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中國是全球的能源生產(chǎn)和消費國，能源關(guān)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(chǎn)利用方式的變革，建設(shè)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(chǎn)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(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(wǎng)中有一個重要性堪比“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國家可以建造，中國就是其中一個。

這個設(shè)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(dǎo)線，所有導(dǎo)線都要人工挪彎進行內(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，精細操作全憑手感和經(jīng)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(chǎn)

11月27日，在南方電網(wǎng)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(chǎn)有載分接開關(guān)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(shè)備。而換流變壓器有一個關(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，也是一個非常精密的機電設(shè)備。

“換流變壓器有載分接開關(guān)好比汽車的自動‘變速箱’，電壓調(diào)高調(diào)低，負荷調(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多個零部件，切換次數(shù)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(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，只能更換同型號的進口產(chǎn)品，訂貨周期需要三至四個月?！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，進口的換流變壓器有載分接開關(guān)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(wǎng)的安全運行?！?/p>

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)團隊，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)團隊做好了充足準備。南方電網(wǎng)超高壓公司高級技術(shù)專家鄧軍說：“我們結(jié)合多年運維經(jīng)驗，針對進口設(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(guān)?！?/p>

攻關(guān)團隊重點從設(shè)備結(jié)構(gòu)、可靠性等方面開展攻堅。團隊從超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)拓撲結(jié)構(gòu)。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(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的，這對真空滅弧室的要求非常苛刻?！编囓娊榻B，研發(fā)之初，他們想采用有成熟應(yīng)用經(jīng)驗的進口真空滅弧室，但是經(jīng)過深入研究分析，認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(jīng)過兩年堅持不懈的努力，攻關(guān)團隊突破了設(shè)計、制造、試驗和可靠應(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)，實現(xiàn)了“原材料—組部件—整機”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告》顯示，換流變壓器是輸變電設(shè)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(guān)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(fù)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(shè)、歐洲地區(qū)海上換流平臺建設(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)計及生產(chǎn)技術(shù)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(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，為實現(xiàn)配套，換流變壓器研發(fā)及生產(chǎn)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(wǎng)技術(shù)”重點專項中，±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。

換流閥是由單個或多個換流橋組成，其功能為進行交、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現(xiàn)對功率的控制，價值約占換流站成套設(shè)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(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)市場占比分別達到50%和30%。

控制保護設(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、西門子和阿海琺等。

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(shù)和管理優(yōu)勢已經(jīng)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(nèi)大型企業(yè)，有望通過提升產(chǎn)品的技術(shù)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(jīng)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(jù)，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(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)度運行體系。在國家頂層設(shè)計和兩大電網(wǎng)公司投資建設(shè)的推動下，“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