摘 要：高等級取向硅鋼作為關鍵基礎材料被列入“中國制造2025戰(zhàn)略”目錄，是實現我國特高壓直流換流變壓器等重要電力裝備自主保障、避免受制于人的重點發(fā)展方向。我國特高壓變壓器取向硅鋼曾長期被日本新日鐵及韓國浦項等少數跨國企業(yè)壟斷，標準空白是制約鐵心材料國產化應用的關鍵技術瓶頸之一。本文主要介紹了國網公司企業(yè)標準特高壓直流換流變壓器用取向硅鋼的研究過程、創(chuàng)新內容、工程實踐、推廣應用情況。該標準實施以來，支撐國產取向硅鋼在±800kV白鶴灘-浙江、±1100kV準東-皖南等13項特高壓直流工程的532臺換流變產品中實現應用，國產化率現已達100%，徹底解決了高等級取向硅鋼“卡脖子”問題，成為以高質量標準引領支撐國產材料在關鍵電力裝備中應用的典型案例。

關鍵詞：特高壓直流輸電，換流變壓器，取向硅鋼，標準化，國產化

0 引 言

截至2023年底，國家電網有限公司已建成投運±800kV及以上特高壓直流輸電工程16項、1000kV特高壓交流輸電工程19項，打造了特高壓交直流混聯(lián)電網世界級樣板，中國電網已成為世界上輸電能力最強、規(guī)模最大的新型電網[1]。特高壓直流輸電工程中直流換流變壓器長期在大負荷、高溫升、強振動、復雜電磁環(huán)境下運行，對主材取向硅鋼的電磁與長期服役特性要求嚴苛[2， 3]。2014年前，向家壩-上海等5項±800kV特高壓直流工程換流變壓器用取向硅鋼全部依賴進口，價值超20億元，且限量供應，制約了我國特高壓工程建設進展與產業(yè)鏈自主創(chuàng)新。

實現特高壓直流換流變壓器主材性能提升及國產化替代是國家重大需求。此前，國內換流變壓器鐵心選材設計及技術指標控制完全采用國外技術，對于高等級取向硅鋼的復雜工況電磁特性、絕緣涂層特性、工藝特性等認知不足，面向換流變壓器復雜工況的取向硅鋼評價技術及標準缺失，國內外已有的通用規(guī)范均無法確保國產材料的服役可靠性，成為制約主材國產化的關鍵技術瓶頸之一。

中國電科院聯(lián)合中國寶武、保變電氣等企業(yè)組成攻關團隊，依托國家重點研發(fā)計劃和國家電網有限公司科技項目，創(chuàng)立了高等級取向硅鋼特高壓工況使用技術體系，在大量總結歸納特高壓變壓器取向硅鋼科研成果、抽檢試驗與對標數據、現場實踐經驗的基礎上，牽頭制定了全球唯一換流變壓器用取向硅鋼專用標準——Q/GDW11744-2017《特高壓直流換流變壓器用冷軋取向電工鋼帶（片）技術條件》[4]，推動國產材料質量提升，指導工程選材與檢驗，支撐保障國產取向硅鋼在13項特高壓直流工程中實現了規(guī)?；瘧?。

1 特高壓直流換流變壓器取向硅鋼專用標準技術創(chuàng)新

1.1 面臨的難點與挑戰(zhàn)

實現特高壓直流換流變壓器鐵心材料國產化應用面臨兩大挑戰(zhàn)。（1）亟需建立可靠性應用評價體系，攻克高等級取向硅鋼技術參數體系、性能評估方法及試驗平臺技術，保證在長期高溫、振動、高次諧波、過勵磁等復雜工況下的運行可靠行。（2）全面深度對標進口產品質量，亟需攻克國產取向硅鋼“冶煉-熱軋-常化-冷軋-脫碳滲氮-高溫退火-涂層涂敷-激光刻痕”全流程工藝精準控制及批量化穩(wěn)定生產關鍵技術，批次穩(wěn)定制備出滿足專用標準要求的高等級取向硅鋼產品。

1.2 建立復雜工況下材料可靠性評價方法

針對特高壓直流換流變壓器大負荷、強振動、復雜電磁環(huán)境工況，首次建立了磁均勻性、諧波損耗、直流偏磁損耗、磁致伸縮噪聲、涂層質量等取向硅鋼服役性能評價方法和檢驗原則。創(chuàng)建了1.1倍過勵磁、1～50次諧波、0～150A/m直流偏磁、-15～15MPa應力、-40～150℃溫度等多工況試驗條件下取向硅鋼應用評價技術，全面覆蓋取向硅鋼標準試樣-鐵心模型-工程產品全過程試驗評價。支撐實現了13項特高壓直流工程中換流變壓器用取向硅鋼材料的工程檢驗與評價。

1.3 提出關鍵性能指標要求及技術參數體系

提出了3次和5次諧波磁特性、A計權磁致伸縮噪聲、表面絕緣電阻等滿足服役性能考核要求的關鍵指標，提升了疊裝系數、不平度、毛刺高度等工藝指標要求，規(guī)范了直流換流變壓器用8個高牌號取向硅鋼產品的磁特性、幾何特性、工藝特性、涂層性能等4大類共18項指標。針對應用磁性能指標考核，考察鐵心模型1.1倍過勵磁特性、高次諧波勵磁特性、等效10A直流電流下耐受直流偏磁特性，提出了3大類6項指標的選型原則。解決了特高壓換流變壓器用取向硅鋼評價技術指標體系從無到有的難題。

1.4 開發(fā)多工況試驗平臺及數據庫對標系統(tǒng)

開發(fā)了特高壓變壓器用取向硅鋼材料多工況試驗平臺和數據庫對標軟件系統(tǒng)，建立了可模擬服役運行后材料磁性能、涂層性能及微觀結構變化的測試系統(tǒng)，搭建了可進行深度磁飽和特性、諧波勵磁特性、耐受直流偏磁特性分析的系列等比縮小鐵心模型。完成國內外超30，000片取向硅鋼出廠數據、實測數據、標準數據三位一體全面對標。持續(xù)支撐特高壓直流換流變壓器用國產取向硅鋼質量評價，國產化率現已達100%，徹底解決了高等級取向硅鋼“卡脖子”問題。

2 特高壓直流換流變壓器主材國產化推進過程中專用標準實施

2.1 特高壓工程抽檢方法及結果（部分）

依據《特高壓（含直流換流型）變壓器用冷軋取向電工鋼帶抽檢大綱》和國網企標 Q/GDW11744-2017《特高壓直流換流變壓器用取向電工鋼帶（片）技術條件》對擬應用于特高壓直流工程中的國產取向硅鋼產品質量進行抽檢，在變壓器制造企業(yè)倉庫現場隨機取樣。作為對照，同步抽檢進口取向硅鋼。涉及的變壓器企業(yè)包括沈變、西電、保變、衡變、山東電力、ABB等，涉及的取向硅鋼生產企業(yè)為寶鋼、首鋼、新日鐵、浦項，涉及的牌號為27QH085、27QH090、23QH075、23QH080等。

以特高壓直流換流變壓器常用的27QH085典型牌號為例，圖1給出了國內外相同等級取向硅鋼的比總損耗、磁感應強度、A計權磁致伸縮噪聲、疊裝系數等指標的抽檢結果。同牌號多批次產品抽檢結果表明，總體上，國內寶鋼、首鋼產品性能已優(yōu)于韓國浦項產品，與日本新日鐵產品基本相當，性能波動性和噪聲控制上仍有提升空間。

2.2 國產取向硅鋼在特高壓直流換流變壓器中的應用情況

2014年以前，我國±800kV向家壩-上海等5項特高壓直流輸電工程中換流變壓器用取向硅鋼全部依賴進口。自±800kV溪洛渡-浙江特高壓直流工程中首次應用國產取向硅鋼以來，直流換流變壓器主材國產化率逐年提升，現已達100%，累計已有532臺特高壓直流換流變壓器使用國產取向硅鋼，用量超過11萬噸。專用標準服務于產業(yè)鏈供應鏈上硅鋼生產企業(yè)、變壓器制造企業(yè)、特高壓工程建設、監(jiān)造等單位，支撐保障了包括世界最高電壓等級±1100kV準東-皖南工程在內的13項特高壓直流輸電工程質量安全。

3 特高壓直流換流變壓器硅鋼專用標準修訂建議及應用前景分析

近年來，隨著國產高等級取向硅鋼產品性能快速提升與測試技術進步，標準Q/GDW 11744-2017已不能完全適應新形勢下特高壓工程高質量建設需求，建議進行修訂。（1）換流變壓器使用的23QH070、23QH075等頂級牌號取向硅鋼產品未納入標準。（2）國際標準IEC 60404-17-2021[5]首次規(guī)范了磁致伸縮速度級、加速度級的測試方法，以及測試結果與IEC/TR 62581原技術報告方法之間的轉化關系。（3）Q/GDW 11744-2017中涉及的諧波比總損耗等復雜工況磁特性的測量精度可進一步提升，目前國際電工技術委員會和全國鋼標準化技術委員會均在推進相關標準制定工作。

我國特高壓輸電工程正邁入前所未有的超常規(guī)發(fā)展階段，不僅建設規(guī)模激增、送電需求迫切，還進入技術“創(chuàng)新區(qū)”和地域“空白區(qū)”，面臨著大規(guī)模集中建設、高強度創(chuàng)新攻關、高質量轉型升級的巨大挑戰(zhàn)。作為特高壓直流輸電標準體系中的一項，Q/GDW 11744標準實施以來，打造了以高質量標準引領支撐特高壓變壓器核心材料取向硅鋼國產化應用成功實踐。未來，通過持續(xù)采用先進研究成果，促進科研與標準互動發(fā)展，修訂保持標準的先進性，特高壓直流換流變壓器取向硅鋼自主技術標準將可為我國高端硅鋼材料及變壓器產業(yè)發(fā)展、特高壓工程高質量建設發(fā)揮新的作用。

4 標準實踐推廣至其他電壓等級助力打造本質安全電網

特高壓直流換流變壓器用取向硅鋼專用標準與抽檢監(jiān)造機制的建立，促進了國產材料技術進步，保障了特高壓直流輸電工程質量安全。標準實踐經驗進一步推廣至國家電網有限公司220～1000kV新建和擴建變電站工程中電力變壓器/電抗器用取向硅鋼關鍵原材料技術符合性評估，助力打造本質安全電網。

2020-2023年底，中國電科院硅鋼材料團隊累計完成了175項變電站工程中181批次變壓器用取向硅鋼質量評價，共涉及阜陽董莊220kV變電站、寧夏桃山330kV變電站、浙江蒼南500kV變電站、新疆烏蘇750kV變電站、南昌-長沙1000kV變電站等175項工程，沈變、西電、保變、ABB、西門子等24家變壓器制造企業(yè)，寶鋼、武鋼、首鋼等3家取向硅鋼生產企業(yè)，20QH070、23QH075～23Q110、27QH085～27Q120、30QH100～30QG120等23個牌號超20，000片取向硅鋼樣品。

針對國產取向硅鋼的質量抽檢評價結果表明[6]：整體上性能不合率呈逐年下降趨勢；在181批次初檢樣品中，4批次樣品比總損耗不合格，占比為2.2%；6批次樣品磁極化強度不合格，占比為3.3%；35批次涂層附著性不合格，占比為19.3%；1批次樣品表面絕緣電阻不合格，占比為0.6%。持續(xù)開展新入網高電壓等級變壓器用取向硅鋼質量評估，對于新型電力系統(tǒng)構建背景下推進國產取向硅鋼基礎材料高質量發(fā)展、加強電力變壓器質量源頭管控、助力打造本質安全電網發(fā)揮了重要作用。

5 結 語

聚焦特高壓直流換流變壓器主材性能提升及國產化替代重大需求，通過高等級取向硅鋼技術研發(fā)、標準研制、產業(yè)推廣互動發(fā)展，成功推動國產取向硅鋼在±800kV白鶴灘-浙江等13項特高壓直流工程的532臺換流變產品中實現應用，國產化率現已達100%，徹底解決了“卡脖子”問題，成為以高質量標準引領支撐國產材料在關鍵電力裝備中應用的典型案例，為促進我國高端硅鋼材料及變壓器產業(yè)升級發(fā)展、保障新型電力系統(tǒng)產業(yè)鏈供應鏈韌性、助力“雙碳”目標落地作出了積極貢獻。

參考文獻

[1]劉澤洪. ±1100kV特高壓直流輸電工程創(chuàng)新實踐[J]. 中國電機工程學報，2020， 40 （23）： 7782-7792.

[2]郭賢珊， 厲璇， 王慶， 等. 特高壓直流輸電技術發(fā)展現狀與思考[J]. 新型電力系統(tǒng)， 2024， 2 （3）： 237-250.

[3]程靈， 楊富堯， 馬光， 等. 電力變壓器用高磁感取向硅鋼的發(fā)展及應用[J]. 材料導報， 2014， 28 （6）： 115-118.

[4]國家電網有限公司. Q/GDW 11744-2017， 特高壓直流換流變壓器用冷軋取向電工鋼帶（片）技術條件[S]. 2017.

[5]國際電工技術委員會. IEC 60404-17： 2021， 磁性材料—用單片測試儀和光學傳感器測量取向硅鋼磁致伸縮特性的方法[S]. 2021.

[6]程靈， 張燕秉， 馬光， 等. 220kV～1000kV電力變壓器用取向硅鋼質量評估[J]. 電工鋼， 2024， 6 （1）： 30-38.