Sản xuất biến áp UHV: Chậm mà chính xác, thiết yếu
1. Tổng quan
Biến áp siêu cao áp (UHV) là thiết bị cốt lõi trong các hệ thống điện hiện đại. Hiểu về các mức điện áp, cấu trúc phức tạp, quy trình sản xuất chính xác và kỹ thuật sản xuất quan trọng sẽ cho thấy tại sao chúng đại diện cho đỉnh cao của khả năng sản xuất thiết bị điện của một quốc gia.
Định nghĩa Mức Điện Áp
Thuật ngữ "biến áp siêu cao áp" thường đề cập đến các biến áp được sử dụng trong các đường dây truyền tải AC có mức định mức 1.000 kV hoặc cao hơn, hoặc trong các đường dây truyền tải DC có mức định mức ±800 kV hoặc cao hơn.
1.1 Bối cảnh Kỹ thuật
Sự phát triển của các biến áp siêu cao áp như vậy được thúc đẩy bởi sự tăng trưởng kinh tế và ngành điện của quốc gia, nhằm mục đích cho phép truyền tải điện ở khoảng cách xa, dung lượng lớn và tổn thất thấp. Ví dụ, ngay từ năm 2010, Trung Quốc đã tự phát triển một biến áp UHV 1.000 kV / 1.000 MVA.
1.2 UHV trong Truyền tải DC
Công nghệ UHV cũng rất quan trọng trong truyền tải DC siêu cao áp (HVDC). Chẳng hạn, biến áp chuyển đổi DC UHV ±1.100 kV là một trong những sản phẩm chính dưới chiến lược “Made in China 2025” và “Belt and Road Initiative” của Trung Quốc, với công nghệ của nó hiện được công nhận là hàng đầu thế giới.
2. Các Thành Phần Chính
Các biến áp UHV có cấu trúc cực kỳ phức tạp và chính xác. Lấy ví dụ về một biến áp UHV ngâm dầu điển hình, nó chủ yếu bao gồm các thành phần sau:
| Thành phần | Chức năng và Đặc điểm |
| Lõi sắt | Được làm bằng cách ghép các tấm thép silic chất lượng cao để tạo thành mạch từ chính. Các biến áp UHV có thể sử dụng các cấu trúc sáng tạo như lõi phân đoạn sáu mô-đun để giảm tổn thất và thuận tiện cho việc vận chuyển. |
| Cuộn dây | Bao gồm cuộn dây điện áp cao và cuộn dây điện áp thấp. Thông thường, cuộn dây điện áp thấp được quấn ở lớp trong cùng, và cuộn dây điện áp cao được quấn ở lớp ngoài cùng. Đây là thành phần cốt lõi để biến áp hoàn thành việc biến đổi điện áp. |
| Hệ thống cách điện | Bao gồm cách điện cuộn dây, cách điện giữa các lớp và dầu biến áp. Các biến áp UHV sẽ sử dụng cấu trúc cách điện vành góc đúc nhiều lớp, cấu trúc cách điện rào chắn bể chứa nhỏ gọn, v.v., để đảm bảo đủ lề cách điện. |
| Bể chứa dầu và Dầu biến áp | Bể chứa dầu chứa lõi sắt, cuộn dây và dầu biến áp; dầu biến áp đóng vai trò cách điện và làm mát. |
| Thiết bị điều chỉnh điện áp | Các biến áp UHV thường sử dụng thiết bị thay đổi nấc tải ở điểm trung tính để điều chỉnh điện áp, và có thể sử dụng chế độ điều chỉnh điện áp độc lập bên ngoài, nghĩa là, thân biến áp và bể chứa biến áp điều chỉnh bù điện áp được bố trí riêng biệt. |
| Hệ thống làm mát | Nó giải nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động. Các biến áp UHV có thể sử dụng các thiết kế tiên tiến như cấu trúc tản nhiệt đa kênh và cấu trúc đường dẫn dầu kẹp lõi mới để tối ưu hóa việc tản nhiệt. |
| Thiết bị bảo vệ và Đầu nối cách điện | Bao gồm bình chứa, rơ-le khí, bộ hút ẩm, đường thông an toàn, v.v. Đầu nối cách điện điện áp cao và điện áp thấp thực hiện kết nối giữa các dây dẫn bên trong và các đường dây bên ngoài, và đảm bảo cách điện với bể chứa. Các đầu nối cách điện UHV có thiết kế phức tạp, ví dụ, các cấu trúc hình trụ cách điện nhiều lớp và cấu trúc thanh đỡ sẽ được sử dụng để đảm bảo trường điện đồng đều. |
3. Quy trình Sản xuất và Công nghệ then chốt
Quá trình sản xuất biến áp siêu cao áp (UHV) là một quá trình kỹ thuật hệ thống kéo dài từ nguyên liệu thô đến sản phẩm hoàn thiện. Dưới đây là các giai đoạn sản xuất chính:
| Giai đoạn | Nội dung cốt lõi |
| Thiết kế và lựa chọn vật liệu | Tiến hành thiết kế từ trường, cách điện, kết cấu dựa trên các tham số điện và lựa chọn thép silic chất lượng cao, dây đồng không oxy, vật liệu cách điện hiệu suất cao, v.v. |
| Sản xuất lõi sắt | Bao gồm cắt, xếp chồng và kẹp thép silic. Độ chính xác kích thước và chất lượng xếp chồng直接影响磁路性能和空载损耗。 |
| 绕组生产 | 根据设计参数在专用绕线机上绕制线圈并进行绝缘处理（如包扎绝缘纸）。匝数必须准确，排列紧密，绝缘可靠。 |
| 绝缘处理与干燥 | 绕组和变压器本体需要进行真空浸漆和干燥以提高绝缘性能。对于特高压产品，在现场组装时可能使用大功率气相干燥设备，确保绝缘材料的含水量≤0.4%。 |
| 油箱及部件制造 | 制造变压器油箱和夹具、屏蔽等金属结构件。 |
| 最终装配 | 将干燥后的铁芯、绕组、引线等整体装配到油箱中，包括引线的布置和固定，以及安装套管、冷却装置等附件。 |
| 检验与测试 | 交付前需要进行一系列严格的测试，如绝缘耐压试验、空载/负载损耗试验、局部放电测量、温升试验等。 |
| Giai đoạn | Nội dung cốt lõi |
| Thiết kế và lựa chọn vật liệu | Tiến hành thiết kế từ trường, cách điện, kết cấu dựa trên các tham số điện và lựa chọn thép silic chất lượng cao, dây đồng không oxy, vật liệu cách điện hiệu suất cao, v.v. |
| Sản xuất lõi sắt | Bao gồm cắt, xếp chồng và kẹp thép silic. Độ chính xác kích thước và chất lượng xếp chồng trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu suất mạch từ và tổn thất không tải. |
| Sản xuất cuộn dây | Cuộn dây trên máy cuộn đặc biệt theo các thông số thiết kế và thực hiện xử lý cách điện (như bọc giấy cách điện). Số vòng phải chính xác, sắp xếp chặt chẽ và cách điện đáng tin cậy. |
| Xử lý cách điện và sấy khô | Cuộn dây và thân máy biến áp cần được tráng varnish chân không và sấy khô để cải thiện hiệu suất cách điện. Đối với sản phẩm UHV, có thể sử dụng thiết bị sấy khô khí công suất lớn trong quá trình lắp ráp tại hiện trường để đảm bảo hàm lượng độ ẩm của vật liệu cách điện ≤ 0,4%. |
| Sản xuất thùng dầu và các bộ phận | Sản xuất thùng dầu biến áp và các bộ phận kết cấu kim loại như kẹp và khiên chắn. |
| Lắp ráp cuối cùng | Lắp ráp tổng thể lõi sắt đã sấy khô, cuộn dây, dây dẫn, v.v. vào thùng dầu, bao gồm việc bố trí và cố định dây dẫn, cũng như lắp đặt phụ kiện như cổng nối và thiết bị làm mát. |
| Kiểm tra và thử nghiệm | Cần thực hiện một loạt các bài kiểm tra nghiêm ngặt trước khi giao hàng, như kiểm tra chịu điện áp cách điện, đo tổn thất không tải/tải, đo phóng điện cục bộ, thí nghiệm tăng nhiệt, v.v. |
Các quy trình chính sau đây rất quan trọng đối với hiệu suất và tuổi thọ của biến áp siêu cao áp (UHV) và đòi hỏi sự chú ý đặc biệt:
3.1 Thiết kế điện từ và kiểm soát dòng từ rò rỉ
3.1.1 Tầm quan trọng
Biến áp UHV có công suất rất lớn (ví dụ, lên đến 500 MVA mỗi cánh), khiến cho vấn đề dòng từ rò rỉ trở nên nghiêm trọng hơn. Dòng từ rò rỉ quá mức có thể gây ra hiện tượng nóng cục bộ và tổn thất bổ sung, đe dọa an toàn vận hành.
3.1.2 Các cân nhắc chính
Cần sử dụng các kỹ thuật mô phỏng điện từ tiên tiến. Các biện pháp như che chắn từ tính yoke sáng tạo và “che chắn đồng hình L” tại các mối nối thùng được sử dụng để giảm hiệu quả tổn thất dòng xoáy trong các thành phần cấu trúc—lên đến 25%.
3.2 Thiết kế và xử lý cấu trúc cách điện
3.2.1 Tầm quan trọng
Hệ thống cách điện là đường dây sống còn cho việc vận hành biến áp UHV đáng tin cậy, vì nó phải chịu được điện áp hoạt động cực kỳ cao và điện áp quá mức tiềm tàng.
3.2.2 Các cân nhắc chính
Các thiết kế như cấu trúc cách điện góc nhiều lớp được áp dụng để đảm bảo phân bố trường điện đồng đều và biên độ cách điện đủ tại các đầu cuộn dây và điểm xuất dây. Quá trình ngâm chân không và sấy khô phải được kiểm soát chặt chẽ—ví dụ, sử dụng thiết bị sấy khô bằng hơi giai đoạn trên trang web có công suất lớn để đảm bảo sấy khô hoàn toàn vật liệu cách điện, đạt hàm lượng nước ≤ 0,4%. Điều này rất quan trọng để ngăn chặn phóng điện cục bộ và sự cố cách điện.
3.3 Quy trình lắp ráp tại hiện trường
3.3.1 Tầm quan trọng
Tại các khu vực có điều kiện vận chuyển khó khăn—như vùng cao hoặc núi—biến áp UHV phải được lắp ráp tại hiện trường. Điều này bao gồm việc tháo dỡ, vận chuyển, bảo vệ và lắp ráp lại hàng nghìn thành phần, làm cho thiết kế và quy trình phức tạp vượt xa so với biến áp thông thường.
3.3.2 Các cân nhắc chính
Thiết kế cấu trúc mô-đun là cần thiết—ví dụ, khung lõi phân đoạn và cấu trúc kết nối có thể tháo rời. Độ sai số lắp ráp tại hiện trường phải đạt độ chính xác đến milimét (ví dụ, sai lệch căn chỉnh giữa cuộn dây và trung tâm lõi < 3 mm). Cần có quy trình kiểm soát độ sai số, ngăn ngừa ẩm và bảo vệ sạch sẽ để đảm bảo hiệu suất sau khi lắp ráp.
3.4 Sản xuất cuộn dây và kiểm soát chất lượng
3.4.1 Tầm quan trọng
Chất lượng cuộn dây quyết định trực tiếp hiệu suất điện, sức mạnh cơ học và khả năng chịu đựng ngắn mạch của biến áp.
3.4.2 Các cân nhắc chính
Cần sử dụng thiết bị cuộn dây tự động để đạt được kiểm soát căng thẳng chính xác và căn chỉnh lớp. Sau khi cuộn, các bài kiểm tra chịu điện áp tần số nguồn và điện trở DC được thực hiện để loại bỏ rủi ro như ngắn mạch giữa các vòng.
3.5 Kiểm tra chấp nhận tại nhà máy và đo lường phóng điện cục bộ
3.5.1 Tầm quan trọng
Các bài kiểm tra này đóng vai trò là điểm kiểm tra chất lượng cuối cùng trước khi giao hàng, phát hiện các khuyết tật tiềm ẩn trong thiết kế hoặc sản xuất.
3.5.2 Các cân nhắc chính
Bên cạnh các bài kiểm tra tiêu chuẩn, đo lường phóng điện cục bộ (PD) đặc biệt quan trọng. PD kiểm tra rất nhạy cảm với các lỗi cách điện nhỏ và là chỉ báo quan trọng về tình trạng cách điện nội bộ.
3.6 Cuộn dây cho biến áp UHV
3.6.1
| Giai đoạn | Vai trò và Giá trị của Thao tác Thủ công | Vai trò của Hỗ trợ Cơ khí/Kỹ thuật |
| Quá trình Cuộn Lõi | Chủ đạo. Thợ thủ công dựa vào cảm giác tay, thị lực và kinh nghiệm để kiểm soát chính xác hàng nghìn chi tiết như vị trí dây, độ chặt và vị trí các bộ phận cách điện. | Phụ trợ. Cung cấp một nền tảng cuộn ổn định và năng lượng cơ bản, nhưng không thể thay thế cho việc điều chỉnh cuối cùng. |
| Điều khiển Chính xác | Bảo đảm cốt lõi. Các thợ thủ công hàng đầu có thể kiểm soát sai số giữa hai lớp dây trong phạm vi 1mm (tiêu chuẩn ngành là 2mm) để đảm bảo hiệu suất điện tối ưu. | Cung cấp dụng cụ đo (như thước), nhưng việc thực hiện chính xác phụ thuộc vào sự phán đoán ngay lập tức và điều chỉnh tinh vi của thợ thủ công. |
| Quá trình Đặc biệt (ví dụ: Hàn) | Không thể thay thế. Đối mặt với hàng trăm loại dây và hàng nghìn điểm hàn, thợ thủ công cần phải kiểm soát chính xác nhiệt độ, khoảng cách và thời gian, như quá trình hàn tần số cao. | Cung cấp thiết bị hàn, nhưng kiểm soát thông số và vận hành hoàn toàn phụ thuộc vào kỹ năng của thợ thủ công. |
| Hướng Phát triển Tương lai | "Kiến thức ngầm" của thợ thủ công có kinh nghiệm vẫn là cốt lõi. | Hóa thông minh và số hóa. Chuyển đổi kinh nghiệm của thợ thủ công xuất sắc thành dữ liệu để truy xuất chất lượng và giám sát môi trường, tích lũy kiến thức cho trí tuệ tương lai. |
3.6.2 Lý do tại sao Quấn Cuộn Không Thể được Tự Động Hoàn Toàn
Có ba lý do chính khiến kỹ thuật thủ công vẫn không thể thay thế trong quá trình quấn cuộn biến áp UHV:
3.6.2.1 Yêu cầu về Độ Chính Xác Cực Kỳ Cao
Cuộn dây biến áp UHV thường được quấn từ hàng nghìn mét dây dẫn, tạo thành vài nghìn vòng, với trọng lượng cuối cùng đạt 20-30 tấn. Trong suốt quá trình quấn, mỗi lần gõ búa, đặt từng lớp cách điện và quấn mỗi lớp giấy cách điện phải được thực hiện với độ chính xác tuyệt đối—mọi sai lệch đều không thể chấp nhận. Mức độ phán đoán và điều chỉnh vi mô theo thời gian thực này vượt quá khả năng hiện tại của máy móc, những “tay” và “mắt” của chúng vẫn chưa thể sánh bằng sự khéo léo và trực giác của các nghệ nhân.
3.6.2.2 Độ Phức Tạp về Kết Cấu và Khả Năng Thích Ứng
Biến áp UHV có nhiều thiết kế khác nhau với cấu trúc phức tạp và biến đổi cao. Ví dụ, trong biến áp chuyển đổi ±1,100 kV, có thể cần hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn mối hàn để kết nối các loại dây dẫn khác nhau. Người vận hành phải điều chỉnh kỹ thuật ngay lập tức dựa trên sự khác biệt nhỏ về chất liệu dây—giống như “kết nối mao mạch.” Quá trình ra quyết định và thực hiện không chuẩn hóa, rất linh hoạt này chính là nơi mà kỹ năng thủ công tỏa sáng.
3.6.2.3 Sự Theo Dõi Chất Lượng Không Kém
Một cuộn dây bao gồm hàng chục nghìn chi tiết quan trọng. Một sơ suất nhỏ nhất—như bỏ sót một lớp giấy cách điện—có thể dẫn đến sự cố cách điện, gây ra chi phí sửa chữa lên tới hàng trăm nghìn hoặc thậm chí triệu RMB, và có thể đe dọa an toàn của toàn bộ lưới điện. Trước rủi ro chất lượng cực kỳ cao này, việc dựa vào các nghệ nhân có trách nhiệm cao và tay nghề xuất sắc vẫn là phương pháp đáng tin cậy nhất.
4. Năng lực Sản Xuất
Trong ngành biến áp UHV, sản lượng hàng năm thường được đo bằng tổng công suất (trong kVA), không phải bằng số lượng đơn vị, vì công suất của từng biến áp có thể dao động rất lớn—from vài trăm MVA đến hơn 1,000 MVA cho mỗi đơn vị.
4.1 Năng lực Thực Tế và Cân Bằng Chiến Lược
Với tính chất mất nhiều thời gian của việc quấn thủ công, ngành công nghiệp này đáp ứng nhu cầu như thế nào?
4.1.1 Độ Tin Cậy Hơn Tốc Độ
Biến áp UHV thường được gọi là “trái tim” của lưới điện, nơi độ tin cậy là tối quan trọng. Ví dụ, Nghệ Nhân Trưởng Zhang Guoyun đã tham gia quấn hơn 10,000 cuộn trong 25 năm, với tổng chiều dài dây dẫn vượt quá 40,000 km. Các cuộn dây do ông quấn thủ công luôn đạt độ sai lệch giữa các lớp dây dẫn trong phạm vi 1 mm—một nửa so với tiêu chuẩn ngành là 2 mm. Độ chính xác đặc biệt này, mà máy móc chưa thể tái tạo ổn định, trực tiếp quyết định hiệu suất và tuổi thọ của biến áp.
4.1.2 Cách Đo Lường Năng lực
Các tài sản cao cấp này được sản xuất theo cơ chế “đặt hàng,” không phải để tồn kho—tương tự như xây dựng tàu sân bay hoặc máy khắc EUV. Năng lực do đó được định nghĩa bởi số lượng đơn vị đủ tiêu chuẩn mà một nhà máy có thể giao thành công trong một năm.
4.1.3 Chiến lược để Cải Thiện Hiệu Suất Tổng Thể
Để nâng cao hiệu suất mà không làm giảm chất lượng, các nhà sản xuất đầu tư mạnh vào việc đào tạo đội ngũ kỹ thuật viên có tay nghề cao. Ví dụ, “Phòng Sáng Tạo của Nghệ Nhân Trưởng” đã đào tạo hơn 2,000 nhân viên về kỹ thuật quấn tiên tiến. Ngoài ra, quy hoạch sản xuất và quản lý quy trình công việc được tối ưu hóa để đảm bảo sự phối hợp liền mạch giữa các hoạt động quấn lõi và các quy trình hỗ trợ trước và sau.
| Nội dung | Dữ liệu/Quy mô | Thông tin chính |
| Khả năng sản xuất của nhà lãnh đạo ngành | TBEA có khả năng sản xuất hàng năm khoảng 495 triệu kVA | Đại diện cho quy mô sản xuất lớn nhất trong nước. |
| Tổng công suất trong nước | Năm 2023, công suất biến áp UHV của Trung Quốc là khoảng 50 triệu kVA (0.5 tỷ kVA), và dự kiến sẽ đạt 60 triệu kVA (0.6 tỷ kVA) vào năm 2025 | Phản ánh mức độ công suất tổng thể của biến áp UHV trên toàn quốc. |
| Chu kỳ sản xuất | Chu kỳ sản xuất của biến áp UHV rất dài, thường mất từ 18 đến 36 tháng | Đây là yếu tố hạn chế quan trọng nhất đối với sản lượng hàng năm. |
4.2 Tại sao Sản lượng Hằng Năm bị Giới Hạn
Sản lượng hằng năm của máy biến áp siêu cao áp (UHV) không thể được đo lường bằng "chục nghìn" như các mặt hàng thông thường, chủ yếu do quy trình sản xuất cực kỳ phức tạp và chu kỳ sản xuất rất dài.
4.2.1 Kỹ thuật Phức tạp và Thời gian Dài
Được gọi là "trái tim" của lưới điện, máy biến áp UHV phải tuân theo các tiêu chuẩn thiết kế, vật liệu, chế tạo và kiểm tra cực kỳ nghiêm ngặt. Quá trình từ việc mua nguyên liệu thô, chế tạo chính xác các bộ phận cốt lõi (như cuộn dây và lõi thép) đến lắp ráp cuối cùng và thử nghiệm nghiêm ngặt kéo dài nhiều tháng, mất rất nhiều thời gian để hoàn thành.
4.2.2 Công suất Được Phân bổ cho Một Số Dự án Siêu Lớn
Toàn cầu chỉ có một số ít công ty có khả năng sản xuất máy biến áp UHV có định mức ±800 kV hoặc cao hơn (ví dụ: TBEA, XD Group, Siemens, ABB). Các dự án UHV quốc gia được phê duyệt và xây dựng theo từng giai đoạn, với số lượng máy biến áp được lên kế hoạch kỹ lưỡng trước cho mỗi dự án lớn. Ví dụ, một dự án truyền tải trực tiếp UHV có thể yêu cầu hàng chục máy biến áp chuyển đổi. Do đó, công suất sản xuất lớn của các nhà sản xuất hàng đầu - như gần 500 triệu kVA của TBEA - được dành riêng để thực hiện các đơn đặt hàng cho các dự án lớn cụ thể thay vì sản xuất hàng tồn kho để bán dự đoán.
4.3 Bối cảnh Ngành và Nhu cầu Toàn cầu
4.3.1 Sự Phát triển Mạnh mẽ trong Nước
Xây dựng lưới điện UHV ở Trung Quốc hiện đang trong giai đoạn mở rộng nhanh chóng. Theo kế hoạch quốc gia, trong giai đoạn Kế hoạch Năm Năm lần thứ 14 (2021-2025), State Grid đã lên lịch xây dựng 38 đường dây UHV mới - bao gồm 24 dự án AC và 14 dự án DC - mở rộng đáng kể so với quy mô của Kế hoạch Năm Năm lần thứ 13. Điều này cung cấp một thị trường nội địa ổn định và tăng trưởng cho máy biến áp UHV.
4.3.2 Nhu cầu Toàn cầu Tăng mạnh với Trung Quốc là Nhà cung cấp Chính
Toàn cầu, ngành điện đang đối mặt với tình trạng thiếu hụt nghiêm trọng máy biến áp. Thời gian giao hàng cho máy biến áp tiêu chuẩn đã kéo dài hơn hai năm, và đối với máy biến áp điện lực lớn, nó hiện đã đạt từ ba đến bốn năm. Trong bối cảnh này, Trung Quốc đã trở thành nhà cung cấp quan trọng toàn cầu, nhờ vào chuỗi công nghiệp hoàn chỉnh, hiệu quả sản xuất cao (ví dụ: trong khi các nhà sản xuất nước ngoài mất khoảng 18 tháng để xây dựng một máy biến áp UHV, các công ty hàng đầu của Trung Quốc có thể hoàn thành nó trong khoảng ba tháng) và tính cạnh tranh về chi phí. Xuất khẩu máy biến áp từ Trung Quốc đã tăng vọt - đạt 29,711 tỷ Nhân dân tệ trong tám tháng đầu năm 2025, tăng hơn 50% so với cùng kỳ năm trước - chứng tỏ năng lực sản xuất của Trung Quốc đang tích cực đáp ứng nhu cầu quốc tế ngày càng tăng.
4. Kết luận
Là "trái tim điện" truyền tải điện qua núi và thung lũng, máy biến áp UHV thể hiện trình độ kỹ thuật tinh vi nhất - từ thiết kế và vật liệu đến từng bước sản xuất. Đó chính là những quy trình nghiêm ngặt và đột phá trong công nghệ quan trọng này đã tạo nên lưới điện UHV hiện đại, hiệu quả và tin cậy cao như ngày nay.
