоляційного та конструктивного проектування на основі електричних параметрів, а також вибір якісних кремнезалізових листів, бездимкових мідних дротів, високопродуктивних ізоляційних матеріалів тощо. |
| Виробництво залізного сердечника | Включає різання, стаковання та затиск кремнезалізових листів. Довгота та якість стакування безпосередньо впливають на характеристики магнітного контуру та втрати при навантаженні. |
| Виробництво обмоток | Змотування катушок на спеціальних машинках для намотки згідно з проектними параметрами та проведення ізоляційної обробки (наприклад, обгорнення ізоляційної паперу). Кількість змотувань повинна бути точна, розташування щільне, а ізоляція надійна. |
| Ізоляційна обробка та сушіння | Обмотки та корпус трансформатора повинні пройти вакуумну лакування та сушку для покращення ізоляційних характеристик. Для продуктів УВН можуть використовуватися потужні газофазні сушарки під час монтажу на місці, щоб забезпечити вміст води в ізоляційних матеріалах ≤ 0,4%. |
| Виробництво масляного бака та компонентів | Виготовлення масляних баків трансформаторів та металевих конструктивних компонентів, таких як кліпси та екрани. |
| Фінальна збірка | Інтегральна збірка насиченого залізного сердечника, обмоток, проводів тощо у масляному баку, включаючи розташування та фіксацію проводів, а також встановлення додаткових компонентів, таких як втулки та охолоджувальні пристрої. |
| Перевірка та тестування | Перед відправленням необхідні ряд строгих тестів, таких як тест на стійкість ізоляції до напруги, тест на втрати при навантаженні/без навантаження, вимірювання локального випромінювання, експеримент на нагрівання тощо. |
Наступні ключові процеси є критичними для продуктивності та терміну служби перетворювачів наднапруги (UHV) і потребують особливої уваги:
3.1 Електромагнітний проект та контроль розсіяного магнітного поля
3.1.1 Важливість
Перетворювачі UHV мають дуже високу потужність (наприклад, до 500 МВА на секцію), що робить проблему розсіяного магнітного поля більш вираженою. Надмірне розсіяне магнітне поле може спричинити локальне перегрівання та додаткові втрати, що загрожує безпечному функціонуванню.
3.1.2 Основні аспекти
Необхідно застосовувати сучасні методи електромагнітного моделювання. Застосовуються такі заходи, як інноваційне магнітне екранування ярма та "L-подібне" медне екранування на з'єднаннях резервуара, для ефективного зменшення втрат вихоревим струмом в конструктивних елементах—до 25%.
3.2 Проект та обробка ізоляційної системи
3.2.1 Важливість
Система ізоляції є життєво необхідною для надійної роботи перетворювачів UHV, оскільки вона повинна витримувати дуже високі напруги під час роботи та можливі перевищенні напруги.
3.2.2 Основні аспекти
Застосовуються проектні рішення, такі як багатошарова формована кутова кільцева ізоляційна система, для забезпечення рівномірного розподілу електричного поля та достатнього запасу ізоляції на кінцях катушок та виходах проводів. Процеси вакуумної пропитки та сушіння повинні строго контролюватися—наприклад, за допомогою високопродуктивного парофазного обладнання на місці для забезпечення повної сушіння ізоляційних матеріалів, досягаючи вологості ≤ 0,4%. Це важливо для запобігання частковим розрядам та пробою ізоляції.
3.3 Процес зборки на місці
3.3.1 Важливість
У регіонах зі складними транспортними умовами—наприклад, в горних або високогірних районах—перетворювачі UHV повинні збиратися на місці. Це включає розборку, транспортування, захист та повторну зборку тисяч компонентів, що робить його дизайн та процес значно складнішим, ніж у звичайних перетворювачів.
3.3.2 Основні аспекти
Необхідні модульльні конструктивні рішення—наприклад, розділені рами сердечника та з'єднуючі конструкції, що легко демонтується. Точність зборки на місці повинна досягати міліметрової точності (наприклад, відхилення від центру катушки до сердечника < 3 мм). Потрібен строгий процес контролю допусків, запобігання вологості та захисту від забруднення, щоб забезпечити якість після зборки.
3.4 Виготовлення обмоток та контроль якості
3.4.1 Важливість
Якість обмоток прямо визначає електричні характеристики, механічну міцність та здатність перетворювача витривати короткі замикання.
3.4.2 Основні аспекти
Потрібно використовувати автоматизоване обмоточне обладнання для досягнення точної контролю натягу та вирівнювання шарів. Після обмотки проводяться випробування на витриваність при промисловій частоті та вимірювання опору постійному струму, щоб уникнути ризиків, таких як короткі замикання між витками.
3.5 Заводські випробування та вимірювання часткових розрядів
3.5.1 Важливість
Ці випробування є остаточною перевіркою якості перед відправкою, що дозволяє виявити можливі дефекти в проектуванні або виробництві.
3.5.2 Основні аспекти
Окрім стандартних випробувань, вимірювання часткових розрядів (PD) є особливо важливим. Випробування PD є високочутливими до мінімальних дефектів ізоляції та служать ключовим індикатором внутрішньої умови ізоляції.
3.6 Обмотка катушок для перетворювачів UHV
3.6.1
| Етап | Роль та значення ручного управління | Роль механічної/технічної допомоги |
| Процес намотки сердечника | Домінуюча. Майстри залежать від чуття рук, зору та досвіду, щоб точно контролювати тисячі деталей, таких як положення проводу, ступінь затяжки та розташування ізоляційних частин. | Помічна. Надає стабільну платформу для намотки та основне живлення, але не може замінити кінцеву точну налаштування. |
| Точний контроль | Основна гарантія. Ліпші майстри можуть контролювати толеранс між двома шарами проводів в межах 1 мм (промисловий стандарт - 2 мм) для забезпечення оптимальної електричної продуктивності. | Надає інструменти для вимірювання (наприклад, лінійки), але реалізація точності залежить від негайного судження та підстройки майстрів. |
| Спеціальні процеси (наприклад, зварювання) | Незамінна. Зіткнувшись з сотнями типів проводів та тисячами точок зварювання, майстри повинні точно контролювати температуру, відстань та час, наприклад, у процесі високочастотного зварювання. | Надає обладнання для зварювання, але контроль параметрів та операції повністю залежать від навичок майстрів. |
| Напрямок майбутнього розвитку | "Неявна знання" досвідчених майстрів все ще є центральним. | Інтелектуалізація та цифровізація. Перетворення досвіду відмінних майстрів на дані для відстеження якості та моніторингу оточення, накопичення знань для майбутньої інтелектуальності. |
3.6.2 Причини, чому виготовлення катушок не може бути повністю автоматизовано
Існує три основні причини, чому ручна праця залишається незамінною при виготовленні катушок для трансформаторів ВЕГ:
3.6.2.1 Екстремальні вимоги до точності
Катушки трансформаторів ВЕГ зазвичай намотані з тисяч метрів провідника, формуючи кілька тисяч витків, з кінцевою вагою, яка досягає 20-30 метричних тонн. Протягом всього процесу намотки кожен удар молотка, розташування кожного ізоляційного проставки та обмотка кожного шару ізоляційної паперу повинні виконуватися з абсолютними точністю — будь-яке відхилення недопустимо. Цей рівень реального часу судження та мікро-регулювання перевищує поточні можливості машин, чиї "руки" та "очі" ще не можуть зігнати з проворством та інтуїцією майстерних ремесленників.
3.6.2.2 Складність структури та адаптивність
Трансформатори ВЕГ мають широкий спектр конструкцій з дуже складними та змінними структурами. Наприклад, у ±1,100 кВ конвертерних трансформаторах може знадобитися сотні або навіть тисячі зварювальних з'єднань для з'єднання різних типів провідників. Оператори повинні на ходу корегувати техніки залежно від незначних відмінностей в матеріалах дротів — подібно до "з'єднання капілярів". Це нестандартне, високоадаптивне прийняття рішень та виконання саме там, де відмінно проявляється ручна майстерність.
3.6.2.3 Непоколебима прагнення до якості
Одна катушка включає десятки тисяч ключових деталей. Найменша помилка — наприклад, пропущений один шар ізоляційного паперу — може призвести до зламу ізоляції, що призведе до витрат на переробку сотень тисяч або навіть мільйонів юанів, а також може загрожувати безпеці всього електроенергетичного мережі. З урахуванням цього екстремального ризику якості, сполука на високопрофесійних та надзвичайно вирісних ремесленників залишається найнадійнішим підходом.
4. Виробнича потужність
У галузі трансформаторів ВЕГ річний випуск зазвичай вимірюється загальною потужністю (у кВА), а не кількістю одиниць, оскільки рейтинг окремих трансформаторів сильно відрізняється — від кількох сотень МВА до понад 1,000 МВА на одиницю.
4.1 Практична потужність та стратегічний баланс
З урахуванням трудомісткості ручного намотування, як галузь задовольняє попит?
4.1.1 Надійність над швидкістю
Трансформатори ВЕГ часто називають "серцем" електроенергетичної мережі, де надійність є ключовою. Наприклад, майстер-ремесленник Чжан Гуойун брав участь у намотці понад 10,000 катушок протягом 25 років, з загальною довжиною провідника, що перевищила 40,000 кілометрів. Його ручні катушки постійно досягають толерантності між шарами провідника в межах 1 мм — половина стандарту галузі 2 мм. Ця виняткова точність, яку машини ще не можуть стабільно повторити, прямо визначає продуктивність та тривалість служби трансформатора.
4.1.2 Як вимірюється потужність
Ці висококласні активи виробляються строго "на замовлення", а не для запасів — подібно до будівництва авіаносців або EUV литографічних машин. Тому потужність визначається тим, скільки кваліфікованих одиниць завод може успішно доставити за рік.
4.1.3 Стратегії для покращення загальної ефективності
Для підвищення ефективності без компромісів щодо якості виробники значно інвестують у виховання великих команд висококваліфікованих техніків. Наприклад, "Студії інновацій майстрів-ремесленників" навчили більше 2,000 співробітників передовим методам намотки. Крім того, планування виробництва та управління робочими процесами оптимізовані, щоб забезпечити безперервну координацію між основними операціями намотки та допоміжними процесами до та після них.
| Зміст | Дані/Масштаб | Ключова інформація |
| Можливості лідера відраслі | TBEA має річну можливість близько 495 мільйонів кВА | Представляє найбільший внутрішній масштаб виробництва. |
| Загальна внутрішня можливість | У 2023 році можливість трансформаторів УВС в Китаї становила приблизно 50 мільйонів кВА (0,5 мільярда кВА), а до 2025 року очікується досягнення 60 мільйонів кВА (0,6 мільярда кВА) | Відображає загальну рівень можливості трансформаторів УВС по всій країні. |
| Цикл виробництва | Цикл виробництва трансформаторів УВС дуже довгий, зазвичай триває від 18 до 36 місяців | Це найважливіший фактор, що обмежує річне випуск. |
4.2 Чому обмежено річний випуск
Річний обсяг виробництва трансформаторів ультрависокого напруги (UHV) не можна вимірювати "десятки тисяч" як звичайні товари, головним чином через надзвичайно складні процеси виробництва та дуже довгі цикли виробництва.
4.2.1 Технічно складне та тривале за часом
Трансформатори UHV, які часто називають "серцем" електромережі, підлягають надзвичайно строгим стандартам у проектуванні, матеріалах, виробництві та тестуванні. Весь процес - від закупівлі сировини та точного виготовлення ключових компонентів (наприклад, обмоток та сердечників) до фінальної зборки та місяців важких тестів - займає дуже багато часу для завершення.
4.2.2 Можливості виробництва виділяються кільком великим проєктам
На світовому рівні лише кілька компаній мають можливість виробляти трансформатори UHV з напругою ±800 кВ або вище (наприклад, TBEA, XD Group, Siemens, ABB). Національні проєкти UHV схвалюються та будуються поетапно, з детальним плануванням кількості трансформаторів для кожного великої проєкту. Наприклад, один проєкт передачі прямих струмів UHV може потребувати десятки конвертерних трансформаторів. В результаті велика виробнича потужність провідних виробників, таких як майже 500 мільйонів кВ·А TBEA, направлена на виконання конкретних великих замовлень, а не на виробництво запасів для спекулятивної продажу.
4.3 Індустріальний контекст та глобальний попит
4.3.1 Сильний внутрішній розвиток
Будівництво мережі UHV в Китаї зараз знаходиться у періоді швидкого розширення. Згідно з національним плануванням, під час П'ятнадцятий п'ятилітній план (2021–2025), Державна мережа запланувала 38 нових ліній UHV - 24 AC і 14 DC проєкти, значно розширюючи масштаби порівняно з Чотирнадцятий п'ятилітній план. Це забезпечує стабільний та зростаючий внутрішній ринок для трансформаторів UHV.
4.3.2 Зростаючий глобальний попит з Китаєм як ключовим постачальником
На глобальному рівні енергетична галузь стикається з серйозним дефіцитом трансформаторів. Терміни поставки стандартних трансформаторів вже простягнулися за два роки, а для великих енергетичних трансформаторів - до три-чотирьох років. На цьому тлі Китай став ключовим глобальним постачальником завдяки своїй повній промисловій ланцюжку, високій продуктивності виробництва (наприклад, коли закордонним виробникам потрібно приблизно 18 місяців, щоб побудувати один трансформатор UHV, провідні китайські компанії можуть завершити його за близько три місяці) та конкурентоспроможності за вартістю. Експорт трансформаторів з Китаю зріс - до 29,711 млрд юанів лише за перші вісім місяців 2025 року, що становить збільшення більше ніж на 50% по відношенню до минулого року - що демонструє, що виробнича потужність Китаю активно задовольняє зростаючий міжнародний попит.
4. Висновок
Як "серце енергії", яке передає електроенергію через гори та долини, трансформатор UHV відображає найвищі рівні інженерної вдосконаленості - від проектування та матеріалів до кожного окремого виробничого кроку. Саме ці строгі процеси та прориви в ключових технологіях є основою сучасної, ефективної та надійної мережі UHV.
