基于漠河輸變電設(shè)備低溫戶外試驗場的電力設(shè)備低溫研究

孫 晨，秦 軍，魏春明，吳明君，郭 蘊(yùn)

(黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

高寒地帶的低溫環(huán)境對輸變電設(shè)備的安全運(yùn)行以及電網(wǎng)的可靠性有很大影響，造成了設(shè)備性能顯著劣化，增加了運(yùn)維成本和維護(hù)難度［1－4］。目前，對低溫條件下各種材料和結(jié)構(gòu)的電氣特性和機(jī)械特性的特征、退化規(guī)律缺乏較系統(tǒng)的試驗研究，難以建立相應(yīng)的評判標(biāo)試驗準(zhǔn)、設(shè)備低溫性能指標(biāo)和國家標(biāo)準(zhǔn)，為了評價低溫下輸變電設(shè)備狀態(tài)，本文結(jié)合龍江地域特點，建立高緯度地區(qū)低溫環(huán)境下輸變電設(shè)備試驗體系，研究在真實環(huán)境下電力設(shè)備低溫運(yùn)行的規(guī)律和特點，以保證電力設(shè)備在寒冷地區(qū)能安全可靠運(yùn)行。

1 電力設(shè)備低溫失效機(jī)理及試驗規(guī)劃

1．1 電力設(shè)備低溫失效機(jī)理

為了確定低溫研究的內(nèi)容，需要確定和梳理低溫條件下電力設(shè)備存在的問題及影響機(jī)理。低溫下電力設(shè)備故障有多種表現(xiàn)形式，如暴風(fēng)雪引起的電塔倒塌;高壓斷路器操作機(jī)構(gòu)拒動;斷路器SF6壓力下降，斷路器閉鎖，甚至退出運(yùn)行［1，3，5］;斷路器操作機(jī)構(gòu)和繼電保護(hù)不能正確動作;隔離開關(guān)不能正常分合;設(shè)備外絕緣的純瓷和合成材料變形開裂;導(dǎo)線，金具等金屬材料發(fā)生斷股、斷裂等。

低溫對電力設(shè)備的主要損害表現(xiàn)在電氣性能損害和機(jī)械性能損害兩方面。電氣性能損害為絕緣性能［6］、開關(guān)的開斷能力、滅弧能力、動作可靠性等方面的故障。機(jī)械性能損傷為機(jī)械強(qiáng)度、形變、機(jī)械動作特性等方面的損害。其中，低溫條件下SF6設(shè)備性能的劣化較為顯著，在實際運(yùn)行中多次發(fā)生斷路器低溫報警、壓力報警、斷路器閉鎖情況［1，3，5］。這是由于 SF6氣體在低溫和加壓情況下發(fā)生液化，液化后SF6設(shè)備絕緣、滅弧能力降低，進(jìn)而導(dǎo)致報警甚至閉鎖和退出運(yùn)行。此外，低溫還會造成油品的粘滯和凝固，造成油冷卻變壓器、套管、斷路器的操作機(jī)構(gòu)等用油設(shè)備的異常動作和指標(biāo)降低;低溫還會造成金屬材料機(jī)械性能的改變，對液壓系統(tǒng)和彈簧系統(tǒng)、輸變電設(shè)備中采用的金屬元件、導(dǎo)線等均會產(chǎn)生不同程度的影響。復(fù)合絕緣子等中的絕緣材料常年處于低溫條件下，所以會造成橡膠等合成材料性狀變化，造成絕緣能力和電氣性能下降、氣體泄露等情況的發(fā)生。

1．2 試驗規(guī)劃

根據(jù)低溫對電力設(shè)備的影響機(jī)理，確定了本試驗場地主要的研究內(nèi)容有:

1)電氣性能低溫特性研究。包括SF6斷路器、隔離開關(guān)、絕緣子、電容型設(shè)備低溫條件下的通斷性能、介質(zhì)損耗特性、工頻耐壓等。

2)機(jī)械性能低溫特性研究。包括金具的拉力、扭力等常溫、低溫對比試驗;線路低溫弧垂特性;斷路器通斷速度等。

3)SF6氣體低溫特性研究。主要包括低溫液化和低溫泄露兩方面。

根據(jù)當(dāng)前電力系統(tǒng)低溫運(yùn)行的特點和需求，從工程、環(huán)保、資源利用最大化等各方面綜合考慮，“高緯度地區(qū)低溫條件下輸變電設(shè)備運(yùn)行技術(shù)的試驗研究”科研項目，試驗?zāi)繕?biāo)確立為電壓等級滿足開展500 kV及以下電壓試驗的需要，試驗裝置滿足氣體絕緣金屬封閉組合電器(GIS)、斷路器、隔離開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、瓷質(zhì)絕緣子、合成絕緣子、金具、導(dǎo)線和地網(wǎng)的電氣性能以及機(jī)械性能試驗;分析能力滿足絕緣介質(zhì)(包括礦物油、SF6、SF6混合氣體、SF6分解物、油紙結(jié)構(gòu)、固體絕緣物)化學(xué)分析等各專業(yè)系統(tǒng)化科學(xué)試驗的需要，最終使試驗體系具備系統(tǒng)試驗和綜合分析的能力。

2 試驗設(shè)計

2．1 電氣布置

試驗場地呈“7”字形，如圖1所示。試驗區(qū)布置2組寬11 m、高20 m及1組寬28 m、高20 m鋼構(gòu)架，構(gòu)架安裝800 kV“V”型絕緣子串，每個“V”型絕緣子串均采用卷揚(yáng)機(jī)控制升降，以便被試設(shè)備連接。導(dǎo)體采用無暈導(dǎo)線。試驗設(shè)備布置1套800 kV工頻諧振耐壓試驗裝置。固定被試設(shè)備安裝1臺220 kV隔離開關(guān)(三相)、1臺220 kV SF6斷路器(三相)、1臺220 kV SF6罐式斷路器(單相)。

2．2 電氣測量系統(tǒng)

試驗研究工作的時間均在冬季，氣溫大多數(shù)在－30℃以下。為了便于試驗，電氣測量系統(tǒng)采取移動車載集成方式，優(yōu)勢在于將必要的戶外進(jìn)行試驗的儀器設(shè)備安置于機(jī)動車中，使試驗儀器保持較好的工作環(huán)境，保證測量精度和準(zhǔn)確性。其次，通過集中接口與被試品連接，方便試驗研究的順利開展。根據(jù)高緯度低溫地區(qū)的環(huán)境特點，制定了操作控制車本體、車輛改裝結(jié)構(gòu)、車載試驗儀器設(shè)備集控操作、性能指標(biāo)以及相關(guān)輔助系統(tǒng)和操控軟件等方面的技術(shù)要求與設(shè)計。

2．3 防雷和接地

鋼構(gòu)架安裝1組30 m避雷針，與原變電所避雷針配合作為試驗區(qū)域的直擊雷保護(hù)。

為保護(hù)試驗區(qū)域內(nèi)設(shè)備及人身安全，特別是冬季凍土條件下接地安全，變電所內(nèi)敷設(shè)以水平接地體為主，輔以垂直接地極的人工接地網(wǎng)。復(fù)合工頻接地電阻符合均小于1 Ω的要求。

3 試驗項目及結(jié)果

3．1 該試驗場主要開展的試驗項目

1)低溫環(huán)境下輸變電設(shè)備電氣性能試驗?zāi)芰Φ捏w系建設(shè)。

2)SF6斷路器、隔離開關(guān)在低溫環(huán)境下的電氣性能和機(jī)械性能的試驗研究。

3)瓷式絕緣子、合成絕緣子在低溫環(huán)境下的電氣性能和機(jī)械性能的試驗研究。

4)電容型設(shè)備在低溫環(huán)境下的電氣性能和機(jī)械性能的試驗試驗研究。

5)導(dǎo)線、金具等輸變電設(shè)備在低溫環(huán)境下的電氣性能和機(jī)械性能的試驗試驗研究。

3．2 試驗結(jié)果

1)在低溫條件下，完成了SF6斷路器操作機(jī)構(gòu)分合速度和同期性的情況和性能試驗及交流工頻耐壓電氣試驗等有關(guān)電氣性能參數(shù)試驗。

2)SF6氣體低溫特性研究方面，首次獲得在高緯度地區(qū)低溫環(huán)境下的SF6壓力、溫度和密度的試驗數(shù)據(jù)并形成新的SF6氣體狀態(tài)分析經(jīng)驗公式，為低溫條件下SF6設(shè)備安全運(yùn)行和制定相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供了科學(xué)依據(jù)。

3)針對在低溫下運(yùn)行的SF6電氣設(shè)備的密封和泄漏問題，在低溫條件下SF6斷路器密封部位，通過采用激光成像試驗等方法進(jìn)行了局部泄漏和整體密封性能規(guī)律的試驗研究。

4)完成了低溫環(huán)境下導(dǎo)線弧垂變化以及線路金具機(jī)械性能的試驗研究，得到了低溫情況下弧垂和金具機(jī)械性能的影響和變化趨勢。

4 結(jié)語

黑龍江省電網(wǎng)漠河輸變電設(shè)備低溫戶外試驗場首次實現(xiàn)了在中國緯度最高地區(qū)進(jìn)行輸變電設(shè)備低溫條件下的試驗研究，形成了一套對輸變電設(shè)備低溫條件下電氣性能的試驗體系，能夠評價低溫下輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提供有關(guān)電氣性能參數(shù)，制定相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。未來，隨著更多試驗項目的開展和試驗功能的完善，該試驗場地將會對國家電網(wǎng)的生產(chǎn)、運(yùn)行和科研等方面提供更有利的參考作用。

［1］何勇，張渺．SF6斷路器低溫運(yùn)行氣體壓力報警及閉鎖頻繁動作原因分析及解決方案［J］．內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2008，26(4):87-88．HE Yong，ZHANG Miao．Cause analysis and its solution to SF6Breaker low temperature gas pressure alarm and frequent actuation［J］．Inner Mongolia Electric Power，2008，26(4):87-88．

［2］吳國宏．電力金具凍裂原因分析及預(yù)防措施［J］．電力建設(shè)，2007，28(2):73-75．WU Guohong．Cause analysis and preventive measures of line hardware frost crack［J］．Electric Power Construction，2007，28(2):73-75．

［3］王永光．SF6斷路器運(yùn)行中氣體低溫液化解決方案［J］．內(nèi)蒙古電力科技，2009，27(4):35-37．WANG Yongguang．Solution to gas low-temperature liquefaction in operation of SF6circuit breakers［J］．Inner Mongolia Electric Power，2009，27(4):35-37．

［4］凌利，王鵬，吳光臣．高寒地區(qū)耐張串采用復(fù)合絕緣子的應(yīng)用研究［J］．吉林電力，2013，41(2):1-3．LING Li，WANG Peng，WU Guangchen．Research and application of composite insulator in tension string in high cold region transmission line project［J］．Jilin Electric Power，2013，41(2):1-3．

［5］黃濤，蔣電波，閆浩．提高SF6斷路器低溫工況下開斷電流的研究［J］．吉林電力，2006，34(1):8-10．HUANG Tao，JIANG Dianbo，YAN Hao．Research on enhancing the interrupting current of SF6breaker under low-temperature operation［J］．Jilin Electric Power，2006，34(1):8-10．

［6］李娜，曹曉瓏．絕緣材料在低溫下的電阻特性測試［J］．絕緣材料，2003(1):39-41．LI Na，CAO Xiaolong，Resistance property measurement of insulating materials at cryogenic temperature［J］．Insulating Materials，2003(1):39-41．