魁北克水電研究所研究能力分析

于春來,劉 洋,朱學成,蘭公煜

(黑龍江省電力科學研究院,哈爾濱 150030)

魁北克水電研究所研究能力分析

于春來,劉 洋,朱學成,蘭公煜

(黑龍江省電力科學研究院,哈爾濱 150030)

為開展低溫電力設備研究、建立相應的低溫環境試驗條件,通過對魁北克水電研究所實驗室的調研,梳理了魁北克水電研究所主要的戶外試驗場和高電壓試驗室布置概況,分析了魁北克水電研究所在低溫研究方面的試驗條件和研究能力,為未來黑龍江省低溫試驗基地的規劃和建設提供參考。

高壓試驗;低溫;電力設備

未來高寒地區特高壓建設和“一極一道”戰略的實施對低溫環境下電力設備的可靠性提出了巨大挑戰[1]。低溫地區電力系統的可靠運行需要依靠低溫適應能力強、可靠性高的各種電力設備,因此需在較高技術水平的研究平臺上開展有針對性的實證性研究和特定溫度下的定性、定量研究以滿足未來特高壓電網建設和運行的需要。中國在特高壓建設初期針對高海拔、直流特高壓輸電和交流特高壓輸電特異性技術的研究分別建立了相關的實驗基地[2-5]。在特高壓電網建設進入東北、蒙東、新疆等低溫地區之前,現有實驗基地的研究能力已經無法滿足低溫地區電力發展的需要,亟待建設相應的研究平臺。目前國內在低溫試驗基地的規劃、試驗布局等方面缺乏參考依據和經驗,有必要進行相關內容的調研和分析。

本文通過對加拿大魁北克水電研究所(Hydro-Quebec’s Research Institute,IREQ)的試驗條件和研究能力開展調研[6-7],為未來低溫電力研究實驗室建設提供參考,對建立高水平研究平臺和高質量完成相關研究具有借鑒意義。

1 魁北克水電研究所概況

加拿大魁北克省在氣候類型和電網結構上與中國的高寒地區電網建設和未來“一極一道”戰略實施具有較強的相似性。魁北克省占地廣闊,極北地區屬極地和副極地氣候,氣候嚴寒,省內多數大型水利設施位于北部的拉格朗德河(La Grande River)等大型河流上。人口稠密地區在南部的圣勞倫斯河地區,因此,魁北克的電力系統呈現出北部為電源中心,南部為負荷中心的遠距離南北分離的結構(如圖1所示)。

魁北克水電研究所是一個世界級的研究中心,2013年共有526名雇員,其中267名研究人員,研究人員中博士學歷和碩士學歷均達到40%,技術人員為125名。2015年預算達到1.35億美元,每年同時開展約100個項目的研究開發工作,與全球超過250個單位合作。累計已獲得1100項專利,發表了上千篇科學論文。魁北克水電研究所具有較完善的試驗裝備和先進的高電壓實驗能力,尤其在電池材料和電力巡檢機器人方面處于世界領先,在高寒地區電力研究方面也具有一定的影響力。

圖1 魁北克電網概貌

2 魁北克水電研究所實驗室

2.1 實驗室概況

20上世紀60年代末,魁北克政府授權魁北克水電局建立包括高壓試驗室在內的水電研究所[6],以滿足北美和其他地區在電力工業方面的試驗和研究的需要。魁北克水電研究所概貌如圖2所示。雖然在當時超高壓輸電剛剛起步(1965年加拿大首先建成735 kV超高壓輸電線路),但考慮到將來對遠距離輸電研究的需要,高壓試驗大廳設計的最高電壓等級達到了1500 kV。在當時的技術和經濟條件下建設如此高電壓等級的實驗室極具挑戰性,即便以現今的眼光來看,特別是從目前中國特高壓試驗的要求角度,這個試驗大廳至今仍然能夠發揮研究作用,可見當時專家們的遠見卓識。雖然在剛開始建設時投資較大,但較高的技術指標能夠保證50年后都不過時,實際上節省了大量后期重復建設的投入。

圖2 魁北克水電研究所概貌

在建設之初,魁北克水電研究所決定同時建1個戶外試驗場(包括試驗籠和試驗線段)和2個室內試驗室(高壓試驗大大廳和環境試驗室)。魁北克水電研究所的最初設計和試驗大廳如圖3和圖4所示[6]。

圖3 高壓試驗設施布置圖

圖4 試驗大廳外景

2.2 戶外試驗場地

魁北克水電研究所的戶外線路測試場地主要用來測試高壓導線的電暈特性和機械特性。輸電線路導線電暈的戶外試驗設施,由試驗線段和2個試驗籠組成。除了試驗線段和試驗籠可用于交流1500 kV系統和直流1200 kV系統的分裂導線的電暈試驗外,針對高壓輸電線路的機械特性,該場地還可以進行微風振動測試、導體舞動測試、動態和靜態負載測試、脫冰測試、線路機械疲勞測試等內容。針對魁北克歷史上多次冰災引起的電力事故,研究所還利用該試驗場地進行了線路覆冰、線路舞動、線路防振等方面的研究。

試驗場地的每基終端塔的橫擔都是可移動的,能在不同的高度上固定下來,使導線的呼高從18.3 m變到26 m,每調整一次的距離為1.5 m。此外,在橫擔上布置有多個導線懸掛點,可以變化分裂導線之間的距離,從12 m變到23 m,每次調整也是1.5 m。試驗線段是長300 m左右的一檔線,在2個終端塔之間可以懸掛1組或2組分裂導線,分別用于研究交流單相試驗(直流單極性)或直流雙極性試驗。測試線路圖和測試線路外景圖如圖5和圖6所示。

2.3 高壓試驗大廳

試驗大廳長82 m、寬67 m、高50 m,電磁屏蔽能力達到50～60 dB(1MHz)。試驗能力能夠達到交流電壓最大1 800 kV或直流電壓最大1200 kV 、全波或截波雷電脈沖(最大5 400 kV)、操作沖擊(2 700 kV)。此外還能進行交流、直流混合雷電或操作沖擊、電流脈沖;無線電干擾電壓測量;電暈檢測;局部放電檢測;油、氣高壓檢測;電容損耗角測試;溫升測試;損耗測試等試驗內容。

圖5 測試線路圖

圖6 測試線路外景圖

可進行試驗的試品包括:斷路器、電纜、線路金具、絕緣子、套管、避雷器、并聯電抗器、空心或鐵芯電抗器、互感器(電流互感器及電壓互感器)、電力變壓器、消弧線圈、氣體間隙設備、配電電纜、分裂導線、高壓測量和測試儀器、帶電作業工器具等,如圖7所示。

事情是這樣的，我們的記者發給戴亞倫的采訪提綱里，有一個問題是“在職業生涯中一共嘗過多少款葡萄酒？”認真的Darius看到這個問題，他花了整整一個星期去思考和整理他的答案，結果最后梳理出來的數字把他自己也嚇到了：“保守估計250萬款酒。”侍酒師職業很特殊，“在餐廳當侍酒師時，客人點酒后，我們會按照程序先給客人展示酒標，然后開瓶。為了保證客人嘗到的酒的品質，我們會按傳統先倒少量的酒進行品嘗，沒問題后再給客人嘗試。”他還嚴謹地補充，這250萬瓶酒包含了同一款葡萄酒的不同年份。審稿時，看到這個數字，我也驚呆了，趕緊求證，但連續兩次，同事都很確定地告訴我，沒有弄錯，的確是250萬瓶。

圖7 高壓試驗大廳內景

2.4 環境實驗室

魁北克水電研究所環境實驗室擁有能夠模擬多種氣候類型的試驗裝備,環境實驗室參數如表1所示。

能夠開展的環境試驗包括:低溫-高溫試驗、熱循環試驗、熱循環和可控濕度試驗、熱沖擊試驗、淋雨和凍雨環境試驗、冰和濕度環境試驗、加速老化試驗、鹽霧試驗、力學環境試驗、特殊環境下的功率測試、浸水試驗、太陽輻射試驗、模擬環境下的力學和電學試驗等。

表1 環境實驗室參數

3 魁北克水電研究所實驗室特點分析

3.1 戶外試驗場地

研究魁北克水電研究所的建設考量,特別是在規劃方面的思路和取舍,對于規劃高水平低溫試驗場地具有較大的現實意義。魁北克水電研究所在規劃高壓試驗室時,曾考慮過采用戶外試驗場代替戶內試驗室以便減少費用的問題。但通過分析,戶外場地具有以下局限性:

1) 效率較低。戶外試驗場地的起重和支撐設施不像室內大廳完備,戶外試驗效率比戶內試驗要低。

2) 受天氣影響嚴重。由于氣候條件的影響,如雨、雪、大風等(例如蒙特利爾的一月中日平均氣溫為-10.4 ℃,平均最低溫度達到-14.9 ℃),難以保證試驗隨時進行。

3) 氣候因素對試驗結果影響大。由于氣候條件引起的變化不可控制,使外絕緣試驗的重現性受到影響,難以復現試驗過程,所得到的試驗數據無法比較,因此試驗得到的數據價值較低。

4) 戶外試驗場地在滿足試驗要求的情況下,仍然需要相當先進的起重和支撐設備、重件運輸所需的基礎、壓縮空氣、水和電力供應等設施和滿足要求的接地系統,實際上建設戶外試驗驗收場地的投入并不比建設室內試驗場投入低。

未來在規劃中國低溫試驗場地時,戶外場地的建設同樣可以借鑒上述分析。戶外場地難以控制環境因素但是也具有兩大優勢:一方面是能夠實現超大尺寸的試驗裝置,例如架空導線,特別是大跨越導線振動方面的研究,如此大尺寸的試驗對象是難以在實驗室中完成的;另一方面,自然環境的實證性研究是任何人工環境室難以替代的,因此非常有必要在與實際環境完全相同的自然環境中運行實驗以檢驗設備的有效性和可靠性。

3.2 高壓試驗大廳

魁北克水電研究所高壓試驗大廳在設計之初主要考慮了以下幾個方面。

3.2.1 試驗環境控制。

試驗的氣候條件作為一個重要因素,魁北克水電研究所設計之初就做了細致的考量。其出發點是:盡可能使試驗條件接近標準狀態,即氣壓1013 mPa,相對濕度約65%,氣溫20 ℃或25 ℃。考慮到魁北克的氣候條件和建設成本的限制,魁北克水電研究所的高壓大廳沒有對氣壓進行控制,但是結合自身的氣候特點對溫度和濕度采取了一定的措施。在設計上主要采用了以下方法:

1) 大尺度空心結構設計。天棚、墻和底板均為空心結構,其中天棚為總厚度8 m的兩層空心結構,墻的空心夾層為3.65 m,在墻和天棚外層還分別安裝了300 mm的絕熱材料層。底板下為深2 m的地下室。大尺寸的空心結構與體量巨大的大廳相適應,最大限度隔絕外部氣候的影響[7]。

2) 冬季溫度控制。主要依靠大廳夾墻里裝有的500 W電熱器分七層對空氣加熱,以減少空氣對流;另一部分熱源來自天棚頂安裝的200 W照明裝置。此外考慮到大廳開門后廳內外將有空氣交換,在靠近門口的地平面安裝了250 kW電熱器來加熱入侵的冷空氣。

3) 在夏季由于陽光照射,外墻與屋頂變得很熱。為了防止建筑物內部特別是兩墻之間變得過熱,安裝風機引入室外空氣經兩墻之間或兩層天花板之間循環，雖然不能完全控制大廳內部的溫度,但是能夠最大限度減弱外部天氣的影響。這樣在夏天大廳內的溫度只隨戶外氣溫晝夜平均值變化,而不是隨時間發生很大的變化。

4)對于濕度的控制,高壓試驗大廳的天棚、墻均采用塑料夾層隔絕大廳和外部的水汽交換,夏季可以避免水汽進入大廳,導致大廳內濕度突然增加。在冬季通過加濕方法對干燥的空氣進行加溫以達到試驗要求的濕度。

3.2.2 空間規劃

魁北克水電研究所考慮到很多試驗并不需要大廳的全部空間,所以用非永久性的柵欄把大廳分成3個獨立的較小試區,并各有它自己的控制室。試驗廳內有4個控制室,第4個控制室供戶外試驗場用。戶外試驗場經過16.7 m×25 m(高)的滑門和大廳相連通。

輔助廳的內部尺寸為72 m×62 m×9.3 m(高)。輔助廳中央的主要部分用來安裝被試品,也可用于大型電力變壓器的例行試驗。廳的一側是污穢試驗室,另一個未作規定的試品區。輔助廳中間在變壓器試驗區上空有一個附加高度為10 m的箱形空間,這里安裝3只高壓套管,從外面引來三相電源。

3.2.3 實驗室設備運輸

實驗室內部有氣墊轉運臺和天車用于設備的內部轉運。外部通過鐵路和公路進行設備的運輸,特別是鐵路能夠便捷地運輸設備。外部不遠處就是某變壓器生產廠,該廠生產的變壓器可以便捷地運至魁北克水電研究所進行相關的試驗。魁北克方便的外部運輸條件,能夠大大提高實驗室的運行效率,這一點特別值得借鑒。

3.3 環境實驗室

擁有多個環境實驗室,能夠滿足大型變壓器到小型設備的環境試驗。其中大型氣候實驗室用于大型變壓器等大體積設備的機械、密封和電學方面的試驗,試驗環境基本與運行環境相當,但由于實驗室體積的限制,難以實現帶電測試。小型實驗室由于制冷和加熱相對容易,溫度范圍較寬,能夠滿足小型設備和部件等對溫度試驗的要求,試驗溫度控制范圍大,因此能夠從更廣域的范圍進行研究。每個實驗室的體積、溫度范圍和其他實驗條件各有側重,形成了一整套較完備的試驗條件。

3.4 實驗室運行

魁北克水電研究所對實驗室運營采用開放的運行方式,與多個研究機構開展合作并推進了上百項科研項目的開展。魁北克水電研究所的合作方式多樣,包括伙伴研發、許可授權等多種形式,并且大量吸納外部研究人員參與研究。實驗室積極進行開放工作模式,例如高壓試驗大廳就是一個開放實驗室,可以為魁北克水電公司之外的研究機構提供高水平的試驗服務,充分提高實驗室的利用率。

4 結 語

魁北克水電研究所在實驗室的設計和建設上非常超前,各項設計指標針對性極強,特別是在大廳的保溫設計、溫濕度控制措施和試驗室運行等方面進行了深入的考慮并取得了較好的建設成果,反映了較高的技術水平。

實驗研究能力建設方面有比較健全的試驗檢測能力(如高壓試驗大廳、人工環境低溫試驗室、輸配電試驗線路等)。魁北克水電研究所在試驗室設計和建設上充分考慮未來技術的發展需求,具有較高的前瞻性和設計標準。實驗室規劃合理,試驗設備比較完備,滿足主要設備檢測的需要,值得借鑒。

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(責任編輯 王小唯)

Overview of experimental ability of IREQ

YU Chunlai,LIU Yang,ZHU Xuecheng,LAN Gongyu

(Heilongjiang Electric Power Research Institute,Harbin 150030,China)

In order to carry out the Research of power equipment at low temperature,the corresponding low temperature environmental test conditions should be set up.through the analysis of the laboratory of IREQ,this paper introduces the high voltage laboratory of IREQ,the experiment and research ability of low temperature are summarized,which provides reference for planning and construction of low temperature test base in Heilongjiang Province in the future.

high voltage lab; low temperature; power equipment

2016-10-12。

于春來(1981—)，男，工程師，從事電力電子與高電壓科研。

G322.24

B

2095-6843(2016)06-0505-05