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中國是全球的能源生產(chǎn)和消費(fèi)國，能源關(guān)系到國家繁榮發(fā)展，人民生活改善，社會(huì)長久治安，因此國家態(tài)度十分明確，著力推動(dòng)能源生產(chǎn)利用方式的變革，建設(shè)一個(gè)清潔低碳，安全高效的現(xiàn)代能源體系，這背后一個(gè)個(gè)電力產(chǎn)業(yè)超級(jí)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(gè)線圈耗時(shí)30天，器身吊裝不容半點(diǎn)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(shè)了大量風(fēng)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(yīng)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(wǎng)，不過感覺還是不夠用。

于是國家研發(fā)了全球最先進(jìn)的輸電網(wǎng)技術(shù)，它就是特高壓輸電網(wǎng)，在新疆建造了全球電壓等級(jí)最高，路線最長的正負(fù)1100千伏特高壓直流輸電工程，在特高壓輸電網(wǎng)中有一個(gè)重要性堪比“心臟”的核心設(shè)備，它就是換流變壓器，沒有它特高壓輸電網(wǎng)玩不轉(zhuǎn)，超過800千伏的高端換流變壓器全世界只有幾個(gè)國家可以建造，中國就是其中一個(gè)。

這個(gè)設(shè)備有一道制造工序必須人工才能完成，機(jī)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(gè)匝有39根導(dǎo)線，所有導(dǎo)線都要人工挪彎進(jìn)行內(nèi)外層換位以確保傳輸穩(wěn)定，這種線圈導(dǎo)線寬度只有5.88毫米，精細(xì)操作全憑手感和經(jīng)驗(yàn)，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(fèi)最少1個(gè)月時(shí)間。

換流變壓器實(shí)現(xiàn)全鏈條國產(chǎn)

11月27日，在南方電網(wǎng)西電東送重點(diǎn)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(tái)采用國產(chǎn)有載分接開關(guān)的換流變壓器成功投運(yùn)。

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(jìn)行輸電，工程送端和受端站點(diǎn)均要用到重達(dá)300多噸的換流變壓器這種樞紐設(shè)備。而換流變壓器有一個(gè)關(guān)鍵的部件就是有載分接開關(guān)，它是直流輸電系統(tǒng)調(diào)壓穩(wěn)壓的核心部件，也是一個(gè)非常精密的機(jī)電設(shè)備。

“換流變壓器有載分接開關(guān)好比汽車的自動(dòng)‘變速箱’，電壓調(diào)高調(diào)低，負(fù)荷調(diào)多調(diào)少，電流調(diào)大調(diào)小，都要通過它的檔位來調(diào)節(jié)?！蹦戏诫娋W(wǎng)超高壓公司生技部副總經(jīng)理馮鶇說。

據(jù)介紹，換流變壓器有載分接開關(guān)有1000多個(gè)零部件，切換次數(shù)非常頻繁，一年高達(dá)6000余次，一次切換包括9個(gè)過程，每次動(dòng)作涉及到400多個(gè)零部件的精密配合，而且每個(gè)過程的時(shí)序配合為毫秒級(jí)，動(dòng)作過程中涉及到電、熱、力多場耦合作用，這種時(shí)序配合的精度堪比機(jī)械手表。

“由于可靠性要求極高，制造難度極大，這項(xiàng)技術(shù)一直掌握在外國少數(shù)廠家手里。設(shè)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(hào)的進(jìn)口產(chǎn)品，訂貨周期需要三至四個(gè)月?！蹦戏诫娋W(wǎng)超高壓公司廣州局副總經(jīng)理汪洋說，“近些年來，進(jìn)口的換流變壓器有載分接開關(guān)在運(yùn)行中暴露出了機(jī)械開裂、絕緣劣化等重大問題，嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)的安全運(yùn)行。”

為了攻克這一難題，南方電網(wǎng)超高壓公司組建了“產(chǎn)學(xué)研用”攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合產(chǎn)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(guān)”關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化攻關(guān)。

面對重重困難，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)做好了充足準(zhǔn)備。南方電網(wǎng)超高壓公司高級(jí)技術(shù)專家鄧軍說：“我們結(jié)合多年運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，針對進(jìn)口設(shè)備暴露出的絕緣裕度不足、材料選型不合理、電氣設(shè)計(jì)不完善等問題，自主開展精細(xì)化建模仿真和真型樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，逐個(gè)攻克難題，一步一步跨過難關(guān)?！?/p>

攻關(guān)團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)從設(shè)備結(jié)構(gòu)、可靠性等方面開展攻堅(jiān)。團(tuán)隊(duì)從超200萬種可能的結(jié)構(gòu)中選出36種，再優(yōu)中選優(yōu)，并規(guī)避國際產(chǎn)權(quán)糾紛，最終選出最簡潔最平衡的有載分接開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其次，重點(diǎn)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(guān)管，是中高電壓電力開關(guān)的核心部件，其主要作用是通過管內(nèi)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(chǎn)品不論從電壓、容量還是電流，都是目前世界上最高等級(jí)的，這對真空滅弧室的要求非?？量?。”鄧軍介紹，研發(fā)之初，他們想采用有成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的進(jìn)口真空滅弧室，但是經(jīng)過深入研究分析，認(rèn)為既然要做成世界領(lǐng)先，那就所有東西都要領(lǐng)先，于是就決定聯(lián)合國內(nèi)領(lǐng)軍企業(yè)自主研發(fā)真空滅弧室。

經(jīng)過計(jì)算、仿真、對比，他們開展了3000次性能檢測、37萬次負(fù)載切換、160萬次機(jī)械壽命、900萬次波紋管疲勞等試驗(yàn)，最終研發(fā)出了真空滅弧室。

功夫不負(fù)有心人。經(jīng)過兩年堅(jiān)持不懈的努力，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)突破了設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和可靠應(yīng)用一系列關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出了我國首臺(tái)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(guān)，實(shí)現(xiàn)了“原材料—組部件—整機(jī)”全鏈條的國產(chǎn)制造。

特高壓及海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展 拉動(dòng)換流變壓器需求攀

根據(jù)新思界產(chǎn)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(diào)研及投資策略建議報(bào)告》顯示，換流變壓器是輸變電設(shè)備的重要組成部分，是實(shí)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(guān)鍵裝備。2020年，全球換流變壓器市場規(guī)模達(dá)到23億美元左右，2015-2020年年均復(fù)合增長率達(dá)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(shè)、歐洲地區(qū)海上換流平臺(tái)建設(shè)。

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(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)及生產(chǎn)技術(shù)壁壘高，對企業(yè)實(shí)力要求高。在海外市場中，換流變壓器生產(chǎn)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(nèi)市場中，換流變壓器主要生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，為實(shí)現(xiàn)配套，換流變壓器研發(fā)及生產(chǎn)實(shí)力快速提升。2013年12月，特變電工為全球輸送距離最遠(yuǎn)、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(tái)±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(tái)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(tái)發(fā)送端±1100kV高壓直流換流變壓器。

我國“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“儲(chǔ)能與智能電網(wǎng)技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)中，±800千伏換流變壓器有載調(diào)壓分接開關(guān)技術(shù)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)鏈及參與者

綜合而言，特高壓交流輸電技術(shù)在技術(shù)成熟度、輸送容量、經(jīng)濟(jì)性方面占優(yōu)，特高壓直流輸電技術(shù)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(shù)在可控性、無功補(bǔ)償方面占優(yōu)。

特高壓站內(nèi)設(shè)備是產(chǎn)業(yè)鏈最核心環(huán)節(jié)，其中直流關(guān)鍵設(shè)備主要有換流閥、換流變壓器以及閥控制保護(hù)系統(tǒng)等，交流關(guān)鍵設(shè)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(shè)備中換流閥最為重要。

換流閥是由單個(gè)或多個(gè)換流橋組成，其功能為進(jìn)行交、直流電相互轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)對功率的控制，價(jià)值約占換流站成套設(shè)備總價(jià)的27.6%。

流閥可分為整流器和逆變器，整流器是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，而逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。

換流閥環(huán)節(jié)技術(shù)壁壘較高，呈現(xiàn)寡頭壟斷格局。

在常規(guī)直流閥領(lǐng)域國電南瑞和許繼電氣競爭優(yōu)勢明顯，國內(nèi)市場占比分別達(dá)到50%和30%。

控制保護(hù)設(shè)備屬于二次設(shè)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(shè)備。其主要作用為改變電壓、提供30度的換相角、實(shí)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(gòu)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(shù)據(jù)顯示，換流變壓器領(lǐng)域，國內(nèi)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(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，市場集中度高，排名前五的國家占據(jù)出口額的一半以上。我國變壓器產(chǎn)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(jù)較大市場份額，變壓器節(jié)能改造加速進(jìn)口替代。

中國變壓器企業(yè)可以分為四大陣營：1）第一梯隊(duì)：ABB、AREVA、西門子、東芝等幾大跨國集團(tuán)公司在技術(shù)和管理優(yōu)勢已經(jīng)具備優(yōu)勢，同時(shí)在變壓節(jié)能改造上具備先發(fā)優(yōu)勢；2）第二梯隊(duì)：保變、特變、西電等國內(nèi)大型企業(yè)，有望通過提升產(chǎn)品的技術(shù)水平和等級(jí)追趕第一梯隊(duì)，進(jìn)行變壓器節(jié)能改造的進(jìn)口替代；3）第三梯隊(duì)：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(dá)馳電氣股份有限公司、杭州錢江電氣集團(tuán)有限公司等為代表的制造企業(yè)；4）第四梯隊(duì)：不少民營企業(yè)由于經(jīng)營機(jī)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(jù)，分別為35%、30%、30%，三家廠商在過往中標(biāo)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(guān)、接地開關(guān)、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(shè)備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，并在其內(nèi)部充有一定壓力的SF6絕緣氣體

特高壓GIS領(lǐng)域，國內(nèi)具備研制生產(chǎn)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(chǎn)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(shè)以大型風(fēng)光電基地為基礎(chǔ)、以其周邊清潔高效先進(jìn)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(shè)智能高效的調(diào)度運(yùn)行體系。在國家頂層設(shè)計(jì)和兩大電網(wǎng)公司投資建設(shè)的推動(dòng)下，“十四五”期間特高壓和智能電網(wǎng)將迎來新一輪建設(shè)。

文章來源： 樂晴行業(yè)觀察，新思界網(wǎng)，南方plus客戶端，紫龍觀察