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世界首台超高压快速真空断路器成功研发侧记纪念品

断路器    界首    
2020年12月20日

如何加快适应我国特高压电网和新能源发展建设,确保电网安全可靠稳定运行?如何进一步提高传统断路器开断时间,解决冲击电流过大?面对世界电力科技界共同瞩目的攻关难题,近日从西安高压电器研究院传来喜讯:363kv/5000a/63ka快速真空断路器取得关键技术突破,将开断短路电流时间由60毫秒提升至10-20毫秒。

60毫秒与20毫秒是什么感觉?根据医学界定义,正常人眨动一下眼睛约需要0.1秒时间,即100毫秒,60毫秒意味着来不及完成一次眨眼,20毫秒则仅相当于眼皮颤动一次。在电光火石瞬间,快速真空断路器顺利完成分闸动作,成功切除电网故障线路,确保了电网设备、千家万户百姓平稳安全供用电。

要做就一定做到最好

“虽然还未正式认证,但说它是‘世界首台超高压快速真空断路器’一点也不为过!”项目参与者之一,国网宁夏电科院科技部负责人黄永宁自豪地说。

363kv/5000a/63ka快速真空断路器项目自2011年着手,由51位来自电网企业、科研机构的研发团队担纲实施,历时7年攻坚克难,连续突破了多项世界性技术难题。据黄永宁介绍,该项技术实现了短路电流的开断能力由研发目标的63千安提升到80千安,突破了目前传统断路器最大开断63千安短路电流的能力;实现了由60毫秒开断短路电流提升至10-20毫秒,突破了世界目前范围已有真空断路器最快开断短路电流速度;实现了363千伏电压等级下对短路电流的直接开断,将在超高压电网应用方面取得新突破……”

闪电动作堪比神经中枢

将快速断路器动作时间从60毫秒提速到20毫秒,对于普通的居民用电来说,几乎难以察觉,而缩短故障持续时间40毫秒,对于工业企业的生产用电则意义非凡。

据相关资料显示,近20年来,全世界由于电压暂降(包括短时电压中断)造成的损失,约占工业样本总损失的60%。如20世纪90年代末,英国某造纸厂因一次仅持续0.3秒的电压暂降导致关键负荷装置跳闸,生产线作业中断,给企业带来的直接经济损失高达14万英镑;据中国电力科学研究院对北京首都钢铁厂的调查,2002年企业发生电压暂降情况19次,每次造成的直接经济损失折合人民币达200-300万元人民币。

而当短路故障发生时,363kv/5000a/63ka快速真空断路器检测到短路电流,在2毫秒内预测电流过零点,控制器迅速反应,发出分闸指令,超快速电磁斥力机构收到分闸指令后开始动作,在5毫秒内完成分闸操作,即断开故障电流。

就如同人的手指忽然被针扎到,人体神经中枢将信息迅速传送至大脑,大脑收到指令后指挥手指动作,在5毫秒内完成手指离开针尖的动作,从而保护手指免受更大伤害。

科技发展之路加速度

传统断路器开断时间长、冲击电流大,当发生短路故障以后,继电保护装置动作时间通常在10到20毫秒,断路器固有分闸时间为30到60毫秒,燃弧时间为10到20毫秒,再到故障切除时间更是长达60毫秒至140毫秒。

据业内人士介绍,对于国内50赫兹的电网,短路后5到10毫秒之内就已达到冲击电流最大值。而对于更高等级的363千伏电压等级线路,国内外较为先进的六氟化硫断路器最快分闸时间也在50毫秒以上。这意味着早在断路器开断之前,系统的设备就已经受到了五六次大电流的冲击,后果可想而知。

“从2011年确定研发快速真空断路器,到2013年快速断路器的分闸时间试验仅仅提升了5毫秒,每再提升1毫秒或者电压等级再加高一点,就会产生抖动现象、快速断开无法自愈合、设备不动作等问题,可谓困难重重。”

为了突破一个个研发障碍,由国网宁夏电力有限公司首席专家、宁夏电科院名誉院长艾绍贵带队的科研团队,7年累计进行了15000次试验,成功突破多项关键核心技术,最终使得研制快速真空断路器样机的目标得以实现。

在成功研制“363kv/5000a/63ka快速真空断路器”期间,国网宁夏电科院还衍生出快速开关型变阻抗节能变压器、快速开关型限流技术、快速开关型串联补偿技术、快速开关型变压器隔直装置、快速开关型消弧消谐装置等众多科技创新成果,多项科技成果位于世界领先地位,填补了相关领域空白。

一台快速开关型的零损耗深度限流装置用于240mva变压器的35千伏侧,一年仅运行损耗电量折算成电费就可节省166万元;仅此一项技术的运用,每年就可为宁夏电网节约电费16.6亿元。

回望宁夏电网发展历程,从上世纪八九十年代一座110千伏变电站支撑一个地区供电的窘迫处境,到本世纪初宁夏电网750网架初步建成,再到如今特高压直流输电的飞速发展,国网宁夏电科院致力于推动电网科技发展的脚步从未停歇。未来,国网宁夏电科院将进一步加大新技术、新设备的实际推广应用,为推动新型快速超高压断路器装备产业的发展、提升国家电力自主创新能力和装备制造能力做出贡献。

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目前,陆续披露的上市煤机企业第三季度报告继续印证着煤炭机械行业持续回暖的趋势。在不久前公布的2018年半年报中,煤机龙头企业的表现已经“超预期”。郑州煤矿机械集团股份有限公司(下称“郑煤机”)上半年实现营收127.2亿元,同比增长290%,净利润4.56亿元,同比增长180%;天地科技股份有限公司(下称“天地科技”)实现收入77.54亿元,同比增长41%……不仅业绩均进入高速增长期,收入也都创下历史同期最好水平。

行业分析师陈晓告诉记者:“随着下游市场逐步稳定,利润维持在较高水平,煤机行业可能会有轻微波动,但盈利能力将趋于稳定,并且至少可以持续两年左右。”

下游回暖带动需求回升

业内认为,“煤炭行业固定资产投资有望在今年年末迎来拐点,在下游煤炭行业回暖的大环境下,整体煤机行业尤其是龙头企业将展现较高业绩增速”,根据新时代证券分析师郭泰、何宇超的相关研报,即将进入供暖季,煤价和下游煤企将支撑煤机行业继续回暖,某些企业产值或在第三季度创下新高。

“刺激煤机行业回暖的因素主要体现在两方面,直接因素是煤炭价格上涨带动煤企盈利能力增强。另一个因素则在于国内煤机更新需求增长。”陈晓道。

一方面,年初至今,煤炭行业销售利润率维持在13%以上,逼近历史最高值13.85%。在较高销售利润率驱动下,煤企对设备支出的意愿明显提升,这体现在煤炭企业的固定资产投资(下称“煤炭固投”)方面——前三季度连续正增长。根据国家统计局数据,1—9月煤炭行业固投增长2.1%,其中7—9月增速持续回升,创下2013—2018年间同期最高增速。前三季度,煤炭行业的单季度固投分别为263.4亿元、865.3亿元、925.8亿元,同比增速为3.7%、0.72%、2.97%。

同时,大型煤企对煤炭业务的资本开支同步提升。根据公开数据,中国神华已明确今年投资项目的煤炭业务资本开支计划25.5亿元,中煤能源煤炭业务计划资本开支93.61亿元,兖州煤业煤炭业务计划资本开支97.2亿元,较2017年实际开支均有增长。同时,上述3家公司上半年对煤炭业务资本开支合计59.16亿元、同比增长30.35%。

另一方面,中国煤机协会的统计数据显示,2008—2012年间,我国煤机装备连续快速增长,煤机装备寿命约5—8年。天地科技方面称:“未来3年将迎来煤机设备更新换代高峰。”该公司2017年签订煤机装备业务同比增长100%,并表示考虑煤机设备交付期为6—12个月,“未来煤机板块有望继续高速增长。”

新建产能提振市场

大型或先进煤矿产能将补充“十三五”期间淘汰的落后产能,其每亿吨煤矿建设对煤机装备要高于普通煤矿建设需求,大型化、新建及改扩建煤矿或将提振煤机装备需求市场。

在“2018年前三季度央企经济运行情况发布会”上,国务院国有资产监督管理委员会副秘书长、新闻发言人彭华岗表示,国有企业承担了约70%的去煤炭产能任务,中央企业2016—2017年共退出煤炭产能6200万吨,上半年退出煤炭产能340万吨,下一步将继续化解煤炭、煤电等行业过剩产能。

煤炭行业去产能在2019—2020年将进入尾声,“去产能对煤机需求及煤企固投数据边际影响减弱,而煤矿大型化、新建煤矿产能边际上将继续提振国内煤机需求。”

根据国家能源局相关文件,截至今年6月,我国已核准、开工建设煤炭产能9.76亿吨/年,其中已建成、进入联合试运转的煤炭产能约为3.35亿吨/年,在建煤矿产能仍有6.41亿吨。同时,全国30万吨以下的煤矿比2015年底减少2800多处,下降约50%,120万吨及以上的大型现代化煤矿增加了200处左右,大型现代化煤矿已经成为全国煤炭生产的主体。

上述分析师称:“已审核开工尚未建成的每年6.41吨产能构成了未来新增煤机设备需求的主要来源。”

煤炭综采迈向智能化

在国家能源局原副局长吴吟看来,我国煤炭企业结构在改革开放中实现了历史性转变,产业集中度持续提高。煤炭工业经历了从炮采、普通机械化到综合机械化采煤、机械化程度进入快速发展时期等阶段。

同发达国家相比,我国煤机行业起步较晚、发展快。经过多年发展,煤炭开采地质条件愈发复杂,对煤机的需求愈发强烈和严格。近年来,国有煤炭企业加大研发和技术投入,我国煤机行业从国外进口综合机械化的比例持续下降,天地科技、国际煤机、太重煤机、中煤装备等企业逐渐占领煤机行业细分市场。

煤机龙头企业纷纷加码推动煤机行业迈向智能化。据了解,综合机械化采煤代表了采煤方式的主流和未来发展方向,其设备占整个煤炭机械产值的75%,是煤炭机械的核心,而液压支架占综采设备的比重近50%,市场空间最为广阔。天地科技研发项目占其报告期内营业收入的2.87%;郑煤机方面的资料显示,液压支架采购步入更新高峰,报告期内煤机业务订货创下近5年新高,并拟增18亿投资煤炭综采智能工厂等多个项目。

亦有煤企从业者称,“我国能源装备行业正迎来政策和市场的双重拐点,煤机龙头企业在手订单和利润均持续增长,需求仍旧旺盛,未来行业集中度将进一步提升,智能化是趋势所向。”

新研究提升太阳能

电池转换效率

本报讯 兰州大学教授彭尚龙团队采用新型电荷选择性材料改性、光吸收改善、硅纳米陷光结构的构筑、硅表面钝化和硅/金属界面接触电阻降低等策略,既提升了太阳能电池转换效率又降低成本。成果日前发表于《纳米能源》。

传统的硅基太阳能电池由于制备流程复杂、硬件设备投资高,使得电池成本高,限制了大规模的应用。用新型电荷选择性材料与晶硅基片形成非掺杂的异质结太阳能电池,可避免掺杂所需要的高温工艺,但这类材料本身空穴迁移率低、硅接触面性能差,以及存在硅/金属电极接触电阻高等问题,限制了电池转换效率的提高。

针对这些问题,研究人员通过将还原氧化石墨烯引入新型电荷选择性材料薄膜中,使导电性提高、电池材料光吸收增强。通过电池结构的设计、选用氧化锌作为电子选择性材料等技术改进,使得太阳能电池转换效率超过15%。

(刘晓倩)

高效电催化二氧化碳

还原研究获进展

本报讯 近日,中科院大连化物所研究员邓德会团队在金属-n4活性中心高效电催化二氧化碳还原研究中获进展,相关成果发表于《德国应用化学》。

金属—氮—碳是一类具有优异电催化二氧化碳还原性能的催化剂,目前的制备方法很难获得结构明确且均一的该类催化剂,制约了对其活性中心及催化反应机理的认识。为探究该类催化剂的反应机理及不同金属中心的活性趋势,研究人员在长期对金属-n4活性中心结构认识及其催化反应研究的基础上,利用具有明确金属-n4结构的系列3d金属酞菁作为模型催化剂进行实验,并结合理论计算、电化学实验及同步辐射x射线原位吸收谱对该体系进行了系统深入的研究。

结果表明,与其他3d金属酞菁相比,钴酞菁具有最优异的催化性能。电化学实验验证了理论计算的结果,实验表明钴酞菁可高选择性地将二氧化碳还原成一氧化碳,并在特定电位显示了高稳定性。

(张政 高鹤华)

锂电池“长寿”密码找到

本报讯 锂电池在使用过程中会产生枝晶,枝晶断裂不仅会导致电池容量衰减,寿命打折,还可刺透隔膜使电池短路引发安全问题。南开大学梁嘉杰、陈永胜教授课题组与江苏师范大学赖超课题组合作制备了具有多级结构的银纳米线—石墨烯三维多孔载体,并负载金属锂作为复合负极材料。这一载体可抑制锂枝晶产生,从而实现电池超高速充电,有望大幅延长锂电池“寿命”。该成果在最新一期《先进材料》上发表。

近年来,由于无法抑制金属锂在大电流密度充放电下枝晶产生以及电极体积膨胀的问题,锂电池的长寿命、大容量“快充快放”依然难以逾越。“把金属锂沉积到具有三维网络结构的多孔集流体中构建金属锂复合负极材料,是目前解决上述困难的有效途径之一。”梁嘉杰说。基于此,课题组提出实现超高电流密度及超长循环寿命的理想金属锂负极三维载体材料选择及优化策略。利用石墨烯宏观体三维网络作为机械骨架,银纳米线二维网络作为导电结构,通过低成本、与工业化生产相兼容的涂布—冷干法,制备具有多级结构的银纳米线—石墨烯三维多孔载体,并负载金属锂作为金属锂复合负极材料。

经测试,该复合负极材料的比容量可达2573mah/g;对称电池测试中,首次实现了在极高电流密度40mah/cm2下反复充放电1000周以上。

(孙玉松 马超)

新型热超构材料

实现废能高效利用

本报讯 近日,西南大学物理与科学技术学院教授韩天成与新加坡国立大学教授邱成伟等合作,针对高效利用热能问题,在一种新型热超构材料研究中取得新进展。相关研究在线发表于《先进材料》。

能源消耗之后有很大一部分转化成热能。由于难以利用,这部分热能常被看作废能。研究人员提出一种新的理论设计方法并构建了实验方案,验证了三种功能器件:能够在收集环境信息的同时不被发现的隐形传感器;能够在阻止热流入侵的同时不影响外场分布的隐形斗篷;能够将点热源发出的圆形等温线转换成平直等温线从而实现均匀加热的超级扩展器。这三种功能器件都具有材料参数简单和结构简单的双重优势,无需做任何参数近似即可实验实现,并且对任意方向传导过来的热流都具有良好的性能表现,显示出全参数和全向性双重优点。

(温才妃 刘汭雪)

本报讯 记者吕银玲报道:10月27日,南瑞集团22项科技成果通过了中国电机工程学会鉴定。成果涵盖高压交直流输电、新能源消纳、智能调度、信息通信等多个技术领域。

鉴定委员会对南瑞科技创新成果给予高度评价,认为南瑞在智能电网、能源互联等多个领域持续走在世界前列,在战略新兴产业方面取得多项突破,希望并支持南瑞加快先进适用新产品的推广应用。

据了解,南瑞集团近年来在在大电网安全稳定控制、继电保护、特高压输电、柔性直流输电、新能源接入控制等领域取得一批国际先进的重大科技成果。

其中,在特高压领域,大型调相机变压器组保护系统关键技术与应用,项目成果已在±800kv扎鲁特换流站投运;大型调相机静止变频启动系统(sfc)全力支撑特高压建设。在配电网领域,大型地区电网调配一体化关键技术及应用,成果在四川、广东、江苏等多地应用。在新能源领域,大规模新能源集群并网有功实时控制系统,有效缓解弃风弃光问题;风电、光伏及储能虚拟同步发电机项目,研究了一批大规模并网关键装备;海上风电全景监控与预测性维护系统,成果已在多个海上风电场应用。

南瑞集团董事长、党委书记奚国富表示:“未来,南瑞集团将落实能源发展‘四个革命、一个合作’战略,以‘再电气化+新一代电力系统’为主要路径,加快构建能源互联网,促进能源清洁低碳转型和电网绿色发展。持续提升自主创新能力,为推动我国能源变革转型、支撑服务经济社会发展作出新的更大贡献。”

“机械制造业,特别是以风机、泵、阀门以及大型装备设备为代表的流体机械,是我国装备制造业的重要组成部分。随着国家改革开放和国民经济的高速发展,相关装备制造业有了诸多进步。”10月25日,在2018中国国际流体机械产业高峰论坛(下称“产业论坛”)上,中国通用机械工业协会(下称“中通协”)名誉会长隋永滨在致辞中表示。记者在现场了解到,我国流体机械国产化取得了显著成就,而未来,绿色智能将成为新的增长点。

与此次论坛同期举办的,还有由中国通用机械协会主办和承办的第九届中国(上海)国际流体机械展览会(ifme),以及压缩机、风机高峰论坛(下称“风机论坛”)等交流活动,15个国家及地区的300余家企业汇聚上海,深入了解行业发展动态。

从全面引进到基本国产

在风机论坛上,中通协会长黄鹂指出:“改革开放40年来,压缩机、风机制造业随着推进重大装备国产化步伐取得了重要进步。通过深化改革、自主创新和全行业改造,流体装备行业综合素质和国际竞争力有了明显提升。”

在流体机械制造行业国产化征程中,不少企业作出了贡献。杭氧为神华宁煤400万吨/年煤炭间接液化项目提供的6套十万等级空分配套装置,沈鼓集团研发的用于乙烯装置的裂解气、乙烯、丙烯三大压缩机(简称“乙烯三机”),中核苏阀科技为“华龙一号”核电站研发的隔离阀……这些国产化装置都达到了世界先进水平。

成果来之不易。据中国工程院院士曹湘洪介绍,上世纪70年代,我国现代石化工业起步之初,流体机械行业由于基础薄弱,既缺少与之配套的材料,又缺少高水平的加工装备,行业必需的流体机械主要依赖进口。

为实现石化工业重大装备国产化,设备制造方与用户联合开展国产化攻关,泵、压缩机、阀门等流体机械及设备均发展显著。“经过20多年的协同攻关,装备国产化取得了令人振奋的成就,实现了全面引进到基本国产的飞跃。”曹湘洪说。

绿色智能将成新增长点

“当前,我国国民经济发展处于调整期。一方面经济下行压力加大,另一方面,大型石油化工、煤化工、天然气液化管线输送的核准、环保治理等方面对风机、压缩机行业提出了新要求,将成未来增长点。”黄鹂表示。

接受记者采访时,多位人士均表示,绿色、智能是流体机械产业未来的发展方向,装备企业要不断创新,以适应新形势。

在西安陕鼓动力技术总监刘忠看来,自动化和智能化是未来发展的关键。“智能制造技术是人工智能制造技术与数字技术的交叉融合,也就是全生命周期进行信息感知,优化决策,执行控制功能。”

对此,曹湘洪建议,石化行业装备不仅要做到技术指标先进、运行可靠、故障率低、维修少,而且要智能化程度高,可以做到通过关键运行参数及时提出优化运行方案,诊断预测预警设备可能出现的故障和风险,利用物联网、互联网对在役设备的运行情况进行远程监控,对用户优化运行、消除隐患、排除风险提供实时、快速的指导。

在环保方面,他认为,企业要开发适应炼化行业要求的各种屏蔽泵、磁力驱动泵、隔膜泵等无动密封泵、波纹管阀门、低泄漏阀门等阀门新产品,并适时扩大规模,以适应国家严控炼化企业voc排放的要求。

技术创新机制仍待完善

尽管大型装备国产化已有长足的进步,但与会专家指出,国内机械制造业仍存在技术标准体系不健全、创新机制缺乏等问题。

据了解,机泵阀门等设备的制造水平及质量不仅需要高水平的加工能力作保证,还需要完整的技术标准体系作支撑。但日前,检测国产装备是否达到国际先进水平、性能的手段尚缺,使其性能数据在国际平台上难以比对,严重制约了国产压缩机组、泵、阀门“走出去”。

同时,与国际先进水平相比,部分国产大型装备的技术指标仍有一定差距,用户接受度也有待提高。

“国产机泵阀门基本在消化吸收引进设备的基础上创新研制,缺少原创技术,很难在技术性能上超越。与现代煤化工配套的国产大型空分压缩机组已成功投入生产运行,运转平稳率、故障率等令用户满意,但运行能耗偏高。”曹湘洪称。

有专家指出,国内制造业仍未形成良好的创新体系。

“当前我们面对的任务仍是艰巨的,唯一的解决办法就是要不断加快产业自主创新的步伐。”隋永滨说,“科研人员需要加强合作,带着开放性的心态,投入研发更接地气、更具实用性的产品。”

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