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(duì)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(duì)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(yàn)研究，難以建立相應(yīng)的評(píng)判標(biāo)試驗(yàn)準(zhǔn)、設(shè)備低溫性能指標(biāo)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，為了評(píng)價(jià)低溫下輸變電設(shè)備狀態(tài)，本文結(jié)合龍江地域特點(diǎn)，建立高緯度地區(qū)低溫環(huán)境下輸變電設(shè)備試驗(yàn)體系，研究在真實(shí)環(huán)境下電力設(shè)備低溫運(yùn)行的規(guī)律和特點(diǎn)，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(yàn)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(wèn)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(dòng);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(dòng)作;隔離開(kāi)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(kāi)裂;導(dǎo)線，金具等金屬材料發(fā)生斷股、斷裂等。

低溫對(duì)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(kāi)關(guān)的開(kāi)斷能力、滅弧能力、動(dòng)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(dòng)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(shí)際運(yùn)行中多次發(fā)生斷路器低溫報(bào)警、壓力報(bào)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(bào)警甚至閉鎖和退出運(yùn)行。此外，低溫還會(huì)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(dòng)作和指標(biāo)降低;低溫還會(huì)造成金屬材料機(jī)械性能的改變，對(duì)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(huì)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(huì)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(yàn)規(guī)劃

根據(jù)低溫對(duì)電力設(shè)備的影響機(jī)理，確定了本試驗(yàn)場(chǎng)地主要的研究?jī)?nèi)容有:

1)電氣性能低溫特性研究。包括SF6斷路器、隔離開(kāi)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(duì)比試驗(yàn);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(diǎn)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(yàn)研究”科研項(xiàng)目，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)確立為電壓等級(jí)滿足開(kāi)展500 kV及以下電壓試驗(yàn)的需要，試驗(yàn)裝置滿足氣體絕緣金屬封閉組合電器(GIS)、斷路器、隔離開(kāi)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(yàn);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(yàn)的需要，最終使試驗(yàn)體系具備系統(tǒng)試驗(yàn)和綜合分析的能力。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2．1 電氣布置

試驗(yàn)場(chǎng)地呈“7”字形，如圖1所示。試驗(yàn)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(gè)“V”型絕緣子串均采用卷?yè)P(yáng)機(jī)控制升降，以便被試設(shè)備連接。導(dǎo)體采用無(wú)暈導(dǎo)線。試驗(yàn)設(shè)備布置1套800 kV工頻諧振耐壓試驗(yàn)裝置。固定被試設(shè)備安裝1臺(tái)220 kV隔離開(kāi)關(guān)(三相)、1臺(tái)220 kV SF6斷路器(三相)、1臺(tái)220 kV SF6罐式斷路器(單相)。

2．2 電氣測(cè)量系統(tǒng)

試驗(yàn)研究工作的時(shí)間均在冬季，氣溫大多數(shù)在－30℃以下。為了便于試驗(yàn)，電氣測(cè)量系統(tǒng)采取移動(dòng)車載集成方式，優(yōu)勢(shì)在于將必要的戶外進(jìn)行試驗(yàn)的儀器設(shè)備安置于機(jī)動(dòng)車中，使試驗(yàn)儀器保持較好的工作環(huán)境，保證測(cè)量精度和準(zhǔn)確性。其次，通過(guò)集中接口與被試品連接，方便試驗(yàn)研究的順利開(kāi)展。根據(jù)高緯度低溫地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，制定了操作控制車本體、車輛改裝結(jié)構(gòu)、車載試驗(yàn)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(jì)。

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(yàn)區(qū)域的直擊雷保護(hù)。

為保護(hù)試驗(yàn)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(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果

3．1 該試驗(yàn)場(chǎng)主要開(kāi)展的試驗(yàn)項(xiàng)目

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

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

3．2 試驗(yàn)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(yàn)及交流工頻耐壓電氣試驗(yàn)等有關(guān)電氣性能參數(shù)試驗(yàn)。

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(yàn)數(shù)據(jù)并形成新的SF6氣體狀態(tài)分析經(jīng)驗(yàn)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(duì)在低溫下運(yùn)行的SF6電氣設(shè)備的密封和泄漏問(wèn)題，在低溫條件下SF6斷路器密封部位，通過(guò)采用激光成像試驗(yàn)等方法進(jìn)行了局部泄漏和整體密封性能規(guī)律的試驗(yàn)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(yàn)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(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

黑龍江省電網(wǎng)漠河輸變電設(shè)備低溫戶外試驗(yàn)場(chǎng)首次實(shí)現(xiàn)了在中國(guó)緯度最高地區(qū)進(jìn)行輸變電設(shè)備低溫條件下的試驗(yàn)研究，形成了一套對(duì)輸變電設(shè)備低溫條件下電氣性能的試驗(yàn)體系，能夠評(píng)價(jià)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(lái)，隨著更多試驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)展和試驗(yàn)功能的完善，該試驗(yàn)場(chǎng)地將會(huì)對(duì)國(guó)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(bào)警及閉鎖頻繁動(dòng)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(guó)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(kāi)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(cè)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．