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隨著特高壓交直流輸電工程建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，特高壓輸變電技術(shù)相關(guān)研究成果日益豐碩，為建設(shè)具有中國(guó)特色國(guó)際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)提供了堅(jiān)強(qiáng)科技支撐。隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，短路電流問題已逐漸成為制約電網(wǎng)負(fù)荷增長(zhǎng)和電網(wǎng)發(fā)展的突出因素，電力系統(tǒng)對(duì)高壓大容量開關(guān)設(shè)備需求迫切。
高壓大功率斷路器的分?jǐn)嗄芰χ苯記Q定著輸變電線路長(zhǎng)期服役的安全可靠性。2016年至今，依托多項(xiàng)國(guó)家電網(wǎng)有限公司科技項(xiàng)目，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司聯(lián)合平高集團(tuán)有限公司歷經(jīng)5年科研攻關(guān)，成功研發(fā)新型高性能石墨烯改性電觸頭產(chǎn)品。這對(duì)解決短路超標(biāo)問題、保障交直流超特高壓混合電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。
據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年夏季用電高峰期間，國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)區(qū)部分變電站最大短路電流達(dá)到甚至超過63千安。據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司統(tǒng)計(jì)，近年來公司經(jīng)營(yíng)區(qū)330千伏及以上超、特高壓變電設(shè)備發(fā)生的故障中，按設(shè)備類型分類，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）、混合式配電裝置（HGIS）引起的故障跳閘約占27.5%，斷路器占16.5%，變壓器和電流互感器各占13.8%，二次設(shè)備和母線各占8.3%，電抗器占4.6%，避雷器占3.7%，隔離開關(guān)和避雷針各占1.8%。可以看出，GIS、斷路器、變壓器和電流互感器是引起故障跳閘的最主要設(shè)備，占總體跳閘的71.6%。
故障原因分析表明，觸頭、套管等零部件質(zhì)量問題和安裝工藝不良是導(dǎo)致斷路器故障的主要因素。六氟化硫斷路器在多次操作過程中，高于額定電流數(shù)倍的涌流燒蝕以及動(dòng)、靜弧觸頭間的機(jī)械磨損，會(huì)造成觸頭變形并產(chǎn)生金屬蒸汽，損害滅弧室的絕緣性能。
“十四五”期間，青海省計(jì)劃對(duì)兩個(gè)500千伏變電站擴(kuò)容，將短路電流負(fù)荷從現(xiàn)有的63千安提升至80千安。如果斷路器材料實(shí)現(xiàn)升級(jí)，可直接實(shí)現(xiàn)變電站容量擴(kuò)容，省下擴(kuò)建變電站的巨額成本。高壓大容量斷路器的開斷次數(shù)主要受制于斷路器中的電觸頭壽命。當(dāng)前我國(guó)使用的高壓斷路器電觸頭研制主要基于銅鎢合金材料技術(shù)路線。國(guó)產(chǎn)銅鎢合金電觸頭產(chǎn)品在抗電弧燒蝕性和抗摩擦磨損方面無法滿足超、特高壓工程應(yīng)用需求，一旦超出壽命范圍使用，極易發(fā)生重?fù)舸苯油{電力設(shè)備的絕緣性能，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行造成較大隱患。現(xiàn)役銅鎢合金電觸頭產(chǎn)品柔韌性及延伸率較低，動(dòng)作過程中易失效斷裂，同時(shí)耐燒蝕性能不足。電弧燒蝕過程中銅容易聚集長(zhǎng)大，導(dǎo)致觸頭開裂失效。因此，有效提高電觸頭材料的耐磨性、導(dǎo)電性、抗熔焊性、抗電弧侵蝕性等關(guān)鍵性能指標(biāo)，對(duì)降低斷路器故障率、維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。
聯(lián)研院材料所所長(zhǎng)陳新說：“當(dāng)前電網(wǎng)短路電流超過斷路器遮斷容量時(shí)產(chǎn)生的短路電流超標(biāo)問題，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，對(duì)斷路器的開斷能力及觸頭的耐燒蝕能力提出了更高要求。現(xiàn)役觸頭多次滿容量開斷后電弧燒損嚴(yán)重，必須進(jìn)行全面維護(hù)，遠(yuǎn)不能滿足六氟化硫斷路器實(shí)際工程全壽命周期內(nèi)免維護(hù)的要求。”他表示，觸頭的侵蝕主要源于兩個(gè)方面：一是關(guān)合前預(yù)擊穿電弧的燒蝕，二是燒蝕后弧觸頭材料變軟后的機(jī)械磨損。必須提出新的技術(shù)路線，有效地提高電觸頭材料的關(guān)鍵性能指標(biāo)。“技術(shù)是需要不斷優(yōu)化創(chuàng)新的，我們要把主動(dòng)權(quán)牢牢掌握在自己手里。”陳新說。
面對(duì)國(guó)家輸變電裝備對(duì)高壓斷路器核心部件電觸頭材料升級(jí)的迫切需求，從2016年起，聯(lián)研院電工新材料研究所、歐洲院聯(lián)合平高集團(tuán)等單位共同開展新型石墨烯改性銅基電觸頭材料技術(shù)攻關(guān)，并依托歐洲院與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)開展國(guó)際合作，助力提升高壓斷路器性能。
抗電弧燒蝕性能和耐摩擦磨損性能協(xié)同提高是批量化制備高性能電觸頭的關(guān)鍵問題。國(guó)外研究高壓電觸頭材料起步較早，技術(shù)比較成熟，但核心技術(shù)對(duì)我國(guó)實(shí)施封鎖。項(xiàng)目組依托多項(xiàng)公司科技項(xiàng)目，協(xié)同海外研發(fā)能力、產(chǎn)業(yè)集團(tuán)型式試驗(yàn)驗(yàn)證以及各省級(jí)電力公司應(yīng)用論證，組建了一支以“80”后科技骨干為主的青年科技攻堅(jiān)團(tuán)隊(duì)。
團(tuán)隊(duì)骨干成員在材料機(jī)理及制備工藝研發(fā)階段，扎根在研發(fā)一線；在生產(chǎn)試制階段，駐守生產(chǎn)廠家，現(xiàn)場(chǎng)解決技術(shù)難題，最終突破了材料性質(zhì)、成分、組織結(jié)構(gòu)和制備工藝之間平衡關(guān)系的難點(diǎn)，取得了材料性能提升關(guān)鍵技術(shù)的突破；在型式試驗(yàn)階段，常駐平高集團(tuán)高壓試驗(yàn)站，與平高集團(tuán)技術(shù)中心及高壓站研發(fā)團(tuán)隊(duì)多次討論，反復(fù)調(diào)試，終于實(shí)現(xiàn)高壓大電流斷路器電壽命開斷能力質(zhì)的飛躍。
在持續(xù)努力下，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)成功獲取了高性能石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合電觸頭材料配方體系，突破了石墨烯電觸頭材料定向設(shè)計(jì)工藝與活化燒結(jié)溶滲一體化成型關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多型號(hào)石墨烯改性電觸頭工業(yè)級(jí)制備。團(tuán)隊(duì)首次研制出面向252千伏及以上六氟化硫斷路器用石墨烯改性銅鎢合金電觸頭，導(dǎo)電率、抗彎強(qiáng)度等關(guān)鍵性能指標(biāo)全面優(yōu)于現(xiàn)役產(chǎn)品，大幅提升了現(xiàn)役高壓斷路器的電壽命，填補(bǔ)了石墨烯改性高壓開關(guān)電觸頭材料領(lǐng)域的技術(shù)空白，提升了公司高通流大容量開關(guān)電觸頭的自主研發(fā)水平，助力保障電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。
2020年10月29～31日，按照聯(lián)研院與平高集團(tuán)經(jīng)過多次研討制訂的最優(yōu)驗(yàn)證方案，基于該電觸頭的平高集團(tuán)新型敞開柱式252千伏/63千安六氟化硫斷路器成功實(shí)現(xiàn)一次性滿遮斷容量開斷20次。對(duì)此成果，平高集團(tuán)總工程師鐘建英說：“根據(jù)項(xiàng)目驗(yàn)收專家組意見，項(xiàng)目整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。只有核心技術(shù)取得突破，才能更好地幫助企業(yè)控制成本、保障關(guān)鍵材料供應(yīng)，今后我們要繼續(xù)加強(qiáng)系統(tǒng)工程化研究，促進(jìn)科研成果產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。”
該成果有力支撐了平高集團(tuán)額定短路開斷電流63千安、額定電流6300安培的252千伏瓷柱式斷路器的自主設(shè)計(jì)開發(fā)與國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用。252千伏/63千安柱式斷路器市場(chǎng)需求大、覆蓋區(qū)域廣。該型號(hào)斷路器的成功研制，對(duì)進(jìn)一步開拓國(guó)產(chǎn)斷路器的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)起著至關(guān)重要的作用，有利于提升公司在高端開關(guān)設(shè)備領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力和技術(shù)水平，具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
我國(guó)高壓電觸頭的市場(chǎng)需求約為每年30萬(wàn)套， 年市場(chǎng)銷售總額接近15億元。新型高壓電觸頭材料在未來電網(wǎng)發(fā)展中具有廣闊的市場(chǎng)前景。目前，項(xiàng)目成果已與平高、西開、泰開等高壓開關(guān)企業(yè)達(dá)成合作與轉(zhuǎn)化意向，為后續(xù)在超、特高壓輸變電領(lǐng)域的示范應(yīng)用與大規(guī)模推廣奠定了基礎(chǔ)。項(xiàng)目組將繼續(xù)圍繞能源電力科技前沿，不斷加強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)踐，持續(xù)推進(jìn)高端電工裝備用核心材料的自主研發(fā)和國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用。
