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在高压开关电器技术领域 用中国智慧破解“电网”难题

时间:2019-03-25        阅读:loading...

华中科技大学在南方电网重大科研攻关项目“大容量短路电流开断装置研发及工程应用”支持下研发的220kV系统用大容量短路电流开断装置成功通过100kA级短路电流开断试验,使我国220kV系统用高压断路器的开断容量指标达到国际最高水平。

每逢高温季节,用电负荷猛增,部分地区就开始限电,给人们的生活、生产带来不便。这样的场景你一定不陌生。然而,早在2007年,华中科技大学潘垣院士团队就针对其中的技术难题展开攻关,目标就是:让用电不再受束缚。

本着科研的初心,该团队踏上了这段“未知”的征程,一走就是11年,他们打破了过去我国在高压开关电器技术领域跟随国外的局面,探索出了一套全自主创新的中国解决方案。

“不要等问题出现了才去解决”

2018年9月17日,潘垣院士、何俊佳教授、袁召等设计研发的220kV系统用大容量短路电流开断装置,在西安国家高压电器产品质量监督检验中心成功通过100kA级短路电流开断试验,这标志着我国220kV系统用高压断路器的开断容量指标达到国际最高水平。

“潘院士提出的设想其实还是很超前的。”全程参与研发的袁召至今感念潘垣的远见卓识。他介绍说,当时“电网”企业采取限电措施解决用电负荷猛增的问题已是常态,因为解决该问题的研发难度较大,算是一个未来式本土难题。

袁召形象地打了个比方:“就好像现在城市采取的交通单双限号,虽然可以部分解决交通问题,却牺牲了出行的便利,也没从根本上扭转局面。”

潘垣提出的设想在当时来说有些“异想天开”,不像其他人一样提升单个断路器的开断能力,而是通过高耦合电抗器实现断路器并联连接,将断路器的开断能力成倍提升。袁召提到其中一个设计关键,就是高耦合度空芯分裂电抗器,通过它可以实现开关电弧的并联。而在此之前,开关电弧的并联被认为无法实现。

把设计落实到现实中并非一帆风顺。团队核心成员何俊佳还记得,技术方案刚提出时,外界的质疑声不绝于耳。“这明明就是两个不可能放在一起的东西!”“就算做出来也用不上啊!咱们现在电网没有这么大的短路电流,以后的事情以后再说。”

实际上,开展此类研究并非杞人忧天。当时,国外有些公司已经投入大量资金对大容量断路器进行研发。他们研制的252kV断路器已可以实现90kA短路电流的开断。何俊佳透露,国外技术垄断的大容量开断装置一套大约要花费一两千万元,十分昂贵。当然,涉及的核心技术也是对方公司专利,绝不会轻易透露。

“做,一定要做!一定要做!满足国家需求是一个科研工作者的责任,虽然现在大家还没意识到大容量开断的重要性,但等到问题真正出现了再去解决,那不就晚了吗?我们不能被现在所局限!”彼时潘垣斩钉截铁的话语至今回荡在何俊佳的耳边。

“这是最对的一条路”

“当时在西安做试验,去时穿短袖,做完试验回来时都要穿最厚的羽绒服了。”从理论到实验的艰辛,没有人比袁召更有体会:“白天做实验,晚上找问题,每天就这么循环着,几乎没时间去宾馆休息。试验站很大,空荡荡的,还冷风阵阵,可把我们冻坏了。”

长达11年的科研“探险”中,遇到的很多问题都是世界首次,掉进“坑”里也只能一点点“爬出来”,没有科学经验共享、没有资料可查,甚至连相同的科研思路都无可借鉴。这注定是块难啃的“硬骨头”。

浇注模具的尺寸、导线绕制松紧程度甚至进出线焊接角度,看似微不足道的细节在实验中却举足轻重。“就得去车间盯着工人做了,实在不行还得自己上手。”袁召比划着,自己都记不清去了多少次车间了。

不对就再来,还不对,就继续重做……凭着精益求精的工匠精神,团队和工人们一起苦熬,顽强地把实验室里的图纸变成实物。

“有时反复讨论觉得没问题的设计方案,通过计算或验证可能又会推倒重来,这时候就有点怀疑能否成功。”苦闷时,有一个人对袁召来说宛如暗夜灯塔,那就是潘垣。

谈到这位耄耋之年仍坚持科研的老科学家,袁召满脸钦佩:“都这么大年纪了,还是想到什么哪怕是大晚上也会跑到实验室来找人讨论。一想到他,我就觉得没理由不好好干。”

纠结甚至怀疑,但最终还是选择坚持。因为这是国家的需求,也是科研工作者应有的责任担当。从2007年到2018年,整个团队一路奔跑,完成了“从无到有”,在遍布“荆棘”的途中收获丰硕成果。

2012年,研制15kV/160kA大容量断路器产品,开断能力优于国际领先企业的同类产品;2013年,研制126kV/5000A-80kA真空断路器。2018年,研发220kV系统用大容量短路电流开断装置成功通过100kA级短路电流开断试验,相关指标超过了ABB等国际知名企业同类产品性能参数,为占领国际制高点和工程化应用打下了坚实基础,为我国电力系统大容量短路电流开断的难题提供了更经济、有效的解决方案。

“你们做的东西,我们放心!”

“科研人员克服了工期要求紧、技术难度大、业主要求持续增加等困难,不厌其烦地为项目做了大量扎实的工作……”2018年12月,广州供电局特意给团队发来了感谢信,还表示将在后续国家重点研发计划项目合作中继续开展合作。

合作始于2013年。当时,广州供电局在认真考察对比了很多包括ABB等跨国公司的产品后,主动叩响了团队大门。他们希望通过断路器开断能力的提升,增加电网的可靠性与电力调度的灵活性,从而解决大规模电网短路问题。“我们的设计原理与方案是独一无二的,不仅技术参数、成本优势明显,更存在可延续性的特点,能满足电网持续发展的需求。”何俊佳说。

按照预定计划,此次合作的成果是设计出252kV/80kA的断路器,该参数已经远超过了当时国内252kV断路器最大开断能力——63kA。而更大的短路电流开断能力就意味着更大的可靠性、更高的安全系数,为此,广州供电局希望把并联型断路器的开断能力进一步提升至85kA。

从63kA到85kA,简单的数字背后却蕴含着极大的技术难度,意味着方案要重新调整、设计,试验难度进一步增大,这让团队的技术人员倍感压力。然而他们最终作出了一个决定,交出了一份让人惊叹的答卷——100kA的断路器,比最初设计足足提高了近两倍。

“完成高耦合电抗器的设计后,经过缜密的核算与论证,我们认为它可以完全满足100kA等级电流的开断要求。既然要超前,就要充分考虑到用户未来的使用可能。”提起当时做的这个重大决定,袁召坦言潘垣的话对团队影响深远,促使大家作出了决定。“他总说,国家发展这么快,一定会有新的需要。”如今,潘垣依然把这句话挂在嘴边,还反复叮嘱团队一定要做到“人无我有,人有我强,人强我新”。团队成员已经把他的话当成了座右铭。

“大规模电网短路电流超标问题并非一劳永逸,这场电网‘马拉松’也将一直在路上。”袁召说,合作期间,广州供电局反复提到“你们做的东西,我们放心”。这份信赖也体现在团队与西安高压电器研究院、国家电网常州电气设备检测中心、武汉供电局等用户的合作中,并转化为团队不断前进的动力。“感觉身上的担子更重了,我们得好好干,不能辜负别人的期待。”

目前,团队再一次与广州供电局合作,启动了“500kV及以上电压等级经济型高压交流限流器”项目的研制。他们要将这种独具特色的“大容量短路电流开断装置”推广应用于更高电压等级。何俊佳说:“我们现在走的这条路可能比多数人要艰难,也没有高回报,但这是最对的一条路。”




来源:中国教育新闻网

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