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从零到国内唯一!八年的逆袭之路
发布时间:2023-12-14        文章来源:       
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国之重器,始于匠心,惟匠心以致远。2023年10月,由西开电气自主研发的190kA发电机断路器成套装备通过国家级产品鉴定,拥有了自主知识产权,填补了国内空白,综合技术性能达到了国际领先水平。这个创新突破背后,是团队成员们8年来的坚韧不拔和持续攻坚克难的努力,他们以决心和毅力打破了长期对进口设备依赖的局面,实现了重大设备国产化的突破。近日,陕西日报聚焦这支西开电气的研发团队,生动展示了大国重器从0到1的创新历程。让我们一起探寻背后的研发故事,感受那份始于匠心、惟匠心以致远的执着追求。

“大容量发电机断路器是核电站建设的关键设备。长期以来,该设备的研发技术一直掌握在少数国际企业手中。我们经过8年努力,成功研发出190千安发电机断路器成套设备,解决了国内核电站建设的关键核心难题,振奋人心!”12月8日,西安西电开关电气有限公司相关科研项目负责人严旭一边测试研发产品一边对记者说。

勇担研发使命从零出发

近日,国务院国资委新闻中心联合多家网站一起宣传大国重器;“国资小新”淘宝店上架了16件大国重器,发起新一季“最硬核的国货购物车”,190千安发电机断路器成套设备位列其中。

大容量发电机断路器成套设备是确保核电站稳定运行的关键。该设备安装在发电机和主变压器之间,用于控制、保护发电机和变压器。长期以来,国际上仅有一两家公司具备生产大容量发电机断路器成套设备的能力。

国外厂家供的货不仅价格高,还存在延时供货的风险。为了推进重大设备国产化,解决关键核心难题,2014年底,中国西电所属的西安西电开关电气有限公司科研团队勇担历史使命,开启了190千安发电机断路器成套设备的研发之路。


科研人员在查看190千安发电机断路器成套设备的设计模型

严旭回忆:“8年前接到这一任务时,我们团队既兴奋又忐忑。研发大容量发电机断路器,需要攻克大量技术难关。”

190千安发电机断路器成套设备属于大容量发电机断路器的顶尖级产品,适用于单台发电机容量在1000兆瓦至1200兆瓦的核电站发电机组上,对发电机断路器的可靠性有着极高的要求。

“我们必须确保研发的产品绝对安全可靠!”严旭介绍,研发这套设备的最大难点是断路器开断问题。在开断过程中,断路器的两个导电触头间会产生电弧,电弧弧芯温度瞬间可达3万摄氏度。让电弧弧芯温度在数微秒时间内下降到4000摄氏度以下,这是断路器开断的必要条件,难度非常大。

“当时,我们手中除了一份调研报告,再没有任何190千安发电机断路器设计、制造和试验的相关经验了。”科研人员吕军玲回忆。面对这样的情况,科研团队分成大电流开断小组、大容量通流小组、动热稳定小组、机械寿命小组和工艺小组等。各小组成员集思广益,发挥各自专长,开始在白纸上绘图,设计最初的方案。

直面“数微秒”的挑战 攻克难关

在数微秒时间内,将发电机断路器电弧弧芯温度从3万摄氏度降到4000摄氏度以下——这是必须攻克的难关。在试验过程中,超大的电弧能量对零件烧蚀的程度大大超出了科研人员的预判。部分样机开断失败后的爆破现象,也给科研人员留下刻骨铭心的记忆。但是,他们没有被困难吓倒。

“我们初步设想,从充分利用电弧能量和高效耗散电弧能量的角度,将电弧的能量引入一个小腔室并储存起来;再设计出合适的出口通道,在需要的时候将高压气体释放出来,解决在数微秒时间内降温的问题。”严旭说,“数微秒,相当于人类眨一次眼睛时间的5万分之一。”

从初步的设想到结果的成功,这中间有很长的路。科研团队在多轮次的试验中发现,每一个数据的改变都会带来连锁反应,且常常超出预想。更令人头疼的是,实验数据的实际运行结果远比书面运算复杂得多。为了让每一次试验和运算都更靠近最理想的结果,科研人员全力以赴,在每一个细节处绞尽脑汁,生怕有任何遗漏。

“仅仅找到合适的出口通道,我们就用了5年。出口通道是利用和消耗电弧能量的关键结构,需要将七八种不同零件组合。”科研人员路媛婧说,“那几年,我们大电流开断小组成员反复进行模拟实验、画图纸、装配调试、样机试验,进行了20多轮次这样的流程,验证了上百个不同零件的组合结构。”

2018年,面对之前多次组合零件方案的失败,大电流开断的研发进入瓶颈期。召集小组成员开会时,严旭鼓励大家从头梳理每一次方案,从中找到试验失败的共性问题。大家沉下心来,重新鼓足干劲,总结失败教训,推翻了之前4年的研发通道结构,重新从匹配发电机断路器腔室合适压力的角度寻找突破口。在接下来一整年的反复试验中,科研团队终于确定了“合适的出口通道”。

在电弧产生的超高温情况下,大容量发电机断路器上的金属会被烧融产生金属微粒。这就需要用耐高温材料和金属结合来做好防护。这些耐高温材料需要绝缘材料,以保证结合后的新材料在高温下不能产生新的金属粒子。将金属和非金属紧密地结合,同时结合面还需要耐受高温不失效,这又是一项巨大的挑战。

试验期间,科研人员发现高温气体会把发电机断路器腔室内的一些金属零件烧化,严重影响了零件的强度和产品性能。于是,工艺小组开始攻关超高温的金属耐烧蚀技术难题。科研人员马冲说:“我们用了一年的时间,终于在真空环境下结合两种材料成功攻克了超高温金属耐烧蚀技术难题。”

经过反复优化改进,科研人员设计出了新型自能灭弧结构,成功解决了在数微秒时间内将电弧弧芯温度从3万摄氏度下降到4000摄氏度以下的科研难题。

推进重大装备国产化填补空白

功夫不负有心人。在新产品的试验和制造阶段,研发团队反复修改方案、完善图纸、激烈讨论,用热情和热爱为推动项目的整体进度积极作出贡献,一步步攻克了“发电机断路器的长期通流”“短路电流的开断”“耐高温新材料研发”等科研难点。

2023年7月,随着最后一档型式试验通过,190千安发电机断路器成套设备终于研制成功。同年10月,该套设备通过国家级产品鉴定,拥有了自主知识产权,填补了国内空白,综合技术性能达到了国际领先水平。

8年间,西安西电开关电气有限公司研发团队百折不挠,持续攻克技术难关,将大容量发电机断路器设备的通流能力从160千安提升到190千安,打破了大容量发电机断路器成套设备长期以来依赖进口设备的被动局面。

8年间,西安西电开关电气有限公司科研团队不断进取,在相关领域为国家建设不断贡献着陕西制造的力量。目前,该公司是国内唯一一家能够生产制造190千安大容量发电机断路器成套设备的厂家。

据介绍,190千安发电机断路器成套设备的成功研制,再次推进了我国百万千瓦级机组用重大装备的国产化,解决了“华龙一号”“AP1000”等大型核电站对大容量发电机断路器成套设备的紧迫需求,实现了我国大型核电站工程建设和运行服务自主可控的安全保障。

“别人能做到的,我们也能做到!”严旭说。

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