于春來(lái),劉 洋,朱學(xué)成,蘭公煜

(黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030)

魁北克水電研究所研究能力分析

于春來(lái),劉 洋,朱學(xué)成,蘭公煜

(黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030)

為開(kāi)展低溫電力設(shè)備研究、建立相應(yīng)的低溫環(huán)境試驗(yàn)條件,通過(guò)對(duì)魁北克水電研究所實(shí)驗(yàn)室的調(diào)研,梳理了魁北克水電研究所主要的戶外試驗(yàn)場(chǎng)和高電壓試驗(yàn)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(yàn)條件和研究能力,為未來(lái)黑龍江省低溫試驗(yàn)基地的規(guī)劃和建設(shè)提供參考。

高壓試驗(yàn);低溫;電力設(shè)備

未來(lái)高寒地區(qū)特高壓建設(shè)和“一極一道”戰(zhàn)略的實(shí)施對(duì)低溫環(huán)境下電力設(shè)備的可靠性提出了巨大挑戰(zhàn)[1]。低溫地區(qū)電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行需要依靠低溫適應(yīng)能力強(qiáng)、可靠性高的各種電力設(shè)備,因此需在較高技術(shù)水平的研究平臺(tái)上開(kāi)展有針對(duì)性的實(shí)證性研究和特定溫度下的定性、定量研究以滿足未來(lái)特高壓電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行的需要。中國(guó)在特高壓建設(shè)初期針對(duì)高海拔、直流特高壓輸電和交流特高壓輸電特異性技術(shù)的研究分別建立了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)基地[2-5]。在特高壓電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)入東北、蒙東、新疆等低溫地區(qū)之前,現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)基地的研究能力已經(jīng)無(wú)法滿足低溫地區(qū)電力發(fā)展的需要,亟待建設(shè)相應(yīng)的研究平臺(tái)。目前國(guó)內(nèi)在低溫試驗(yàn)基地的規(guī)劃、試驗(yàn)布局等方面缺乏參考依據(jù)和經(jīng)驗(yàn),有必要進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的調(diào)研和分析。

本文通過(guò)對(duì)加拿大魁北克水電研究所(Hydro-Quebec’s Research Institute,IREQ)的試驗(yàn)條件和研究能力開(kāi)展調(diào)研[6-7],為未來(lái)低溫電力研究實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供參考,對(duì)建立高水平研究平臺(tái)和高質(zhì)量完成相關(guān)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(lèi)型和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上與中國(guó)的高寒地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)和未來(lái)“一極一道”戰(zhàn)略實(shí)施具有較強(qiáng)的相似性?？笨耸≌嫉貜V闊,極北地區(qū)屬極地和副極地氣候,氣候嚴(yán)寒,省內(nèi)多數(shù)大型水利設(shè)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(qū)在南部的圣勞倫斯河地區(qū),因此,魁北克的電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出北部為電源中心,南部為負(fù)荷中心的遠(yuǎn)距離南北分離的結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。

魁北克水電研究所是一個(gè)世界級(jí)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(xué)歷和碩士學(xué)歷均達(dá)到40%,技術(shù)人員為125名。2015年預(yù)算達(dá)到1.35億美元,每年同時(shí)開(kāi)展約100個(gè)項(xiàng)目的研究開(kāi)發(fā)工作,與全球超過(guò)250個(gè)單位合作。累計(jì)已獲得1100項(xiàng)專(zhuān)利,發(fā)表了上千篇科學(xué)論文?？笨怂娧芯克哂休^完善的試驗(yàn)裝備和先進(jìn)的高電壓實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?尤其在電池材料和電力巡檢機(jī)器人方面處于世界領(lǐng)先,在高寒地區(qū)電力研究方面也具有一定的影響力。

圖1 魁北克電網(wǎng)概貌

2 魁北克水電研究所實(shí)驗(yàn)室

2.1 實(shí)驗(yàn)室概況

20上世紀(jì)60年代末,魁北克政府授權(quán)魁北克水電局建立包括高壓試驗(yàn)室在內(nèi)的水電研究所[6],以滿足北美和其他地區(qū)在電力工業(yè)方面的試驗(yàn)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(dāng)時(shí)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(lái)對(duì)遠(yuǎn)距離輸電研究的需要,高壓試驗(yàn)大廳設(shè)計(jì)的最高電壓等級(jí)達(dá)到了1500 kV。在當(dāng)時(shí)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件下建設(shè)如此高電壓等級(jí)的實(shí)驗(yàn)室極具挑戰(zhàn)性,即便以現(xiàn)今的眼光來(lái)看,特別是從目前中國(guó)特高壓試驗(yàn)的要求角度,這個(gè)試驗(yàn)大廳至今仍然能夠發(fā)揮研究作用,可見(jiàn)當(dāng)時(shí)專(zhuān)家們的遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)。雖然在剛開(kāi)始建設(shè)時(shí)投資較大,但較高的技術(shù)指標(biāo)能夠保證50年后都不過(guò)時(shí),實(shí)際上節(jié)省了大量后期重復(fù)建設(shè)的投入。

圖2 魁北克水電研究所概貌

在建設(shè)之初,魁北克水電研究所決定同時(shí)建1個(gè)戶外試驗(yàn)場(chǎng)(包括試驗(yàn)籠和試驗(yàn)線段)和2個(gè)室內(nèi)試驗(yàn)室(高壓試驗(yàn)大大廳和環(huán)境試驗(yàn)室)?？笨怂娧芯克淖畛踉O(shè)計(jì)和試驗(yàn)大廳如圖3和圖4所示[6]。

圖3 高壓試驗(yàn)設(shè)施布置圖

圖4 試驗(yàn)大廳外景

2.2 戶外試驗(yàn)場(chǎng)地

魁北克水電研究所的戶外線路測(cè)試場(chǎng)地主要用來(lái)測(cè)試高壓導(dǎo)線的電暈特性和機(jī)械特性。輸電線路導(dǎo)線電暈的戶外試驗(yàn)設(shè)施,由試驗(yàn)線段和2個(gè)試驗(yàn)籠組成。除了試驗(yàn)線段和試驗(yàn)籠可用于交流1500 kV系統(tǒng)和直流1200 kV系統(tǒng)的分裂導(dǎo)線的電暈試驗(yàn)外,針對(duì)高壓輸電線路的機(jī)械特性,該場(chǎng)地還可以進(jìn)行微風(fēng)振動(dòng)測(cè)試、導(dǎo)體舞動(dòng)測(cè)試、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)負(fù)載測(cè)試、脫冰測(cè)試、線路機(jī)械疲勞測(cè)試等內(nèi)容。針對(duì)魁北克歷史上多次冰災(zāi)引起的電力事故,研究所還利用該試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行了線路覆冰、線路舞動(dòng)、線路防振等方面的研究。

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

2.3 高壓試驗(yàn)大廳

試驗(yàn)大廳長(zhǎng)82 m、寬67 m、高50 m,電磁屏蔽能力達(dá)到50～60 dB(1MHz)。試驗(yàn)?zāi)芰δ軌蜻_(dá)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(jìn)行交流、直流混合雷電或操作沖擊、電流脈沖;無(wú)線電干擾電壓測(cè)量;電暈檢測(cè);局部放電檢測(cè);油、氣高壓檢測(cè);電容損耗角測(cè)試;溫升測(cè)試;損耗測(cè)試等試驗(yàn)內(nèi)容。

圖5 測(cè)試線路圖

圖6 測(cè)試線路外景圖

可進(jìn)行試驗(yàn)的試品包括:斷路器、電纜、線路金具、絕緣子、套管、避雷器、并聯(lián)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(shè)備、配電電纜、分裂導(dǎo)線、高壓測(cè)量和測(cè)試儀器、帶電作業(yè)工器具等,如圖7所示。

事情是這樣的，我們的記者發(fā)給戴亞倫的采訪提綱里，有一個(gè)問(wèn)題是“在職業(yè)生涯中一共嘗過(guò)多少款葡萄酒？”認(rèn)真的Darius看到這個(gè)問(wèn)題，他花了整整一個(gè)星期去思考和整理他的答案，結(jié)果最后梳理出來(lái)的數(shù)字把他自己也嚇到了：“保守估計(jì)250萬(wàn)款酒。”侍酒師職業(yè)很特殊，“在餐廳當(dāng)侍酒師時(shí)，客人點(diǎn)酒后，我們會(huì)按照程序先給客人展示酒標(biāo)，然后開(kāi)瓶。為了保證客人嘗到的酒的品質(zhì)，我們會(huì)按傳統(tǒng)先倒少量的酒進(jìn)行品嘗，沒(méi)問(wèn)題后再給客人嘗試?！彼€嚴(yán)謹(jǐn)?shù)匮a(bǔ)充，這250萬(wàn)瓶酒包含了同一款葡萄酒的不同年份。審稿時(shí)，看到這個(gè)數(shù)字，我也驚呆了，趕緊求證，但連續(xù)兩次，同事都很確定地告訴我，沒(méi)有弄錯(cuò)，的確是250萬(wàn)瓶。

圖7 高壓試驗(yàn)大廳內(nèi)景

2.4 環(huán)境實(shí)驗(yàn)室

魁北克水電研究所環(huán)境實(shí)驗(yàn)室擁有能夠模擬多種氣候類(lèi)型的試驗(yàn)裝備,環(huán)境實(shí)驗(yàn)室參數(shù)如表1所示。

能夠開(kāi)展的環(huán)境試驗(yàn)包括:低溫-高溫試驗(yàn)、熱循環(huán)試驗(yàn)、熱循環(huán)和可控濕度試驗(yàn)、熱沖擊試驗(yàn)、淋雨和凍雨環(huán)境試驗(yàn)、冰和濕度環(huán)境試驗(yàn)、加速老化試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)、特殊環(huán)境下的功率測(cè)試、浸水試驗(yàn)、太陽(yáng)輻射試驗(yàn)、模擬環(huán)境下的力學(xué)和電學(xué)試驗(yàn)等。

表1 環(huán)境實(shí)驗(yàn)室參數(shù)

3 魁北克水電研究所實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)分析

3.1 戶外試驗(yàn)場(chǎng)地

研究魁北克水電研究所的建設(shè)考量,特別是在規(guī)劃方面的思路和取舍,對(duì)于規(guī)劃高水平低溫試驗(yàn)場(chǎng)地具有較大的現(xiàn)實(shí)意義?？笨怂娧芯克谝?guī)劃高壓試驗(yàn)室時(shí),曾考慮過(guò)采用戶外試驗(yàn)場(chǎng)代替戶內(nèi)試驗(yàn)室以便減少費(fèi)用的問(wèn)題。但通過(guò)分析,戶外場(chǎng)地具有以下局限性:

1) 效率較低。戶外試驗(yàn)場(chǎng)地的起重和支撐設(shè)施不像室內(nèi)大廳完備,戶外試驗(yàn)效率比戶內(nèi)試驗(yàn)要低。

2) 受天氣影響嚴(yán)重。由于氣候條件的影響,如雨、雪、大風(fēng)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(dá)到-14.9 ℃),難以保證試驗(yàn)隨時(shí)進(jìn)行。

3) 氣候因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)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(yàn)的重現(xiàn)性受到影響,難以復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程,所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法比較,因此試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)價(jià)值較低。

4) 戶外試驗(yàn)場(chǎng)地在滿足試驗(yàn)要求的情況下,仍然需要相當(dāng)先進(jìn)的起重和支撐設(shè)備、重件運(yùn)輸所需的基礎(chǔ)、壓縮空氣、水和電力供應(yīng)等設(shè)施和滿足要求的接地系統(tǒng),實(shí)際上建設(shè)戶外試驗(yàn)驗(yàn)收?qǐng)龅氐耐度氩⒉槐冉ㄔO(shè)室內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)投入低。

未來(lái)在規(guī)劃中國(guó)低溫試驗(yàn)場(chǎng)地時(shí),戶外場(chǎng)地的建設(shè)同樣可以借鑒上述分析。戶外場(chǎng)地難以控制環(huán)境因素但是也具有兩大優(yōu)勢(shì):一方面是能夠?qū)崿F(xiàn)超大尺寸的試驗(yàn)裝置,例如架空導(dǎo)線,特別是大跨越導(dǎo)線振動(dòng)方面的研究,如此大尺寸的試驗(yàn)對(duì)象是難以在實(shí)驗(yàn)室中完成的;另一方面,自然環(huán)境的實(shí)證性研究是任何人工環(huán)境室難以替代的,因此非常有必要在與實(shí)際環(huán)境完全相同的自然環(huán)境中運(yùn)行實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)設(shè)備的有效性和可靠性。

3.2 高壓試驗(yàn)大廳

魁北克水電研究所高壓試驗(yàn)大廳在設(shè)計(jì)之初主要考慮了以下幾個(gè)方面。

3.2.1 試驗(yàn)環(huán)境控制。

試驗(yàn)的氣候條件作為一個(gè)重要因素,魁北克水電研究所設(shè)計(jì)之初就做了細(xì)致的考量。其出發(fā)點(diǎn)是:盡可能使試驗(yàn)條件接近標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài),即氣壓1013 mPa,相對(duì)濕度約65%,氣溫20 ℃或25 ℃。考慮到魁北克的氣候條件和建設(shè)成本的限制,魁北克水電研究所的高壓大廳沒(méi)有對(duì)氣壓進(jìn)行控制,但是結(jié)合自身的氣候特點(diǎn)對(duì)溫度和濕度采取了一定的措施。在設(shè)計(jì)上主要采用了以下方法:

1) 大尺度空心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。天棚、墻和底板均為空心結(jié)構(gòu),其中天棚為總厚度8 m的兩層空心結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)與體量巨大的大廳相適應(yīng),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(duì)空氣加熱,以減少空氣對(duì)流;另一部分熱源來(lái)自天棚頂安裝的200 W照明裝置。此外考慮到大廳開(kāi)門(mén)后廳內(nèi)外將有空氣交換,在靠近門(mén)口的地平面安裝了250 kW電熱器來(lái)加熱入侵的冷空氣。

3) 在夏季由于陽(yáng)光照射,外墻與屋頂變得很熱。為了防止建筑物內(nèi)部特別是兩墻之間變得過(guò)熱,安裝風(fēng)機(jī)引入室外空氣經(jīng)兩墻之間或兩層天花板之間循環(huán)，雖然不能完全控制大廳內(nèi)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(nèi)的溫度只隨戶外氣溫晝夜平均值變化,而不是隨時(shí)間發(fā)生很大的變化。

4)對(duì)于濕度的控制,高壓試驗(yàn)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(jìn)入大廳,導(dǎo)致大廳內(nèi)濕度突然增加。在冬季通過(guò)加濕方法對(duì)干燥的空氣進(jìn)行加溫以達(dá)到試驗(yàn)要求的濕度。

3.2.2 空間規(guī)劃

魁北克水電研究所考慮到很多試驗(yàn)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(gè)獨(dú)立的較小試區(qū),并各有它自己的控制室。試驗(yàn)廳內(nèi)有4個(gè)控制室,第4個(gè)控制室供戶外試驗(yàn)場(chǎng)用。戶外試驗(yàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)16.7 m×25 m(高)的滑門(mén)和大廳相連通。

輔助廳的內(nèi)部尺寸為72 m×62 m×9.3 m(高)。輔助廳中央的主要部分用來(lái)安裝被試品,也可用于大型電力變壓器的例行試驗(yàn)。廳的一側(cè)是污穢試驗(yàn)室,另一個(gè)未作規(guī)定的試品區(qū)。輔助廳中間在變壓器試驗(yàn)區(qū)上空有一個(gè)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(lái)三相電源。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備運(yùn)輸

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部有氣墊轉(zhuǎn)運(yùn)臺(tái)和天車(chē)用于設(shè)備的內(nèi)部轉(zhuǎn)運(yùn)。外部通過(guò)鐵路和公路進(jìn)行設(shè)備的運(yùn)輸,特別是鐵路能夠便捷地運(yùn)輸設(shè)備。外部不遠(yuǎn)處就是某變壓器生產(chǎn)廠,該廠生產(chǎn)的變壓器可以便捷地運(yùn)至魁北克水電研究所進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)?？笨朔奖愕耐獠窟\(yùn)輸條件,能夠大大提高實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行效率,這一點(diǎn)特別值得借鑒。

3.3 環(huán)境實(shí)驗(yàn)室

擁有多個(gè)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室,能夠滿足大型變壓器到小型設(shè)備的環(huán)境試驗(yàn)。其中大型氣候?qū)嶒?yàn)室用于大型變壓器等大體積設(shè)備的機(jī)械、密封和電學(xué)方面的試驗(yàn),試驗(yàn)環(huán)境基本與運(yùn)行環(huán)境相當(dāng),但由于實(shí)驗(yàn)室體積的限制,難以實(shí)現(xiàn)帶電測(cè)試。小型實(shí)驗(yàn)室由于制冷和加熱相對(duì)容易,溫度范圍較寬,能夠滿足小型設(shè)備和部件等對(duì)溫度試驗(yàn)的要求,試驗(yàn)溫度控制范圍大,因此能夠從更廣域的范圍進(jìn)行研究。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的體積、溫度范圍和其他實(shí)驗(yàn)條件各有側(cè)重,形成了一整套較完備的試驗(yàn)條件。

3.4 實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行

魁北克水電研究所對(duì)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)采用開(kāi)放的運(yùn)行方式,與多個(gè)研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展合作并推進(jìn)了上百項(xiàng)科研項(xiàng)目的開(kāi)展。魁北克水電研究所的合作方式多樣,包括伙伴研發(fā)、許可授權(quán)等多種形式,并且大量吸納外部研究人員參與研究。實(shí)驗(yàn)室積極進(jìn)行開(kāi)放工作模式,例如高壓試驗(yàn)大廳就是一個(gè)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,可以為魁北克水電公司之外的研究機(jī)構(gòu)提供高水平的試驗(yàn)服務(wù),充分提高實(shí)驗(yàn)室的利用率。

4 結(jié) 語(yǔ)

魁北克水電研究所在實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)和建設(shè)上非常超前,各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)針對(duì)性極強(qiáng),特別是在大廳的保溫設(shè)計(jì)、溫濕度控制措施和試驗(yàn)室運(yùn)行等方面進(jìn)行了深入的考慮并取得了較好的建設(shè)成果,反映了較高的技術(shù)水平。

實(shí)驗(yàn)研究能力建設(shè)方面有比較健全的試驗(yàn)檢測(cè)能力(如高壓試驗(yàn)大廳、人工環(huán)境低溫試驗(yàn)室、輸配電試驗(yàn)線路等)?？笨怂娧芯克谠囼?yàn)室設(shè)計(jì)和建設(shè)上充分考慮未來(lái)技術(shù)的發(fā)展需求,具有較高的前瞻性和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃合理,試驗(yàn)設(shè)備比較完備,滿足主要設(shè)備檢測(cè)的需要,值得借鑒。

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(責(zé)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(lái)(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