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国产非晶变压器实现产业化 掌握关键核心技术 高新技术企业蓄势待发

北极星智能电网在线  来源:北京日报    2018/10/19 10:22:21  我要投稿  

北极星智能电网在线讯:习近平总书记2018年5月28日在两院院士大会上强调:“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。”只有实现关键核心技术自主可控,才能把创新主动权、发展主动权牢牢掌握在自己手中。作为推动创新创造的生力军,企业应坚持自主创新,提升核心技术创新能力,带动新技术、新产品、新业态蓬勃发展,这不仅是我国进行供给侧结构性改革的必然要求,也是企业不断发展壮大的必由之路。

近年来,北京始终以建设具有全球影响力的全国科技创新中心为引领,加快推进科技创新成果向现实生产力转化,加快构建产业新体系,增强经济核心竞争力。北京市科学技术委员会在《北京加强全国科技创新中心建设重点任务2018年工作方案》中明确提出,要提升企业技术创新能力,打造高精尖产业主阵地。

高新技术企业作为科技创新成果转化的“加速器”,为北京转换发展动能,构建现代化经济体系做出了重大贡献。截至今年7月,北京市高新技术企业数量达到20163家。2017年,这两万多家的高新技术企业实现总收入2.5万亿元,实现利润率11.5%,税收总额1211.8亿元,占北京整个税收的34%。

北京市科学技术奖历年获奖项目分析显示,高新技术企业逐步成为引领首都技术创新和产业发展的重要力量。2017年,在面向产业的获奖成果中,高新技术企业参与度约占85%。今天我们带来的两个获奖成果就是高新技术企业利用自身研发优势,通过自主创新,实现关键核心技术自主可控,促进经济高质量发展的典型代表。

国产金属玻璃“芯” 助力节能减排

经过一百多年的发展,电能的利用已经深深地融入每个人的生活。随着人们生活水平的不断提高,用电量也在逐年递增,不断挑战着电力系统的输配电能力。

然而,在输配电过程中有两只“电老虎”——配电变压器和电机,它们“吃掉”了部分电力,因此产生了电力的损耗。数据显示,我国配电变压器损耗约占全国发电总量的3.3%,2017年约达到2145亿千瓦时,超过2个三峡工程2017年的发电量(976亿千瓦时)。电机“食量”更大,实际能耗超过全社会总耗电量的50%。因此,降低变压器与电机的损耗对节能减排、建设低碳经济至关重要。

无论是配电变压器还是电机,最基本的原理都是电磁能量转换,减少电磁能量转换过程中的电力损失,就可以降低损耗。这其中最关键的就是降低铁芯的损耗,非晶合金是目前公认综合性能最好的铁芯材料之一。

以非晶合金为铁芯材料制成的变压器,其空载损耗与采用硅钢片的传统变压器相比,减少了75%左右。其应用于高效电机,可使铁芯损耗降低80%以上,在高频时(400Hz以上)整机效率可提升2%-15%,节能潜力巨大。

北京科锐配电自动化股份有限公司等单位利用企业研发资源,针对国产非晶带材的性能特点,在非晶配电变压器和非晶电机制造技术和产业化集成等方面集中攻关,取得了系列技术突破。该单位牵头完成的“国产非晶带材在电力系统中的应用开发及工程化”项目获得2017年度北京市科学技术奖一等奖。

创新结构设计,国产非晶变压器实现产业化

非晶合金俗称神奇的金属玻璃,是通过先进的急冷技术,将钢液一次成型为厚度20-30微米的带状特种合金,其原子结构处于一种长程无序的不规则排列的非晶态结构,使其具有高导磁性和低损耗特性,有利于减少铁芯损耗。然而,非晶带材厚度极薄,硬度高且对机械应力非常敏感,导致其不易切割,且退火后极易破碎,给非晶带材的设计和制造带来了很多困难。

以往为了简化加工工艺,三相非晶变压器铁芯均采用矩形截面的五柱式结构设计,但存在着线圈绕制工艺复杂、成本高,抗突发短路能力弱以及占地面积大、噪音大等问题,成为非晶变压器领域亟待解决的难题之一。

项目团队发明了截面近似圆形的变压器铁芯,通过精确的铁芯结构设计、选用不同宽度规格的非晶带材和高精度模具、配合特殊的热处理工艺,彻底解决了矩形截面非晶铁芯存在的线圈绕制工艺复杂、成本高,抗突发短路能力弱两大技术难题。

同时,提出了新型的三相三柱式结构,不仅使非晶变压器铁芯的重量和横向尺寸明显降低,节省了材料、降低了成本,也减少了使用过程中非晶变压器的占地面积;并采用环氧树脂涂层降噪技术,大幅度降低了使用过程中的噪音。

为实现非晶变压器的轻量小型化,采用新型绝缘结构设计,较大程度上减小了非晶变压器的结构尺寸,实现了整机减重,降低了产品成本。同时,采用新型装配技术及可调式新型线圈生产模具,提高生产效率,模具用量减少了70%以上。以一台低压绕线机和两台高压绕线机为一个单位,该技术创新可把绕线模具用量从每天18套降至5套以内。

目前,已建成生产能力为4万吨/年的国产非晶配电变压器铁芯生产线和生产能力为6万台/年非晶变压器生产线。测试报告显示,基于国产非晶带材的非晶配电变压器空载损耗和噪声等性能指标优于国家相关行业标准,性能达到国际先进水平。经中国质量认证中心认证,被评定为中国节能产品。

创新加工工艺,突破非晶电机定子铁芯制造

非晶电机是用非晶带材做成定子铁芯的一种电机,与传统硅钢电机相比,损耗极低,可显著提高电机效率。但非晶带材的特性使其加工成环形、矩形等简单形状相对容易,加工成非晶定子铁芯的齿槽结构则非常困难。因此,高性能非晶电机定子铁芯的制备技术是世界难题。

国际上具备制备技术的主要有美国莱特电气有限公司(LE)和日本日立金属,均采用树脂铸型后切割成型的加工方式,存在成品率低、加工应力影响铁芯性能等共性问题。

项目组在国际上率先发明了“表面涂覆-冲槽-同步卷绕”的全新工艺流程:首先对铁基非晶宽带进行表面涂覆,然后在带材上冲出矩形槽,最后同步卷绕成型,一步得到轴向磁场非晶定子铁芯;也可在非晶带材上冲出一系列的径向齿槽的非晶片,再将其进行轴向成型得到径向磁场非晶定子铁芯。

该技术彻底解决了美日技术中铣削、切割或拼接工艺存在的弊端,经检测该技术制造的非晶定子铁芯损耗(P1000Hz,1.0T=7.07W/kg)远低于美国 LE 公司公布的非晶定子铁芯损耗(P1000Hz,1.0T≤25W/kg),技术参数达到国际领先水平。

针对非晶电机整机制造技术瓶颈,创新性地开发了“C型模块式非晶电机定子铁芯”的全新电机结构,使非晶材料利用率从40%-50%提升至90%以上,同时省略掉了复杂齿槽结构加工步骤,使生产效率提升10倍以上,成型效率提高5-10倍,成本降低了40%-50%。该新型非晶电机正在非晶伺服电机、非晶高性能离心风机上推广应用。

性能领先,决胜节能市场

经过8年的科技攻关,国产非晶变压器和电机在工艺和制备技术等方面取得多项突破,获授权发明专利18项,形成了一批具有自主知识产权的核心技术。

目前不同规格的非晶变压器已在国家电网、各省电力公司等批量挂网运行20余万台,获得了客户的高度评价,“在挂网运行过程中运行状态良好,噪音小、损耗低、节能效果显著”。

更令人欣喜的是,配电变压器产品已经进入国际市场,包括加拿大、韩国、南非、菲律宾等国家和地区,提升了我国在非晶带材及其在电力系统的应用方面的国际影响力和话语权。

国产非晶电机定子铁芯已经通过公开招标,成功取代进口产品成为湘电莱特电气有限公司的非晶铁芯供应商,实现了非晶铁芯成本下降40%,并且组装的非晶电机出口到北美市场后得到了客户的高度好评。

项目总负责人周少雄博士认为,非晶变压器和非晶电机的技术突破,不仅源自于项目团队和参与企业的自主创新,更受益于整个产业的联合与发展。由项目参与企业联合国家稀土永磁电机工程技术研究中心、中科院物理所等57家单位组建的“非晶节能材料产业技术创新战略联盟”,涵盖了该领域我国90%以上的优势单位,提升了非晶节能材料产业链自主创新能力和核心竞争力,打破了国外产品的垄断地位,带动了下游产业的全面发展。

“随着电力系统的升级改造,市场对非晶变压器的需求将进一步扩大。与此同时,非晶高频电机在航空、军事、新能源汽车等高端领域具有广泛的需求。”周少雄博士对非晶产业的发展前景充满信心,“预计到‘十三五’末,非晶变压器、电抗器及非晶电机行业将超过300亿元市场规模。”


原标题:走进科技荣誉殿堂 感受城市创新基因

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