關于特高壓電網的“心臟”，換流變壓器實現(xiàn)全鏈條國產制造
中國是全球的能源生產和消費國，能源關系到國家繁榮發(fā)展，人民生活改善，社會長久治安，因此國家態(tài)度十分明確，著力推動能源生產利用方式的變革，建設一個清潔低碳，安全高效的現(xiàn)代能源體系，這背后一個個電力產業(yè)超級裝備就這樣誕生了，其中就包括人類電工史上巔峰之作，一個線圈耗時30天，器身吊裝不容半點差池的特高壓線圈。
近年來，中國電力發(fā)展非常迅猛，國家發(fā)展了多種電力供給體系，建設了大量風能，核能，太陽能，水能發(fā)電站，以及一些具有環(huán)保理念的火力發(fā)電站，來應對不斷攀升的電力能源，但是中國東部省份缺少煤炭和水利資源，因此這里很少有發(fā)電站，而西部地區(qū)則有大量發(fā)電站，就需要西電東送，傳統(tǒng)的西電東送使用超高壓電網，不過感覺還是不夠用。
于是國家研發(fā)了全球最先進的輸電網技術，它就是特高壓輸電網，在新疆建造了全球電壓等級最高，路線最長的正負1100千伏特高壓直流輸電工程，在特高壓輸電網中有一個重要性堪比“心臟”的核心設備，它就是換流變壓器，沒有它特高壓輸電網玩不轉，超過800千伏的高端換流變壓器全世界只有幾個國家可以建造，中國就是其中一個。
這個設備有一道制造工序必須人工才能完成，機器人根本派不上用場，它就是線圈纏繞，換流變壓器有高3米的線圈，線圈上有291匝，每個匝有39根導線，所有導線都要人工挪彎進行內外層換位以確保傳輸穩(wěn)定，這種線圈導線寬度只有5.88毫米，精細操作全憑手感和經驗，要制造全球第一無二的換流變壓器，人工線圈纏繞就要花費最少1個月時間。
換流變壓器實現(xiàn)全鏈條國產
11月27日，在南方電網西電東送重點工程——溪洛渡右岸電站送電廣東±500千伏同塔雙回直流輸電工程的受端從西換流站，我國自主研發(fā)的首臺采用國產有載分接開關的換流變壓器成功投運。
我國東西部跨度上千公里，西電東送大都采用長距離、大容量、高電壓的直流工程進行輸電，工程送端和受端站點均要用到重達300多噸的換流變壓器這種樞紐設備。而換流變壓器有一個關鍵的部件就是有載分接開關，它是直流輸電系統(tǒng)調壓穩(wěn)壓的核心部件，也是一個非常精密的機電設備。
“換流變壓器有載分接開關好比汽車的自動‘變速箱’，電壓調高調低，負荷調多調少，電流調大調小，都要通過它的檔位來調節(jié)?！蹦戏诫娋W超高壓公司生技部副總經理馮鶇說。
據介紹，換流變壓器有載分接開關有1000多個零部件，切換次數非常頻繁，一年高達6000余次，一次切換包括9個過程，每次動作涉及到400多個零部件的精密配合，而且每個過程的時序配合為毫秒級，動作過程中涉及到電、熱、力多場耦合作用，這種時序配合的精度堪比機械手表。
“由于可靠性要求極高，制造難度極大，這項技術一直掌握在外國少數廠家手里。設備維修也受限于外國廠家，一旦發(fā)生故障，只能更換同型號的進口產品，訂貨周期需要三至四個月。”南方電網超高壓公司廣州局副總經理汪洋說，“近些年來，進口的換流變壓器有載分接開關在運行中暴露出了機械開裂、絕緣劣化等重大問題，嚴重威脅著電網的安全運行?！?/p>
為了攻克這一難題，南方電網超高壓公司組建了“產學研用”攻關團隊，聯(lián)合產業(yè)鏈上下游企業(yè)共同開展“大容量換流變壓器用6000kVA有載分接開關”關鍵技術國產化攻關。
面對重重困難，攻關團隊做好了充足準備。南方電網超高壓公司高級技術專家鄧軍說：“我們結合多年運維經驗，針對進口設備暴露出的絕緣裕度不足、材料選型不合理、電氣設計不完善等問題，自主開展精細化建模仿真和真型樣機試驗驗證，逐個攻克難題，一步一步跨過難關?！?/p>
攻關團隊重點從設備結構、可靠性等方面開展攻堅。團隊從超200萬種可能的結構中選出36種，再優(yōu)中選優(yōu)，并規(guī)避國際產權糾紛，最終選出最簡潔最平衡的有載分接開關拓撲結構。其次，重點開展核心器件研發(fā)，其中難度極大的就是研發(fā)真空滅弧室（真空滅弧室，又叫真空開關管，是中高電壓電力開關的核心部件，其主要作用是通過管內真空優(yōu)優(yōu)良的絕緣性使中高電壓電路切斷電源后，能迅速熄弧并抑制電流，避免發(fā)生事故）
“我們研制的產品不論從電壓、容量還是電流，都是目前世界上最高等級的，這對真空滅弧室的要求非?？量??！编囓娊榻B，研發(fā)之初，他們想采用有成熟應用經驗的進口真空滅弧室，但是經過深入研究分析，認為既然要做成世界領先，那就所有東西都要領先，于是就決定聯(lián)合國內領軍企業(yè)自主研發(fā)真空滅弧室。
經過計算、仿真、對比，他們開展了3000次性能檢測、37萬次負載切換、160萬次機械壽命、900萬次波紋管疲勞等試驗，最終研發(fā)出了真空滅弧室。
功夫不負有心人。經過兩年堅持不懈的努力，攻關團隊突破了設計、制造、試驗和可靠應用一系列關鍵技術，成功研制出了我國首臺額定容量6000kVA、最大電壓6000V、最大額定電流1300A的大容量換流變有載分接開關，實現(xiàn)了“原材料—組部件—整機”全鏈條的國產制造。
特高壓及海上風電產業(yè)發(fā)展 拉動換流變壓器需求攀
根據新思界產業(yè)研究中心發(fā)布的《2021-2025年換流變壓器行業(yè)深度市場調研及投資策略建議報告》顯示，換流變壓器是輸變電設備的重要組成部分，是實現(xiàn)交流電、直流電整流、逆變的核心，是高壓、超高壓、特高壓電力系統(tǒng)中的關鍵裝備。2020年，全球換流變壓器市場規(guī)模達到23億美元左右，2015-2020年年均復合增長率達到18%。全球換流變壓器市場高速增長主要受益于亞太地區(qū)特高壓工程建設、歐洲地區(qū)海上換流平臺建設。
換流變壓器在電力系統(tǒng)中地位重要，必須具備高可靠性，其結構復雜，設計及生產技術壁壘高，對企業(yè)實力要求高。在海外市場中，換流變壓器生產商主要是瑞典ABB、德國西門子、美國GE、日本三菱、日本東芝等；在國內市場中，換流變壓器主要生產商有特變電工、中國西電、保定天威、遼寧新泰等。
我國特高壓產業(yè)發(fā)展迅速，為實現(xiàn)配套，換流變壓器研發(fā)及生產實力快速提升。2013年12月，特變電工為全球輸送距離最遠、輸送容量最大的哈密南-鄭州特高壓直流輸變電工程研制了兩臺±800kV高端換流變壓器。2016年8月，中國西電為酒泉-湖南±800千伏特高壓直流輸電工程研制了兩臺ZZDFPZ-412300/750-400換流變壓器。2018年5月，特變電工成功研制出世界首臺發(fā)送端±1100kV高壓直流換流變壓器。
我國“十四五”國家重點研發(fā)計劃“儲能與智能電網技術”重點專項中，±800千伏換流變壓器有載調壓分接開關技術及裝備被列入，這表明我國政策對換流變壓器行業(yè)發(fā)展依然重視。特高壓是我國新基建七大板塊之一，是國家戰(zhàn)略部署，產業(yè)發(fā)展受到政策大力支持，2020年，我國特高壓行業(yè)投資規(guī)模超過580億元，利好我國換流變壓器行業(yè)發(fā)展。
特高壓產業(yè)鏈及參與者
綜合而言，特高壓交流輸電技術在技術成熟度、輸送容量、經濟性方面占優(yōu)，特高壓直流輸電技術在電能損失、輸電距離方面占優(yōu)，特高壓柔性直流輸電技術在可控性、無功補償方面占優(yōu)。
特高壓站內設備是產業(yè)鏈最核心環(huán)節(jié)，其中直流關鍵設備主要有換流閥、換流變壓器以及閥控制保護系統(tǒng)等，交流關鍵設備主要有交流變壓器和GIS。
換流閥及其控保系統(tǒng)
換流站的核心設備中換流閥最為重要。
換流閥是由單個或多個換流橋組成，其功能為進行交、直流電相互轉換。其通過依次將三相交流電壓連接到直流端得到期望的直流電壓和實現(xiàn)對功率的控制，價值約占換流站成套設備總價的27.6%。
流閥可分為整流器和逆變器，整流器是將交流電轉換為直流電，而逆變器是將直流電轉換為交流電。
換流閥環(huán)節(jié)技術壁壘較高，呈現(xiàn)寡頭壟斷格局。
在常規(guī)直流閥領域國電南瑞和許繼電氣競爭優(yōu)勢明顯，國內市場占比分別達到50%和30%。
控制保護設備屬于二次設備，參與者則主要是國電南瑞子公司繼保電氣和許繼電氣和四方股份等。
換流變壓器
換流變壓器是交直流輸電系統(tǒng)中的換流、逆變兩端接口的核心設備。其主要作用為改變電壓、提供30度的換相角、實現(xiàn)交直流電壓隔離等，占特高壓直流總投資比例為25.4%。
變壓器成本構成中，銅材料成本占變壓器制造成本的比重在30%左右，變壓器油則占比在15%左右。
行行查數據顯示，換流變壓器領域，國內廠商中國西電、特變電工、保變電氣三家企業(yè)的份額基本接近。
國外廠商主要有ABB、西門子和阿?，m等。
交流變壓器
變壓器屬于技術密集型產業(yè)，市場集中度高，排名前五的國家占據出口額的一半以上。我國變壓器產品市場份額第二，為10.99%。排名前五的國家還有墨西哥、土耳其、加拿大和美國，占比分別為18.59%、8.38%、6.86%和6%。
外資跨國企業(yè)占據較大市場份額，變壓器節(jié)能改造加速進口替代。
中國變壓器企業(yè)可以分為四大陣營：1）第一梯隊：ABB、AREVA、西門子、東芝等幾大跨國集團公司在技術和管理優(yōu)勢已經具備優(yōu)勢，同時在變壓節(jié)能改造上具備先發(fā)優(yōu)勢；2）第二梯隊：保變、特變、西電等國內大型企業(yè)，有望通過提升產品的技術水平和等級追趕第一梯隊，進行變壓器節(jié)能改造的進口替代；3）第三梯隊：江蘇華鵬變壓器有限公司、青島青波變壓器股份有限公司、順特電氣有限公司、山東達馳電氣股份有限公司、杭州錢江電氣集團有限公司等為代表的制造企業(yè)；4）第四梯隊：不少民營企業(yè)由于經營機制靈活，也形成了一定的市場份額。
其中，特高壓交流電變壓器市場由特變電工、中國西電、保變電氣三者占據，分別為35%、30%、30%，三家廠商在過往中標份額中基本接近，整體格局與特高壓直流變壓器市場競爭格局基本相同。
GIS組合電器
氣體絕緣全封閉組合電器，占特高壓直流總投資比例約13%。
GIS是由斷路器、隔離開關、接地開關、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成的高壓配電裝置。上述設備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，并在其內部充有一定壓力的SF6絕緣氣體
特高壓GIS領域，國內具備研制生產的企業(yè)主要為平高電氣、中國西電、新東北電氣、山東日立；國外生產廠家主要有ABB，東芝、三菱、日立、西門子和阿爾斯通等。
《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》提出，要加大力度規(guī)劃建設以大型風光電基地為基礎、以其周邊清潔高效先進節(jié)能的煤電為支撐、以穩(wěn)定安全可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系。并建設智能高效的調度運行體系。在國家頂層設計和兩大電網公司投資建設的推動下，“十四五”期間特高壓和智能電網將迎來新一輪建設。
文章來源： 樂晴行業(yè)觀察，新思界網，南方plus客戶端，紫龍觀察
