隨著特高壓交直流輸電工程建設(shè)的穩(wěn)步推進，特高壓輸變電技術(shù)相關(guān)研究成果日益豐碩，為建設(shè)具有中國特色國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)提供了堅強科技支撐。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)負荷增長和電網(wǎng)發(fā)展的突出因素，電力系統(tǒng)對高壓大容量開關(guān)設(shè)備需求迫切。
高壓大功率斷路器的分斷能力直接決定著輸變電線路長期服役的安全可靠性。2016年至今，依托多項國家電網(wǎng)有限公司科技項目，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司聯(lián)合平高集團有限公司歷經(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。這對解決短路超標問題、保障交直流超特高壓混合電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。
瞄準重點需求開展斷路器材料升級研究
據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020年夏季用電高峰期間，國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)部分變電站zhui大短路電流達到甚至超過63千安。據(jù)國家電網(wǎng)公司統(tǒng)計，近年來公司經(jīng)營區(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、靜弧觸頭間的機械磨損，會造成觸頭變形并產(chǎn)生金屬蒸汽，損害滅弧室的絕緣性能。
“十四五”期間，青海省計劃對兩個500千伏變電站擴容，將短路電流負荷從現(xiàn)有的63千安提升至80千安。如果斷路器材料實現(xiàn)升級，可直接實現(xiàn)變電站容量擴容，省下擴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。當前我國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)生重擊穿，直接威脅電力設(shè)備的絕緣性能，對電網(wǎng)安全運行造成較大隱患。現(xiàn)役銅鎢合金電觸頭產(chǎn)品柔韌性及延伸率較低，動作過程中易失效斷裂，同時耐燒蝕性能不足。電弧燒蝕過程中銅容易聚集長大，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，對降低斷路器故障率、維護電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義。
聯(lián)研院材料所所長陳新說：“當前電網(wǎng)短路電流超過斷路器遮斷容量時產(chǎn)生的短路電流超標問題，嚴重影響了電網(wǎng)運行可靠性，對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重，必須進行quan面維護，遠不能滿足六氟化硫斷路器實際工程全壽命周期內(nèi)免維護的要求。”他表示，觸頭的侵蝕主要源于兩個方面：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。“技術(shù)是需要不斷優(yōu)化創(chuàng)新的，我們要把主動權(quán)牢牢掌握在自己手里。”陳新說。
面對國家輸變電裝備對高壓斷路器核心部件電觸頭材料升級的迫切需求，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曼徹斯特大學(xué)開展國際合作，助力提升高壓斷路器性能。
團隊協(xié)同攻關(guān)破解多項技術(shù)難題
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)對我國實施封鎖。項目組依托多項公司科技項目，協(xié)同海外研發(fā)能力、產(chǎn)業(yè)集團型式試驗驗證以及各省級電力公司應(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團隊。
團隊骨干成員在材料機理及制備工藝研發(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，取得了材料性能提升關(guān)鍵技術(shù)的突破；在型式試驗階段，常駐平高集團高壓試驗站，與平高集團技術(shù)中心及高壓站研發(fā)團隊多次討論，反復(fù)調(diào)試，終于實現(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)團隊成功獲取了高性能石墨烯增強銅基復(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)計工藝與活化燒結(jié)溶滲一體化成型關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了多型號石墨烯改性電觸頭工業(yè)級制備。團隊shou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、抗彎強度等關(guān)鍵性能指標全面優(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)的安全可靠運行。
項目成果支撐斷路器自主設(shè)計與國產(chǎn)化應(yīng)用
2020年10月29～31日，按照聯(lián)研院與平高集團經(jīng)過多次研討制訂的zhui優(yōu)驗證方案，基于該電觸頭的平高集團新型敞開柱式252千伏/63千安六氟化硫斷路器成功實現(xiàn)一次性滿遮斷容量開斷20次。對此成果，平高集團總工程師鐘建英說：“根據(jù)項目驗收zhuan家組意見，項目整體技術(shù)達到國際先進水平，主要技術(shù)指標達到國際領(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)加強系統(tǒng)工程化研究，促進科研成果產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。”
該成果有力支撐了平高集團額定短路開斷電流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)計開發(fā)與國產(chǎn)化應(yīng)用。252千伏/63千安柱式斷路器市場需求大、覆蓋區(qū)域廣。該型號斷路器的成功研制，對進一步開拓國產(chǎn)斷路器的國內(nèi)外市場起著至關(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)實力和技術(shù)水平，具有良好的社會和經(jīng)濟效益。
我國高壓電觸頭的市場需求約為每年30萬套， 年市場銷售總額接近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前景。目前，項目成果已與平高、西開、泰開等高壓開關(guān)企業(yè)達成合作與轉(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)。項目組將繼續(xù)圍繞能源電力科技前沿，不斷加強創(chuàng)新實踐，持續(xù)推進高端電工裝備用核心材料的自主研發(fā)和國產(chǎn)化應(yīng)用。