以高质量标准支撑保障特高压变压器核心材料取向硅钢国产化应用成功实践

摘 要：高等级取向硅钢作为关键基础材料被列入“中国制造2025战略”目录，是实现我国特高压直流换流变压器等重要电力装备自主保障、避免受制于人的重点发展方向。我国特高压变压器取向硅钢曾长期被日本新日铁及韩国浦项等少数跨国企业垄断，标准空白是制约铁心材料国产化应用的关键技术瓶颈之一。本文主要介绍了国网公司企业标准特高压直流换流变压器用取向硅钢的研究过程、创新内容、工程实践、推广应用情况。该标准实施以来，支撑国产取向硅钢在±800kV白鹤滩-浙江、±1100kV准东-皖南等13项特高压直流工程的532台换流变产品中实现应用，国产化率现已达100%，彻底解决了高等级取向硅钢“卡脖子”问题，成为以高质量标准引领支撑国产材料在关键电力装备中应用的典型案例。

关键词：特高压直流输电，换流变压器，取向硅钢，标准化，国产化

0 引 言

截至2023年底，国家电网有限公司已建成投运±800kV及以上特高压直流输电工程16项、1000kV特高压交流输电工程19项，打造了特高压交直流混联电网世界级样板，中国电网已成为世界上输电能力最强、规模最大的新型电网[1]。特高压直流输电工程中直流换流变压器长期在大负荷、高温升、强振动、复杂电磁环境下运行，对主材取向硅钢的电磁与长期服役特性要求严苛[2， 3]。2014年前，向家坝-上海等5项±800kV特高压直流工程换流变压器用取向硅钢全部依赖进口，价值超20亿元，且限量供应，制约了我国特高压工程建设进展与产业链自主创新。

实现特高压直流换流变压器主材性能提升及国产化替代是国家重大需求。此前，国内换流变压器铁心选材设计及技术指标控制完全采用国外技术，对于高等级取向硅钢的复杂工况电磁特性、绝缘涂层特性、工艺特性等认知不足，面向换流变压器复杂工况的取向硅钢评价技术及标准缺失，国内外已有的通用规范均无法确保国产材料的服役可靠性，成为制约主材国产化的关键技术瓶颈之一。

中国电科院联合中国宝武、保变电气等企业组成攻关团队，依托国家重点研发计划和国家电网有限公司科技项目，创立了高等级取向硅钢特高压工况使用技术体系，在大量总结归纳特高压变压器取向硅钢科研成果、抽检试验与对标数据、现场实践经验的基础上，牵头制定了全球唯一换流变压器用取向硅钢专用标准——Q/GDW11744-2017《特高压直流换流变压器用冷轧取向电工钢带（片）技术条件》[4]，推动国产材料质量提升，指导工程选材与检验，支撑保障国产取向硅钢在13项特高压直流工程中实现了规模化应用。

1 特高压直流换流变压器取向硅钢专用标准技术创新

1.1 面临的难点与挑战

实现特高压直流换流变压器铁心材料国产化应用面临两大挑战。（1）亟需建立可靠性应用评价体系，攻克高等级取向硅钢技术参数体系、性能评估方法及试验平台技术，保证在长期高温、振动、高次谐波、过励磁等复杂工况下的运行可靠行。（2）全面深度对标进口产品质量，亟需攻克国产取向硅钢“冶炼-热轧-常化-冷轧-脱碳渗氮-高温退火-涂层涂敷-激光刻痕”全流程工艺精准控制及批量化稳定生产关键技术，批次稳定制备出满足专用标准要求的高等级取向硅钢产品。

1.2 建立复杂工况下材料可靠性评价方法

针对特高压直流换流变压器大负荷、强振动、复杂电磁环境工况，首次建立了磁均匀性、谐波损耗、直流偏磁损耗、磁致伸缩噪声、涂层质量等取向硅钢服役性能评价方法和检验原则。创建了1.1倍过励磁、1～50次谐波、0～150A/m直流偏磁、-15～15MPa应力、-40～150℃温度等多工况试验条件下取向硅钢应用评价技术，全面覆盖取向硅钢标准试样-铁心模型-工程产品全过程试验评价。支撑实现了13项特高压直流工程中换流变压器用取向硅钢材料的工程检验与评价。

1.3 提出关键性能指标要求及技术参数体系

提出了3次和5次谐波磁特性、A计权磁致伸缩噪声、表面绝缘电阻等满足服役性能考核要求的关键指标，提升了叠装系数、不平度、毛刺高度等工艺指标要求，规范了直流换流变压器用8个高牌号取向硅钢产品的磁特性、几何特性、工艺特性、涂层性能等4大类共18项指标。针对应用磁性能指标考核，考察铁心模型1.1倍过励磁特性、高次谐波励磁特性、等效10A直流电流下耐受直流偏磁特性，提出了3大类6项指标的选型原则。解决了特高压换流变压器用取向硅钢评价技术指标体系从无到有的难题。

1.4 开发多工况试验平台及数据库对标系统

开发了特高压变压器用取向硅钢材料多工况试验平台和数据库对标软件系统，建立了可模拟服役运行后材料磁性能、涂层性能及微观结构变化的测试系统，搭建了可进行深度磁饱和特性、谐波励磁特性、耐受直流偏磁特性分析的系列等比缩小铁心模型。完成国内外超30，000片取向硅钢出厂数据、实测数据、标准数据三位一体全面对标。持续支撑特高压直流换流变压器用国产取向硅钢质量评价，国产化率现已达100%，彻底解决了高等级取向硅钢“卡脖子”问题。

2 特高压直流换流变压器主材国产化推进过程中专用标准实施

2.1 特高压工程抽检方法及结果（部分）

依据《特高压（含直流换流型）变压器用冷轧取向电工钢带抽检大纲》和国网企标 Q/GDW11744-2017《特高压直流换流变压器用取向电工钢带（片）技术条件》对拟应用于特高压直流工程中的国产取向硅钢产品质量进行抽检，在变压器制造企业仓库现场随机取样。作为对照，同步抽检进口取向硅钢。涉及的变压器企业包括沈变、西电、保变、衡变、山东电力、ABB等，涉及的取向硅钢生产企业为宝钢、首钢、新日铁、浦项，涉及的牌号为27QH085、27QH090、23QH075、23QH080等。

以特高压直流换流变压器常用的27QH085典型牌号为例，图1给出了国内外相同等级取向硅钢的比总损耗、磁感应强度、A计权磁致伸缩噪声、叠装系数等指标的抽检结果。同牌号多批次产品抽检结果表明，总体上，国内宝钢、首钢产品性能已优于韩国浦项产品，与日本新日铁产品基本相当，性能波动性和噪声控制上仍有提升空间。

2.2 国产取向硅钢在特高压直流换流变压器中的应用情况

2014年以前，我国±800kV向家坝-上海等5项特高压直流输电工程中换流变压器用取向硅钢全部依赖进口。自±800kV溪洛渡-浙江特高压直流工程中首次应用国产取向硅钢以来，直流换流变压器主材国产化率逐年提升，现已达100%，累计已有532台特高压直流换流变压器使用国产取向硅钢，用量超过11万吨。专用标准服务于产业链供应链上硅钢生产企业、变压器制造企业、特高压工程建设、监造等单位，支撑保障了包括世界最高电压等级±1100kV准东-皖南工程在内的13项特高压直流输电工程质量安全。

3 特高压直流换流变压器硅钢专用标准修订建议及应用前景分析

近年来，随着国产高等级取向硅钢产品性能快速提升与测试技术进步，标准Q/GDW 11744-2017已不能完全适应新形势下特高压工程高质量建设需求，建议进行修订。（1）换流变压器使用的23QH070、23QH075等顶级牌号取向硅钢产品未纳入标准。（2）国际标准IEC 60404-17-2021[5]首次规范了磁致伸缩速度级、加速度级的测试方法，以及测试结果与IEC/TR 62581原技术报告方法之间的转化关系。（3）Q/GDW 11744-2017中涉及的谐波比总损耗等复杂工况磁特性的测量精度可进一步提升，目前国际电工技术委员会和全国钢标准化技术委员会均在推进相关标准制定工作。

我国特高压输电工程正迈入前所未有的超常规发展阶段，不仅建设规模激增、送电需求迫切，还进入技术“创新区”和地域“空白区”，面临着大规模集中建设、高强度创新攻关、高质量转型升级的巨大挑战。作为特高压直流输电标准体系中的一项，Q/GDW 11744标准实施以来，打造了以高质量标准引领支撑特高压变压器核心材料取向硅钢国产化应用成功实践。未来，通过持续采用先进研究成果，促进科研与标准互动发展，修订保持标准的先进性，特高压直流换流变压器取向硅钢自主技术标准将可为我国高端硅钢材料及变压器产业发展、特高压工程高质量建设发挥新的作用。

4 标准实践推广至其他电压等级助力打造本质安全电网

特高压直流换流变压器用取向硅钢专用标准与抽检监造机制的建立，促进了国产材料技术进步，保障了特高压直流输电工程质量安全。标准实践经验进一步推广至国家电网有限公司220～1000kV新建和扩建变电站工程中电力变压器/电抗器用取向硅钢关键原材料技术符合性评估，助力打造本质安全电网。

2020-2023年底，中国电科院硅钢材料团队累计完成了175项变电站工程中181批次变压器用取向硅钢质量评价，共涉及阜阳董庄220kV变电站、宁夏桃山330kV变电站、浙江苍南500kV变电站、新疆乌苏750kV变电站、南昌-长沙1000kV变电站等175项工程，沈变、西电、保变、ABB、西门子等24家变压器制造企业，宝钢、武钢、首钢等3家取向硅钢生产企业，20QH070、23QH075～23Q110、27QH085～27Q120、30QH100～30QG120等23个牌号超20，000片取向硅钢样品。

针对国产取向硅钢的质量抽检评价结果表明[6]：整体上性能不合率呈逐年下降趋势；在181批次初检样品中，4批次样品比总损耗不合格，占比为2.2%；6批次样品磁极化强度不合格，占比为3.3%；35批次涂层附着性不合格，占比为19.3%；1批次样品表面绝缘电阻不合格，占比为0.6%。持续开展新入网高电压等级变压器用取向硅钢质量评估，对于新型电力系统构建背景下推进国产取向硅钢基础材料高质量发展、加强电力变压器质量源头管控、助力打造本质安全电网发挥了重要作用。

5 结 语

聚焦特高压直流换流变压器主材性能提升及国产化替代重大需求，通过高等级取向硅钢技术研发、标准研制、产业推广互动发展，成功推动国产取向硅钢在±800kV白鹤滩-浙江等13项特高压直流工程的532台换流变产品中实现应用，国产化率现已达100%，彻底解决了“卡脖子”问题，成为以高质量标准引领支撑国产材料在关键电力装备中应用的典型案例，为促进我国高端硅钢材料及变压器产业升级发展、保障新型电力系统产业链供应链韧性、助力“双碳”目标落地作出了积极贡献。

参考文献

[1]刘泽洪. ±1100kV特高压直流输电工程创新实践[J]. 中国电机工程学报，2020， 40 （23）： 7782-7792.

[2]郭贤珊， 厉璇， 王庆， 等. 特高压直流输电技术发展现状与思考[J]. 新型电力系统， 2024， 2 （3）： 237-250.

[3]程灵， 杨富尧， 马光， 等. 电力变压器用高磁感取向硅钢的发展及应用[J]. 材料导报， 2014， 28 （6）： 115-118.

[4]国家电网有限公司. Q/GDW 11744-2017， 特高压直流换流变压器用冷轧取向电工钢带（片）技术条件[S]. 2017.

[5]国际电工技术委员会. IEC 60404-17： 2021， 磁性材料—用单片测试仪和光学传感器测量取向硅钢磁致伸缩特性的方法[S]. 2021.

[6]程灵， 张燕秉， 马光， 等. 220kV～1000kV电力变压器用取向硅钢质量评估[J]. 电工钢， 2024， 6 （1）： 30-38.