以高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)支撐保障特高壓變壓器核心材料取向硅鋼國產(chǎn)化應(yīng)用成功實(shí)踐

摘 要：高等級(jí)取向硅鋼作為關(guān)鍵基礎(chǔ)材料被列入“中國制造2025戰(zhàn)略”目錄，是實(shí)現(xiàn)我國特高壓直流換流變壓器等重要電力裝備自主保障、避免受制于人的重點(diǎn)發(fā)展方向。我國特高壓變壓器取向硅鋼曾長期被日本新日鐵及韓國浦項(xiàng)等少數(shù)跨國企業(yè)壟斷，標(biāo)準(zhǔn)空白是制約鐵心材料國產(chǎn)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一。本文主要介紹了國網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)特高壓直流換流變壓器用取向硅鋼的研究過程、創(chuàng)新內(nèi)容、工程實(shí)踐、推廣應(yīng)用情況。該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以來，支撐國產(chǎn)取向硅鋼在±800kV白鶴灘-浙江、±1100kV準(zhǔn)東-皖南等13項(xiàng)特高壓直流工程的532臺(tái)換流變產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，國產(chǎn)化率現(xiàn)已達(dá)100%，徹底解決了高等級(jí)取向硅鋼“卡脖子”問題，成為以高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)支撐國產(chǎn)材料在關(guān)鍵電力裝備中應(yīng)用的典型案例。

關(guān)鍵詞：特高壓直流輸電，換流變壓器，取向硅鋼，標(biāo)準(zhǔn)化，國產(chǎn)化

0 引 言

截至2023年底，國家電網(wǎng)有限公司已建成投運(yùn)±800kV及以上特高壓直流輸電工程16項(xiàng)、1000kV特高壓交流輸電工程19項(xiàng)，打造了特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)世界級(jí)樣板，中國電網(wǎng)已成為世界上輸電能力最強(qiáng)、規(guī)模最大的新型電網(wǎng)[1]。特高壓直流輸電工程中直流換流變壓器長期在大負(fù)荷、高溫升、強(qiáng)振動(dòng)、復(fù)雜電磁環(huán)境下運(yùn)行，對主材取向硅鋼的電磁與長期服役特性要求嚴(yán)苛[2， 3]。2014年前，向家壩-上海等5項(xiàng)±800kV特高壓直流工程換流變壓器用取向硅鋼全部依賴進(jìn)口，價(jià)值超20億元，且限量供應(yīng)，制約了我國特高壓工程建設(shè)進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)鏈自主創(chuàng)新。

實(shí)現(xiàn)特高壓直流換流變壓器主材性能提升及國產(chǎn)化替代是國家重大需求。此前，國內(nèi)換流變壓器鐵心選材設(shè)計(jì)及技術(shù)指標(biāo)控制完全采用國外技術(shù)，對于高等級(jí)取向硅鋼的復(fù)雜工況電磁特性、絕緣涂層特性、工藝特性等認(rèn)知不足，面向換流變壓器復(fù)雜工況的取向硅鋼評(píng)價(jià)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)缺失，國內(nèi)外已有的通用規(guī)范均無法確保國產(chǎn)材料的服役可靠性，成為制約主材國產(chǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一。

中國電科院聯(lián)合中國寶武、保變電氣等企業(yè)組成攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家電網(wǎng)有限公司科技項(xiàng)目，創(chuàng)立了高等級(jí)取向硅鋼特高壓工況使用技術(shù)體系，在大量總結(jié)歸納特高壓變壓器取向硅鋼科研成果、抽檢試驗(yàn)與對標(biāo)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，牽頭制定了全球唯一換流變壓器用取向硅鋼專用標(biāo)準(zhǔn)——Q/GDW11744-2017《特高壓直流換流變壓器用冷軋取向電工鋼帶（片）技術(shù)條件》[4]，推動(dòng)國產(chǎn)材料質(zhì)量提升，指導(dǎo)工程選材與檢驗(yàn)，支撐保障國產(chǎn)取向硅鋼在13項(xiàng)特高壓直流工程中實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用。

1 特高壓直流換流變壓器取向硅鋼專用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)創(chuàng)新

1.1 面臨的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)

實(shí)現(xiàn)特高壓直流換流變壓器鐵心材料國產(chǎn)化應(yīng)用面臨兩大挑戰(zhàn)。（1）亟需建立可靠性應(yīng)用評(píng)價(jià)體系，攻克高等級(jí)取向硅鋼技術(shù)參數(shù)體系、性能評(píng)估方法及試驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)，保證在長期高溫、振動(dòng)、高次諧波、過勵(lì)磁等復(fù)雜工況下的運(yùn)行可靠行。（2）全面深度對標(biāo)進(jìn)口產(chǎn)品質(zhì)量，亟需攻克國產(chǎn)取向硅鋼“冶煉-熱軋-常化-冷軋-脫碳滲氮-高溫退火-涂層涂敷-激光刻痕”全流程工藝精準(zhǔn)控制及批量化穩(wěn)定生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，批次穩(wěn)定制備出滿足專用標(biāo)準(zhǔn)要求的高等級(jí)取向硅鋼產(chǎn)品。

1.2 建立復(fù)雜工況下材料可靠性評(píng)價(jià)方法

針對特高壓直流換流變壓器大負(fù)荷、強(qiáng)振動(dòng)、復(fù)雜電磁環(huán)境工況，首次建立了磁均勻性、諧波損耗、直流偏磁損耗、磁致伸縮噪聲、涂層質(zhì)量等取向硅鋼服役性能評(píng)價(jià)方法和檢驗(yàn)原則。創(chuàng)建了1.1倍過勵(lì)磁、1～50次諧波、0～150A/m直流偏磁、-15～15MPa應(yīng)力、-40～150℃溫度等多工況試驗(yàn)條件下取向硅鋼應(yīng)用評(píng)價(jià)技術(shù)，全面覆蓋取向硅鋼標(biāo)準(zhǔn)試樣-鐵心模型-工程產(chǎn)品全過程試驗(yàn)評(píng)價(jià)。支撐實(shí)現(xiàn)了13項(xiàng)特高壓直流工程中換流變壓器用取向硅鋼材料的工程檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)。

1.3 提出關(guān)鍵性能指標(biāo)要求及技術(shù)參數(shù)體系

提出了3次和5次諧波磁特性、A計(jì)權(quán)磁致伸縮噪聲、表面絕緣電阻等滿足服役性能考核要求的關(guān)鍵指標(biāo)，提升了疊裝系數(shù)、不平度、毛刺高度等工藝指標(biāo)要求，規(guī)范了直流換流變壓器用8個(gè)高牌號(hào)取向硅鋼產(chǎn)品的磁特性、幾何特性、工藝特性、涂層性能等4大類共18項(xiàng)指標(biāo)。針對應(yīng)用磁性能指標(biāo)考核，考察鐵心模型1.1倍過勵(lì)磁特性、高次諧波勵(lì)磁特性、等效10A直流電流下耐受直流偏磁特性，提出了3大類6項(xiàng)指標(biāo)的選型原則。解決了特高壓換流變壓器用取向硅鋼評(píng)價(jià)技術(shù)指標(biāo)體系從無到有的難題。

1.4 開發(fā)多工況試驗(yàn)平臺(tái)及數(shù)據(jù)庫對標(biāo)系統(tǒng)

開發(fā)了特高壓變壓器用取向硅鋼材料多工況試驗(yàn)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫對標(biāo)軟件系統(tǒng)，建立了可模擬服役運(yùn)行后材料磁性能、涂層性能及微觀結(jié)構(gòu)變化的測試系統(tǒng)，搭建了可進(jìn)行深度磁飽和特性、諧波勵(lì)磁特性、耐受直流偏磁特性分析的系列等比縮小鐵心模型。完成國內(nèi)外超30，000片取向硅鋼出廠數(shù)據(jù)、實(shí)測數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)三位一體全面對標(biāo)。持續(xù)支撐特高壓直流換流變壓器用國產(chǎn)取向硅鋼質(zhì)量評(píng)價(jià)，國產(chǎn)化率現(xiàn)已達(dá)100%，徹底解決了高等級(jí)取向硅鋼“卡脖子”問題。

2 特高壓直流換流變壓器主材國產(chǎn)化推進(jìn)過程中專用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施

2.1 特高壓工程抽檢方法及結(jié)果（部分）

依據(jù)《特高壓（含直流換流型）變壓器用冷軋取向電工鋼帶抽檢大綱》和國網(wǎng)企標(biāo) Q/GDW11744-2017《特高壓直流換流變壓器用取向電工鋼帶（片）技術(shù)條件》對擬應(yīng)用于特高壓直流工程中的國產(chǎn)取向硅鋼產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行抽檢，在變壓器制造企業(yè)倉庫現(xiàn)場隨機(jī)取樣。作為對照，同步抽檢進(jìn)口取向硅鋼。涉及的變壓器企業(yè)包括沈變、西電、保變、衡變、山東電力、ABB等，涉及的取向硅鋼生產(chǎn)企業(yè)為寶鋼、首鋼、新日鐵、浦項(xiàng)，涉及的牌號(hào)為27QH085、27QH090、23QH075、23QH080等。

以特高壓直流換流變壓器常用的27QH085典型牌號(hào)為例，圖1給出了國內(nèi)外相同等級(jí)取向硅鋼的比總損耗、磁感應(yīng)強(qiáng)度、A計(jì)權(quán)磁致伸縮噪聲、疊裝系數(shù)等指標(biāo)的抽檢結(jié)果。同牌號(hào)多批次產(chǎn)品抽檢結(jié)果表明，總體上，國內(nèi)寶鋼、首鋼產(chǎn)品性能已優(yōu)于韓國浦項(xiàng)產(chǎn)品，與日本新日鐵產(chǎn)品基本相當(dāng)，性能波動(dòng)性和噪聲控制上仍有提升空間。

2.2 國產(chǎn)取向硅鋼在特高壓直流換流變壓器中的應(yīng)用情況

2014年以前，我國±800kV向家壩-上海等5項(xiàng)特高壓直流輸電工程中換流變壓器用取向硅鋼全部依賴進(jìn)口。自±800kV溪洛渡-浙江特高壓直流工程中首次應(yīng)用國產(chǎn)取向硅鋼以來，直流換流變壓器主材國產(chǎn)化率逐年提升，現(xiàn)已達(dá)100%，累計(jì)已有532臺(tái)特高壓直流換流變壓器使用國產(chǎn)取向硅鋼，用量超過11萬噸。專用標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)于產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈上硅鋼生產(chǎn)企業(yè)、變壓器制造企業(yè)、特高壓工程建設(shè)、監(jiān)造等單位，支撐保障了包括世界最高電壓等級(jí)±1100kV準(zhǔn)東-皖南工程在內(nèi)的13項(xiàng)特高壓直流輸電工程質(zhì)量安全。

3 特高壓直流換流變壓器硅鋼專用標(biāo)準(zhǔn)修訂建議及應(yīng)用前景分析

近年來，隨著國產(chǎn)高等級(jí)取向硅鋼產(chǎn)品性能快速提升與測試技術(shù)進(jìn)步，標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 11744-2017已不能完全適應(yīng)新形勢下特高壓工程高質(zhì)量建設(shè)需求，建議進(jìn)行修訂。（1）換流變壓器使用的23QH070、23QH075等頂級(jí)牌號(hào)取向硅鋼產(chǎn)品未納入標(biāo)準(zhǔn)。（2）國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60404-17-2021[5]首次規(guī)范了磁致伸縮速度級(jí)、加速度級(jí)的測試方法，以及測試結(jié)果與IEC/TR 62581原技術(shù)報(bào)告方法之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。（3）Q/GDW 11744-2017中涉及的諧波比總損耗等復(fù)雜工況磁特性的測量精度可進(jìn)一步提升，目前國際電工技術(shù)委員會(huì)和全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)均在推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

我國特高壓輸電工程正邁入前所未有的超常規(guī)發(fā)展階段，不僅建設(shè)規(guī)模激增、送電需求迫切，還進(jìn)入技術(shù)“創(chuàng)新區(qū)”和地域“空白區(qū)”，面臨著大規(guī)模集中建設(shè)、高強(qiáng)度創(chuàng)新攻關(guān)、高質(zhì)量轉(zhuǎn)型升級(jí)的巨大挑戰(zhàn)。作為特高壓直流輸電標(biāo)準(zhǔn)體系中的一項(xiàng)，Q/GDW 11744標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以來，打造了以高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)支撐特高壓變壓器核心材料取向硅鋼國產(chǎn)化應(yīng)用成功實(shí)踐。未來，通過持續(xù)采用先進(jìn)研究成果，促進(jìn)科研與標(biāo)準(zhǔn)互動(dòng)發(fā)展，修訂保持標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性，特高壓直流換流變壓器取向硅鋼自主技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將可為我國高端硅鋼材料及變壓器產(chǎn)業(yè)發(fā)展、特高壓工程高質(zhì)量建設(shè)發(fā)揮新的作用。

4 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐推廣至其他電壓等級(jí)助力打造本質(zhì)安全電網(wǎng)

特高壓直流換流變壓器用取向硅鋼專用標(biāo)準(zhǔn)與抽檢監(jiān)造機(jī)制的建立，促進(jìn)了國產(chǎn)材料技術(shù)進(jìn)步，保障了特高壓直流輸電工程質(zhì)量安全。標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步推廣至國家電網(wǎng)有限公司220～1000kV新建和擴(kuò)建變電站工程中電力變壓器/電抗器用取向硅鋼關(guān)鍵原材料技術(shù)符合性評(píng)估，助力打造本質(zhì)安全電網(wǎng)。

2020-2023年底，中國電科院硅鋼材料團(tuán)隊(duì)累計(jì)完成了175項(xiàng)變電站工程中181批次變壓器用取向硅鋼質(zhì)量評(píng)價(jià)，共涉及阜陽董莊220kV變電站、寧夏桃山330kV變電站、浙江蒼南500kV變電站、新疆烏蘇750kV變電站、南昌-長沙1000kV變電站等175項(xiàng)工程，沈變、西電、保變、ABB、西門子等24家變壓器制造企業(yè)，寶鋼、武鋼、首鋼等3家取向硅鋼生產(chǎn)企業(yè)，20QH070、23QH075～23Q110、27QH085～27Q120、30QH100～30QG120等23個(gè)牌號(hào)超20，000片取向硅鋼樣品。

針對國產(chǎn)取向硅鋼的質(zhì)量抽檢評(píng)價(jià)結(jié)果表明[6]：整體上性能不合率呈逐年下降趨勢；在181批次初檢樣品中，4批次樣品比總損耗不合格，占比為2.2%；6批次樣品磁極化強(qiáng)度不合格，占比為3.3%；35批次涂層附著性不合格，占比為19.3%；1批次樣品表面絕緣電阻不合格，占比為0.6%。持續(xù)開展新入網(wǎng)高電壓等級(jí)變壓器用取向硅鋼質(zhì)量評(píng)估，對于新型電力系統(tǒng)構(gòu)建背景下推進(jìn)國產(chǎn)取向硅鋼基礎(chǔ)材料高質(zhì)量發(fā)展、加強(qiáng)電力變壓器質(zhì)量源頭管控、助力打造本質(zhì)安全電網(wǎng)發(fā)揮了重要作用。

5 結(jié) 語

聚焦特高壓直流換流變壓器主材性能提升及國產(chǎn)化替代重大需求，通過高等級(jí)取向硅鋼技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)研制、產(chǎn)業(yè)推廣互動(dòng)發(fā)展，成功推動(dòng)國產(chǎn)取向硅鋼在±800kV白鶴灘-浙江等13項(xiàng)特高壓直流工程的532臺(tái)換流變產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，國產(chǎn)化率現(xiàn)已達(dá)100%，徹底解決了“卡脖子”問題，成為以高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)支撐國產(chǎn)材料在關(guān)鍵電力裝備中應(yīng)用的典型案例，為促進(jìn)我國高端硅鋼材料及變壓器產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展、保障新型電力系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈韌性、助力“雙碳”目標(biāo)落地作出了積極貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉澤洪. ±1100kV特高壓直流輸電工程創(chuàng)新實(shí)踐[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2020， 40 （23）： 7782-7792.

[2]郭賢珊， 厲璇， 王慶， 等. 特高壓直流輸電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與思考[J]. 新型電力系統(tǒng)， 2024， 2 （3）： 237-250.

[3]程靈， 楊富堯， 馬光， 等. 電力變壓器用高磁感取向硅鋼的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 材料導(dǎo)報(bào)， 2014， 28 （6）： 115-118.

[4]國家電網(wǎng)有限公司. Q/GDW 11744-2017， 特高壓直流換流變壓器用冷軋取向電工鋼帶（片）技術(shù)條件[S]. 2017.

[5]國際電工技術(shù)委員會(huì). IEC 60404-17： 2021， 磁性材料—用單片測試儀和光學(xué)傳感器測量取向硅鋼磁致伸縮特性的方法[S]. 2021.

[6]程靈， 張燕秉， 馬光， 等. 220kV～1000kV電力變壓器用取向硅鋼質(zhì)量評(píng)估[J]. 電工鋼， 2024， 6 （1）： 30-38.