7月14日,在新疆電網迎峰度夏保供關鍵期,一則喜訊傳來:國網新疆電科院楊定乾團隊研發的《油浸式變壓器類設備絕緣狀態的寬頻域感知技術及工程應用》項目,摘得2024年度自治區科學技術一等獎。目前,這項突破性技術已在±1100千伏昌吉換流站等28座樞紐變電站規模化應用,為疆電外送大動脈安全運行提供了關鍵技術支撐。
作為國家“三基地一通道”,新疆的電網安全穩定運行,直接關系著國家能源安全、“雙碳”目標落地及新型電力系統構建。在這片廣袤的土地上,超特高壓電網猶如一條鋼鐵動脈橫貫天山南北,而油浸紙絕緣設備則是保障這條動脈安全運行的“神經元”。
油浸紙絕緣設備是以絕緣油和絕緣紙為核心絕緣介質的電力設備總稱,涵蓋變壓器、電抗器、套管、互感器等,是電力系統電壓變換、能量傳輸的核心裝備。通俗來說,這類設備就像電網中的“智能能源樞紐”:當高壓電從遠方輸電線路抵達,變壓器先完成“降壓拆包”,再將電力精準配送給工廠、商場、居民區,全程守護電力傳輸的安全穩定。
極端環境下的運維“攔路虎”
新疆是我國氣象災害較嚴重的地區之一,災害種類多、范圍廣、頻率高、突發性強,對電網安全穩定運行和全國保供電影響深遠。其特殊的地理環境與極端天氣,給油浸紙絕緣設備運維帶來了前所未有的挑戰。
極低溫環境下的倉促安裝、大溫差環境的長期存放、新能源發電“晝發夜歇” 的大負載波動,讓新老設備絕緣受潮、老化、潛伏性缺陷累積問題愈發突出。數據顯示,新疆地區油浸紙絕緣設備的受潮缺陷占比高達20%。更嚴峻的是,受潮劣化缺陷在極低溫與大溫差交替作用下,如何演變為放電擊穿故障的機理長期不明確,給設備安全運行埋下隱患。
2018年冬季,±1100千伏昌吉換流站處于設備安裝關鍵期,極寒天氣下,進口檢測儀器因缺乏-40℃至10℃的絕緣狀態數據庫,無法檢測設備絕緣狀態,直到次年春天環境溫度回升至18℃,才用進口設備檢測并確診為受潮缺陷。此次事件暴露了極低溫環境下的狀態感知盲區,現有檢測儀器難以滿足寒冷地區冬季設備安裝階段的絕緣檢測需求。
同時,設備缺陷定位也困擾著運維人員。變壓器、電抗器在運輸、安裝過程中常處于未注油狀態,傳統頻域介電響應技術無法準確定位缺陷。曾有60多臺設備投運后陸續出現油中氫氣升高現象,追溯發現均為安裝階段受潮所致,但此時處置窗口已從安裝期的1個月縮短至帶電運行后的8天,不僅增加了搶修難度,更帶來了安全風險。
傳統檢測手段的局限性在特殊環境下被進一步放大。油中溶解氫氣異常率高達20%,部分設備甚至達到百萬分之8000的濃度,但油中水分、介質損耗等參量異常率卻接近0%,這種“單參量異常”讓傳統診斷方法失效。±1100千伏昌吉換流站內的工頻電場是國家標準的6倍,鐵心夾件引下線處的電暈脈沖幅值遠超設備內部放電脈沖,現有技術無法有效分離干擾信號,導致放電狀態感知如同“霧里看花”。
此外,在新疆750千伏變電站中,套管、互感器等少油設備的電容量僅約600皮法拉,是大型充油設備的2%,其響應電流微弱到極易被電暈干擾淹沒。而在絕緣恢復領域,傳統定溫、定時熱油循環工藝在新疆效果不佳,部分設備經多輪處理仍無法達標,面臨報廢,單臺變壓器損失即達數千萬元。這些難題不僅威脅電網安全,更制約新疆新能源大規模并網消納,成為能源戰略落地的關鍵制約因素。
產學研協同啃下“硬骨頭”
面對嚴峻挑戰,國網新疆電科院牽頭,聯合西安交通大學、特變電工股份有限公司等單位組建“產、學、研、用”攻關團隊,依托國家高技術研究發展計劃、國家杰出青年基金等項目,圍繞四大核心方向展開攻堅,從機理研究到技術研發,從裝備制造到工程應用,構建起全鏈條創新體系。
團隊首先瞄準絕緣劣化的機理難題。2018年,針對新疆極低溫、大溫差特點,團隊搭建起“材料—模型—實物”全方位實驗平臺,模擬真實設備的缺陷狀態。從2018年到2020年,持續兩年開展劣化特性觀測,對500多個油浸紙劣化樣品在-40℃至150℃超寬溫度范圍內進行熱循環試驗,獲取了4000組涵蓋頻域介電、微觀形貌、聚合度等指標的關鍵數據。
研究首次揭示了“水分—纖維素凍融效應”:受潮絕緣紙在-40℃極低溫下會形成冰晶體,物理破壞纖維結構;溫度回升后,水分遷移進一步加劇老化。通過分子動力學與量子化學融合的多尺度模擬,團隊實現了電荷輸運的原子級分辨率仿真,建立起雙能級陷阱和非線性介電響應模型,構建的寬溫域(-40℃~130℃)介電譜數據庫,為絕緣診斷提供了“標準病歷本”。
為解決設備狀態感知難題,團隊創造性地提出寬頻域介電響應技術體系。2021年,針對低溫檢測盲區,研發出覆蓋0.1毫赫茲~1千赫茲的超低頻介電譜測試技術,輸出電壓達400伏(峰值),測試時間縮短至24分鐘,補全了-40℃至10℃的低溫數據庫,讓極寒環境下的絕緣檢測從“不可能”變成了“可能”。
2022年,在高頻段,團隊研發的1吉赫茲~6吉赫茲高頻微帶諧振介電譜技術,將含水量測試誤差控制在4.7%以內,實現了變壓器局部受潮的精準“定位”。而10太赫茲~38太赫茲近紅外光譜分析技術,通過500多個不同老化程度的絕緣紙樣品建立模型,使老化狀態診斷準確度超85%,就像給設備絕緣裝上了“CT掃描儀”。
這些技術突破了傳統單一頻段的局限,通過寬頻域信號分析,能捕捉不同劣化階段的特征“指紋”:低頻段反映受潮或裂紋,高頻段對應局部放電,光頻段揭示材料老化。這種“全頻段覆蓋”的感知能力,比傳統方法提前2~3年發現潛伏性缺陷,為故障預警贏得了寶貴時間。
2023年,針對強干擾難題,團隊研發出工頻介損—高頻局放在線監測系統(50赫茲~30兆赫茲),采用穿心式一體化傳感器,徹底解決了傳統傳感器的浮地風險。首創的時頻域累積能量函數分離技術,能從強干擾中“拎出”微弱的設備內部放電信號,定位精度達9.8厘米,識別準確率86.5%,遠超同類產品。
特高頻局部放電帶電巡檢系統(300兆赫茲~2吉赫茲)則通過優化天線陣列和算法,實現了變電站站域放電信號的快速定位。在新疆28座變電站應用中,成功預警多起內部放電缺陷,讓超特高壓設備故障率大幅下降。
為解決未注油狀態下的檢測難題,團隊聯合西安交通大學研發出便攜式表貼型傳感器。2024年投入使用后,可直接檢測絕緣紙含水量,在設備運輸、安裝階段就能發現受潮缺陷,將隱患消除在投運前,使缺陷處置時間從8天延長至1個月以上,大幅減輕了搶修壓力。
在絕緣性能提升方面,團隊提出的微/納米纖維素改性技術堪稱絕緣紙的“強身健體”方案。通過“磚—泥”混合結構優化,絕緣紙拉伸強度提升37.7%,擊穿場強提升17%,且綠色環保。2023年應用的智能干燥工藝,通過在線頻域介電譜實時監測,將變壓器一次干燥合格率從85.3%提升至97.5%,單臺設備節約處理成本超百萬元。
針對老舊設備,團隊建立“評估—調控—恢復—再評估”標準化流程,累計開展544次絕緣恢復,讓多臺瀕臨退役的設備重獲新生,延長壽命15年以上,創造直接經濟效益超10億元。
創新成果從新疆走向全國
從2018年啟動研究到2024年取得階段性成果,團隊的技術經歷了三次重要迭代:2020年完成低溫數據庫補全,解決極寒環境使用問題;2022年優化抗干擾算法,適應強電暈環境;2024年推出便攜式裝備,滿足現場快速檢測需求。每一次迭代都源于工程實踐的痛點,每一項優化都直指現場難題。
相關技術在新疆昌吉、天山等換流站應用后,2022年至今未再發生變壓器設備損傷惡性事故,每年多送電量5.23億千瓦時,增收過網費1305.76萬元,減少二氧化碳排放1200萬噸。在全國范圍內,技術應用累計避免直接經濟損失超50億元,為新能源大規模并網提供了堅實的設備安全保障。
系列成果也形成了豐碩的知識產權:研制國產化裝備11套,包括超低頻介電譜測試儀、特高頻巡檢儀等,性能全面超越進口產品;制定標準13項,其中1項寬頻域介電響應測量國際標準,讓我國在該領域擁有了國際話語權;授權發明專利88項,徹底打破國外技術壟斷,實現了寬頻域絕緣狀態感知的完全自主化。
如今,這項從新疆誕生的技術已走向全國。自2010年首次應用于國家電網系統以來,已覆蓋國家電網、南方電網的17個省級電網公司,新疆成為首個規模化應用的地區。2019年至今,技術持續迭代升級,成為全國油浸紙絕緣設備缺陷診斷的首選技術。
從昌吉換流站的極寒清晨到五彩灣變電站的風沙現場,從實驗室的精密測試到變電站的帶電巡檢,這支攻關團隊用十年磨一劍的堅守,破解了極端環境下電力設備絕緣的世界難題。寬頻域感知技術的突破,不僅是我國電力裝備技術從跟跑到領跑的生動縮影,更彰顯了“產、學、研、用”協同創新的強大力量。
油浸紙絕緣設備的平穩運行,背后是國網新疆電力人對技術創新的執著追求,對能源安全的責任擔當。隨著新型電力系統加速構建,這項技術將繼續守護能源大動脈,為我國綠色低碳轉型和“雙碳”目標實現提供堅實保障,書寫新時代能源革命的精彩篇章。
(中國日報記者毛衛華|李勻)