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国内首例!断路器全功率开断次数从12次提升至20次,石墨烯改性电触头市场广阔
发布时间:2023-06-05

随着步桥220千伏变电站4号主变送电成功,由国网联研院、中国电科院、国网宁夏电力、平高集团联合研发的252千伏石墨烯断路器在石嘴山电网220千伏步桥变电站成功挂网运行,标志国内首台基于石墨烯改性电触头的252kV/63kA SF6敞开柱式断路器在石嘴山电网正式运行。

近年来,随着新型电力系统的逐步构建,风能、太阳能等大规模清洁能源接入电网,对高压断路器大短路电流开断能力、服役安全可靠性提出了更高要求。同时,持续增长的电力负荷也对电网安全带来了巨大的挑战,电力系统对高压大容量开关设备需求迫切。

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国内首例!断路器全功率开断次数从12次提升至20次,石墨烯改性电触头市场广阔

高压大功率断路器的分断能力直接决定着输变电线路长期服役的安全可靠性。2016年至今,依托多项国家电网有限公司科技项目,全球能源互联网研究院有限公司联合平高集团有限公司历经5年科研攻关,成功研发新型高性能石墨烯改性电触头产品。这对解决短路超标问题、保障交直流超特高压混合电网的安全稳定运行具有重要意义。

瞄准重点需求开展断路器材料升级研究

据国家电网公司统计,近年来公司经营区330千伏及以上超、特高压变电设备发生的故障中,按设备类型分类,气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)、混合式配电装置(HGIS)引起的故障跳闸约占27.5%,断路器占16.5%,变压器和电流互感器各占13.8%,二次设备和母线各占8.3%,电抗器占4.6%,避雷器占3.7%,隔离开关和避雷针各占1.8%。可以看出,GIS、断路器、变压器和电流互感器是引起故障跳闸的最主要设备,占总体跳闸的71.6%。

故障原因分析表明,触头、套管等零部件质量问题和安装工艺不良是导致断路器故障的主要因素。六氟化硫断路器在多次操作过程中,高于额定电流数倍的涌流烧蚀以及动、静弧触头间的机械磨损,会造成触头变形并产生金属蒸汽,损害灭弧室的绝缘性能。

国内首例!断路器全功率开断次数从12次提升至20次,石墨烯改性电触头市场广阔

“十四五”期间,青海省计划对两个500千伏变电站扩容,将短路电流负荷从现有的63千安提升至80千安。如果断路器材料实现升级,可直接实现变电站容量扩容,省下扩建变电站的巨额成本。高压大容量断路器的开断次数主要受制于断路器中的电触头寿命。当前我国使用的高压断路器电触头研制主要基于铜钨合金材料技术路线。国产铜钨合金电触头产品在抗电弧烧蚀性和抗摩擦磨损方面无法满足超、特高压工程应用需求,一旦超出寿命范围使用,极易发生重击穿,直接威胁电力设备的绝缘性能,对电网安全运行造成较大隐患。现役铜钨合金电触头产品柔韧性及延伸率较低,动作过程中易失效断裂,同时耐烧蚀性能不足。电弧烧蚀过程中铜容易聚集长大,导致触头开裂失效。因此,有效提高电触头材料的耐磨性、导电性、抗熔焊性、抗电弧侵蚀性等关键性能指标,对降低断路器故障率、维护电网安全稳定运行具有重要意义。

面对国家输变电装备对高压断路器核心部件电触头材料升级的迫切需求,从2016年起,联研院电工新材料研究所、欧洲院联合平高集团等单位共同开展新型石墨烯改性铜基电触头材料技术攻关,并依托欧洲院与英国曼彻斯特大学开展国际合作,助力提升高压断路器性能。

石墨烯改性电触头断路器成功投运

高压开关是电网的枢纽,电网的接通和断开依靠开关来实现,而实施这一重要作用的主要部件是开关的心脏——弧触头来完成。高压断路器的开断次数主要受制于高压断路器中的电触头寿命,当前使用的高压断路器电触头材料及技术主要基于铜钨合金材料技术路线。因此,有效提高电触头材料的耐磨性、导电性、抗熔焊性、抗电弧侵蚀性等关键性能指标,对减少断路器的故障率,维护电网的安全稳定运行具有重要意义。

石墨烯是由一层碳原子以六角形蜂巢结构周期性紧密堆积构成的二维碳材料,具有很多材料薄、强度大、导电性好等多种性能,被称为“新材料之王”。如何将这种高性能二维材料在产品中进行应用,一直是科学界关注的问题。据介绍,这项高端电工材料新技术在世界范围内率先填补了石墨烯改性高压断路器电触头材料领域的技术空白,可以将高压断路器的全功率开断次数从12次提升至20次,从而最大程度延长断路器的检修间隔,提高设备可用率,降低系统全寿命周期成本。这对保障社会用电极其重要。

国内首例!断路器全功率开断次数从12次提升至20次,石墨烯改性电触头市场广阔

欧洲研究院是国家电网公司国网智能电网研究院有限公司(简称“智研院”)于2014年6月26日在德国投资组建的海外研究院,高端电工新材料是其重点攻关方向之一。自2016年启动石墨烯改性电工材料类基础研究工作以来,欧洲研究院与智研院国内团队紧密协作,探索了化学气相沉积(CVD)、真空烧结(SPS)等多种复合材料制备工艺,最终结合国内实际优选真空熔渗方法,成功制备新型材料并制成设备成品,设备成品于2021年成功通过型式试验。

欧洲研究院高端电工材料攻关团队负责人周明瑜介绍,石墨烯改性高压断路器用触头材料等一系列项目的成功执行,是中资企业“以海外先进技术反哺国内,并形成国内外优势互补的团队优势”的科研模式的生动实践,同时,利用石墨烯改性新型电工材料这一技术路线也打破了近八成石墨烯下游产品集中在低附加值、高成本的石墨烯加热器、理疗、可穿戴产品、涂料、导电添加剂等不具备强市场竞争力的应用产品的局限性,为石墨烯材料在能源行业的应用提供了新的方向。

我国高压电触头的市场需求约为每年30万套, 年市场销售总额接近15亿元。新型高压电触头材料在未来电网发展中具有广阔的市场前景。目前,项目成果已与平高、西开、泰开等高压开关企业达成合作与转化意向,为后续在超、特高压输变电领域的示范应用与大规模推广奠定了基础。项目组将继续围绕能源电力科技前沿,不断加强创新实践,持续推进高端电工装备用核心材料的自主研发和国产化应用。
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