（电气工程专业论文）海上平台高压开关装置的研究.pdf

海上平台高压开关柜装置的研究 摘要 随着滩海油用开发规模不断扩大，平台用电负荷急剧增加，供电电压等级 也从低压提高到3 5 k v 等级，但目前国内尚无专用于海上平台环境的3 5 k v 高 压开关装置，因此，加快研究适合海上平台环境的3 5 k v 高压开关装置满足滩 海油田开发的要求是摆在我们面前的项重要课题。 课题重点研究了海上平台环境对高压电气设备的影响，包括： a 大气盐雾和凝露对带电体空气间隙影响： b 污秽环境中绝缘体材料爬电距离及防霉菌的研究： c 高压开关柜结构及性能的研究设计； d 高压开关装置材料防腐，电气设备元器件筛选及“三防”、抗冲击、抗振 动性能研究。 海上高压电气设备的开发研制成功，填补了国内在该领域的一项空白，为 国家节省了大量的外汇，将会产生很大的经济效益和社会效益。 关键词：海上平台高压开关装置经济效益 s t u d y o f h i g hv o l t a g es w i t c h g e a r f o ro f f s h o r ep l a t f o r m a b s t r a c t w i t ht h ee x p a n d i n gd e v e l o p m e n to fs h a l l o w - w a t e r so i l f i e l d s ，t h ed e m a n df o r e l e c t r i c i t yp o w e r o no f f s h o r ep l a t f o r m sh a sd r a m a t i c a l l yi n c r e a s e d ，w i t ht h ev o l t a g e l e v e lr a i s e dt o3 5 k vl e v e lf r o mt h el o wv o l t a g e h o w e v e r , t h e3 5 k vh i g hv o l t a g e s w i t c h g e a r ss p e c i a l l ya p p l i c a b l et oo f f s h o r ep l a t f o r m s l t l en o ta v a i l a b l en o w a d a y si n c h i n a t h e r e f o r e ，am a j o r t a s kc h a l l e n g i n gu si st os p e e du pt h ep a c eo f d e v e l o p i n g t h e3 5 k vh i g h v o l t a g es w i t c h g e a rs u i t a b l ef o ro f f s h o r ep l a t f o r m ss oa st os a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t so f s h a l l o w - w a t e r so i l f i e l d t h ek e yp o i n tf o rt h es t u d yi st os o l v et h ep r o b l e m so f t h ei n f l u e n c eo f o f f s h o r e p l a t f o r m e n v i r o n m e n t u p o n t h eh i g hv o l t a g ee l e c t r i ce q u i p m e n t ，i n c l u d i n g ： 1 t h ei n f l u e n c eo fa t m o s p h e r i cs a l tm i s ta n dc o n d e n s e dd e w so nt h el i v e e l e c t r i c a le q u i p m e n t s p a c i n g ； 2 t h es t u d yo nc r e e p a g ed i s t a n c eo fi n s u l a t i o nm a t e r i a l sa n da n t i f u n g u si nt h e c o n t a m i n a n te n v i r o n m e n t ； 3 t h er e s e a r c ha n d d e s i g n o fh i g h v o l t a g es w i t c h g e a rc o n f i g u r a t i o n a n d p e r f o r m a n c e ； 4 t h es t u d yo nc o r r o s i o np r e v e n t i o nm a t e r i a lf o rh i 曲v o l t a g es w i t c h g e a r s ，a n d s e l e c t i o no fe l e m e n t sf o re l e c t r i c a l e q u i p m e n t ，p e r f o r m a n c e o fa n t i - s a l t m i s t ，a n t i - c o n d e n s e dd e w s ，a n t i f u n g u sa n d v i b r a t i o nr e s i s t a n c e t h es u c c e s s f u ls t u d yr e s u l to f h i g hv o l t a g es w i t c h g e a rf u ro f f s h o r ea p p l i c a t i o n i st h e p i o n e e r i nc h i n a , r e s u l t i n gi nal o to f s a v i n g so ff o r e i g nc u r r e n c y , a n db r i n g o u t e c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f t s k e y w o r d s ：o f f s h o r e p l a t f o r m ，h i g hv o l t a g e ，s w i t c h g e a r ，e c o n o m i c a lb e n e f i t 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 主席 委员 答辩委员会签名 “坠 巧 渺形 劬刮 尚串 厂黔 0 导师： 小。k引驴了0 ，j l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果也不包含为获得 盒鹏工些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：旄元i f签字日期：五哆年刚 哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥g b 王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒 坦王些丕堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：魂舀 签字日期：弦哆年吕月i ) 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 苦苦一屿 签字日期：， 年驴月r ，日 电话： 邮编： 致谢 首先，非常感谢我的导师孙鸣老师，本人在从事课题研究和撰写工程硕士 学位论文的过程中，自始至终得到了孙鸣老师的精心指导，无论从论文选题， 还是到收集资料、论文成稿，都倾注了孙鸣老师的心血，在此由衷感谢孙鸣老 师在学业方面的指导及其它各方面所给予我的关心。我从他为人师表中感悟到 的道德情操，广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的 忠诚，都将使我终身受益，并激励我勇往直前。 同时，真诚感谢电气工程学院和研究生院的全体老师，感谢你们为我提供 的优越学习环境和给予我的真心教诲，这是我完成论文的基础和保障：真心感 谢项目组的同事在项目开发和论文撰写期间给予我的合作与帮助。 最后，感谢在我研究生的学业期间所有给予我帮助的老师和同学。 作者：施群 2 0 0 3 年6 月2 日 第一章课题概述 1 1 课题的来源及课题研究的必要性 随着胜利油田滩海油田开发规模的扩大，用电负荷迅速增加，低电压系统 供电已难以满足用电需求。因而利用滩海油田距岸较近、陆上电网可靠的优势， 采用3 5 k v 高压系统向海上油田供电是解决海上大规模用电需求的良好途径。 然而，通过我们对中国船检局、船级社及国内有关船舶电气研究、生产部门的 广泛调研以及国际互联网( 1 n t e r n e t ) 查询，国际上船舶平台使用的最高电 压等级为l l k v ，这主要是由于船舶及平台电力系统容量小、输电距离短的特点 决定的。因而1 l k v 以上中高压船用及平台电气设备，既无设计规范，也无定 型产品。 近年来，随着船舶和海上平台向大型化和自动化发展，电气设备的容量急 剧增加，国外大型船舶钻井平台越来越多采用3 3 k v 或6 6 k v 中压电力系统， 如英国“伊丽莎白二世”号采用了3 3 k v 、6 0 h z 的发电机。因而，随着我国海 上油田开发的规模不断增大，高压电力系统的应用将越来越广泛，高压电气设 备的需求将逐渐增加。目前，国外1 1 k v 以下的海上电气设备已有一些电气公 司生产，如a b b 、s i e m e n s 等公司。但是，1 l k v 以上的设备的生产厂商却极 少，一般都是按工程要求特别研制，因此，引进设备的价格十分昂贵。 海上高压开关装曼不仅国内没有该类设备。而且，国外也无合适产品，在 这困难的条件下，在咨询了国内船用设各科研单位，电力研究单位的基础上， 我们借鉴污秽环境产品的特点和未来十年国内海上油田发展规模用电水平，确 定了以适用于海上平台的3 5 k v 开关柜装置为主要研究工作内容，结合国内目前 的生产加工水准，确定首先以空气绝缘为主，户内固定式交流金属开关柜( 简称 3 5 k v 式高压开关柜) 为主要研究方向。 因此，为满足埋岛油田大规模的开发及国内海上平台对高压电气设备的需 求，必须尽快研制开发。 1 2 课题研究的主要内容、拟解决的问题 1 2 1 研究开发的内容 ( 1 ) 研究海上环境( 如盐雾、霉菌、湿热、海浪浮冰冲击、平台振动) 对高 压电气设备的影响； ( 2 ) 研制适合海上环境的高压开关装置； 1 2 2 拟解决的问题和主要工作 ( 1 ) 海上大气盐雾及其污秽等级研究： ( 2 ) 大气盐雾和凝露对带电体空气间隙影响的研究： ( 3 1 污秽环境中绝缘体材料爬电距离及防霉菌的研究： ( 4 ) 高压开关柜结构及性能的研究设计： ( 5 ) 高压电气设备元器件筛选及“三防”、抗冲击、抗振动性能研究： ( 6 ) 高压电气设备样机试制及其性能的环境模拟测试； ( 7 ) 高压电气设备现场安装试验。 1 3 课题预期效果 随着我国海上油田开发规模的不断扩大，高压电气设各的需求也将逐步增 加，仅胜利油田埕北滩海油田每年新建井组平台5 7 座，若电气设备引进，每 座平台大约需要2 0 0 余万美元，而自主研制开发的中高压船用电气设备，大约 为进口设备的三至四分之一，7 座平台可节省外汇折合人民币约3 0 0 0 余万元， 因而海上高压电气设备的开发研制成功，将为国家节省了大量的外汇，产生很 大的经济效益。此外，还将填补国内在该领域的一项空白，产生较大的社会效 益。 第二章开关设备发展现状 2 1 国内行业的基本情况 四十多年来我国高压开关行业的发展是比较快的，建国初期仅有几家高压开 关厂，6 0 年代初建成了我国第一个强电流试验室( 发电机作电源) 高压开关生产 厂目前已有近千家。 6 3kv 及以上电压的sf 6 断路器生产厂有7 家，生产1 0kv 、3 5kvsf 6 断路器的生产厂有十余家；1 0kv 少油断路器生产厂原定点4 2 家，由于需求量日 趋下降，有些厂已停产。 1 0kv 、3 5kv 真空开关生产发展迅速。真空开关已成为中压开关的主要 品种。 真空开关的主要部件真空灭弧室研制、生产取得了重大突破。自8 0 年代末 以来，在消化引进国外技术的基础上，国内科研和生产单位研制了新型的小型化 真空灭弧室，并且产量大幅度提高，产量和品种已能满足国内需求。 各大开关厂和许多中、小开关厂都生产隔离开关，从1 0kv 到5 0 0 kv 。 起步较晚或发展较慢的一些品种，如负荷开关、箱式变电站、环网柜、重合 器、分段器等也有较大发展。 熔断器的生产也有很大提高，限流熔断器的性能己达世界8 0 年代水平。 1 9 9 5 1 9 9 9 年的五年间，高压开关行业主要生产厂( 约2 0 0 余家) ，累计生产工 业总产值3 5 0 亿元，其中高压开关部分产值18 0 亿元，工业增加值9 8 亿元，利润总 额1 2 6 亿元，固定资产原值约5 5 亿元。 2 2 高压开关设备的现状 在我国输配电系统中，6 0 年代使用多油断路器、空气断路器，技术较落后，1 9 6 8 年华光电子管厂研制出第一只运用于商品化的真空开关管，但由于各种原因与 国外的产品质量相差甚远。为此，国家四部1 9 8 2 年联合在世界范围招商，引进真 空开关和设备，才使我国真空开关工业有了一个新的发展，7 0 年代初，我国开始引 进第一台sf 6 断路器。经过2 0 多年的努力发展，现在我国的电力系统中高压开 关设备几乎全部使用sf6 断路器和真空断路器。 目前我国以4 0kv 电压等级为界，4 0kv 以上高压开关全部使用sf 6 断路 器，4 0kv 以下以真空断路器为主。sf 6 断路器分为两种结构，一种为罐式，目前 在电网中运行的2 5 2kv 、3 6 3kv 、5 5 0kv 罐式sf 6 断路器已有数百台，它 以其优良的环境适应能力，系统配套性和高运行可靠性得到用户的认可。另一种 为瓷柱式，它可以通过灵活串接方式获得任意电压额定值，加之低成本，使其在 5 0 0kv 以上的超高压领域显示出优势。 真空开关广泛应用于4 0 kv 以下电压等级的电网内，分为真空断路器和真空 接触器两种。目前我国1 1 0 kv a t i 折口真空断路器已研制成功，它是由单断口5 0 kv 真空断路器串接而成。真空接触器则主要用于中、低压配电系统中。石油 行业输配电系统大多采用1 1 0 kv 、3 5kv 、1 0 ( 6 ) kv 电压等级，因此，在高压开 关设备中大量使用真空断路器和真空接触器。 2 3 胜利油田在使用的开关装置方面存在的主要问题 2 3 1 绝缘方面 胜利油田地处黄河入海口工业污染和海洋污染严重，由于脏污、潮湿甚至 凝露等不良的运行环境，使原有的户内1 0 3 5 k v 开关柜的绝缘事故明显增多。 问题的严重性还在于发生这种绝缘事故后的切除时间相当长，因而短路电流和 短路电弧波及的范围很大，抢修恢复困难，直接损失、间接损失都很大。 胜利油田海上平台在正常运行中先后发生了严重的6k v 母线短路事故。由 于6 k v 进线主断路器被短路电弧烧坏或因低电压闭锁而拒动，使短路故障持续 了很长时间，直到供给短路电流的高备变内部损坏，重瓦斯动作使3 5 k v 侧高压断 路器跳闸才把故障切除。分析研究认为，可能是老型号s n i o 1 0 少油断路器的相 间环氧玻璃钢支撑板爬电距离太小，大约只与相间的空气绝缘距离相等，在表面 积灰脏污和可能受潮时，由于爬电发展而最终形成短路。另一种改型的s n l 0 1 0 型少油断路器触臂的相间支撑棒加工粗糙，脱模线明显，也可能是一个绝缘簿弱 环节。 近年来，3 5 k v 开关柜在霉雨季节的放电事故也时有发生，特别是有些老型号 开关柜的支持绝缘子和隔离开关瓷瓶的瓷裙既小又少，爬电比距只有1 0 左右。 1 9 9 8 年6 月胜利油田某沿海变电所就发生了一次由此而导致的3 5 k v 开关柜湿 闪事故，还有一个变电所发生过手车式开关s n l 0 3 5 因绝缘拉杆湿闪而造成短路 的事故。 另一类事故是由元件绝缘本身质量低劣造成的。例如环氧浇铸件特别是环 氧电流互感器因原材料质量和制造工艺不良，内部存有较多气泡，在运行中局部 放电发展使老化加剧，最终导致放电事故。有些开关柜的环氧电流互感器与断路 器安装在同一个间隔内，一旦发生事故，本间隔断路器即使动作也不能切除故障， 只有等母线的进线断路器在数秒后动作才能把故障切除。 2 3 2 导电回路故障 导电回路故障也是成套开关柜的一种灾难性事故，其后果往往十分严重。问 题的复杂性在于目前尚无有效手段监视和预报。导电回路故障大多发生在各连 接处( 包括固定连接和动静触头连接) ，有的设备虽然铭牌额定电流选得相当大， 而实际工作电流不大，好象留有很大裕度，但是导电回路的接触不良和发热现象 是恶性循环，如不能及时发现和制止，最终将会酿成事故。 6 运行实践证明，由于触头接触不良导致成套开关柜导电回路事故的次数较 多。从理论上分析，成套开关柜的上下两个接插件相当于闸刀水平运动的两把隔 离开关，如果设计和选型良好，制造工艺可靠，装到位，应该是可以保证安全运行 的。但在实际运行中由于触头接触不良发生的事故却占很大的比例，胜利油田供 电公司从1 9 9 5 年至今6 k v 配电系统1 1 次开关柜事故中因导电回路引发的就有 5 次( 包括由于振动接插头接触不良2 次，分支母线与主母线连接处搭接面设计不 当1 次，z n 2 8 断路器软连接处接触不良1 次，固定柜隔离刀闸桩头接触不良1 次) ， 另外雷击和湿闪各造成1 次事故。 2 3 3 机械故障 由于开关柜的机械传动和闭锁环节较多，发生故障次数多，故障类型也多。多 发的是操动机构的故障，包括电气回路各元件及其连接等各个环节，电磁机构的 分、合闸，弹簧操动机构储能电机的机械、电气方面的缺陷以及储能、分闸、合 闸结构方面的簿弱环节。还有断路器本体的缓冲和导向不良造成的事故。机械 故障多数会导致拒动或误动，但一般来说直接损失较小，恢复处理也比较容易。 2 3 4 元器件缺陷尤其是真空灭弧室漏气 元器件故障率最高的是中压真空断路器灭弧室的漏气缺陷。 第三章国内外高压开关设备的发展方向 高压开关设备的发展与我国基础工业的发展密切相关，涉及到材料、设备制 造、科研、技术的进步，我国科研单位、制造厂家长期致力于开关设备的发展事 业不断提出先进的理论、研制新产品。与国外的差距不断缩短，某些产品己达到 国外9 0 年代初的水平。 3 1 国内高压开关技术发展趋势 高压、超高压领域趋向选用sf 6 开关设备，少油断路器只限于2 2 0 、1 1 0 、 6 3kv 使用，而且使用量相对下降。在sf 6 开关设备中，选用gis 增多，这是由 于gis 在小型化、可靠性和对环境的适应性方面更优越。断口数减少有利于 减小尺寸、提高断路器可靠性。5 0 0kvsf 6 单断口灭弧技术开发可以提高 5 0 0kv 断路器技术经济指标，为发展特高压gis 设备准备条件，我国开发或引 进这一技术“九五”期间就会起步。 1 0kv 断路器趋向选用真空式，在少油、真空、多油、sf6 断路器中，真空 断路器产量已占第一位，1 9 9 3 年以前为主的少油现已退居第二位，其产量有进一 步下降的趋势。sf6 断路器性能好，生产工艺复杂，这类产品产量会逐渐提高， 但比重不会大。 3 5kv 断路器趋向不明朗，多油、少油、sf 6 、真空式都在生产和使用，多 油、少油式也没有全部被淘汰的趋势。 负荷开关、接触器、熔断器、重合器、分段器、环网供电单元的生产、应 用逐渐增多。特别是负荷开关、熔断器发展更快，过去由断路器替代负荷开关这 种大材小用的作法，正在改变。 各重要开关厂注重改善工艺和装备擞控机床，加工中心使用较普遍，许多厂 还引进了柔性生产线。 3 2 国外高压开关技术发展趋势 已完成无油化进程。中压领域一些国家以真空式为主，如日本；一些国家以s f 6 式为主，如法国。高压领域产品以sf 6 式为主，gis 是主要发展方向。 sf 6 开关设备技术发展趋势是高电压、大容量、小型化、提高可靠性。为 了实现这些目标，在技术上的努力方向是提高单断口工作电压，研制5 0 0kv 单断 口断路器，进而研制百万伏级特高压断路器；在4 2 0kv 级以下采用热膨胀( 自能) 灭弧技术；开发长期运行监测与诊断装置；研究超低温( 5 0 * c ) 条件下使用的sf 6 断路器。 真空开关技术发展趋势是改善工艺，提高生产效率。 向封闭、组合、成套化方向发展。 3 3 国内主要发展目标 a ) 技术发展i f l 标 1 3 3 0 一5 0 0 kv 超高压开关设备，7 0 设备达到八十年代中期 水平，1 0 设备为九十年代水平，2 0 产品为七十年代水平。 2 1 l o 一2 2 0kv 高压开关设备，6 0 产品达到八十年代水 平，2 0 为九十年代水平，2 0 为七十年代水平。 3 1 0 6 3kv 中压开关设备，5 0 达到八十年代水平，2 0 为九 十年代水平，3 0 为五十至七十年代水平。 4 2 0 1 0 年8 0 产品达到九十年代末、下世纪初水平，1 0 达到 当代水平。 b ) 结构调整目标 1 一优先发展新技术产品，特别是5 0 0kv 单断口sf 6 断路器、自能灭弧室sf 6 断路器、机电一体化产品、gi s 、c gis 、耐苛刻环境条件产品，市场满足度到2 0 0 0 年达8 0 ，2 0 1 0 年达9 0 ，基本解决产品结构老化矛盾。 2 加强高压开关电器新型材料、高水平元器件研究，市 场满足度到2 0 0 0 年达8 0 ，2 0 1 0 年达9 5 左右。 3 提高高附加值出口创汇产品的比重，如gis 、c gis 、机电一体化产品、sf 6 断路器、真空开关，大容 量开关设备等，争取2 0 0 0 年出口创汇比重提高到5 0 ，2 0 1 0 年达6 0 。 4 高压开关行业前1 0 家企业比重由目前的2 0 提高到 2 0 0 0 年的3 0 ，2 0 1 0 年达5 0 以上，企业结构趋于合理。 c ) 据行业2 0 0 多骨干厂1 9 9 1 到1 9 9 5 年的高压开关设备总产值统计， 平均年增长2 7 ，到2 0 0 0 年骨干厂总产值将达1 8 0 亿元。2 0 1 0 年可达 4 0 0 亿元。 到2 0 0 0 年骨干厂的出口创汇将达4 亿美元，出口产值比重达 1 8 ，2 0 1 0 年1 2 亿美元，比重相应提高到2 5 。 按照上述二个方面目标，到2 0 0 3 年国民经济各部门需要的高压 开关设备将主要立足国内，所供产品缩短了与世界先进水平的差距， 到2 0 1 0 年所供设备接近或达到世界先进水平。围绕发展，将形成一 批具有世界竞争规模的企业集团。 3 4 发展重点 电工行业“十五”期间的发展重点是：各种环境下成套设备、基础件及基础 材料、节能节材产品、出口创汇产品等四个主要方面。高压开关能满足装备2 0 0 0 万kw 发电设务配套需要，产品达到八十到九十年代国际先进水平。结合高压开 关行业情况，以下谈谈重点发展产品。 f 1 1 特高压开关电器 1 2 0 0kv 特高压gis 设备重点先开发5 0 0 kv 单断口灭弧技术，特高压隔 离开关及相关瓷套、套管，有机复合绝缘子( 套) 、盆式绝缘子、绝缘拉杆等。 f 2 ) 1 1 0 2 2 0kv 自能灭弧sf 6 断路器，配以小操作功弹簧机构，在广东等沿海 电网中已使用不少，但都是进口的，国产还是空白。 ( 3 ) 故障在线技术开发研究 随着gis 、c gi s 、c gi s ( t ) 、箱变或金属封闭开关设备等新 技术设备推广采用，可靠性提高、检修周期延长0 0 年以上) ，用户迫切希望通过传 感技术和计算机诊断技术，在箱体外能知道设备内部运行状况和异常现象，以提 前预知故障，及时采取防患措施。 ( 4 ) 机电一体化( 智能化) 开关柜随着计算机技术迅速发展，传统的机械电磁式仪 表、计量、讯号、继电保护及控制、监测技术将被传感器、微机所取代。可以 较方便地由计算机完成讯号的监测、抄表、继电保护、数据处理、传输信息，为 无人值班自动化变电站创造条件。 ( 5 ) 充气式开关柜( c gis ) 和充气式箱变( c gis ( t ) ) 我国城市环境条件日益恶化，对防火、防爆要求进一步提高，城市土地更为珍 贵，开发充气的、全密封组合式成套配电装置和箱变具有重要战略意义。它不仅 节省了占地面积，也提高了可靠性、安全性，延长检修周期，抵御苛刻环境条件。 该产品是开关设备重要发展方向之一。但目前价格高，工厂工艺难适应，可预测其 市场5 年后有较大发展。 ( 6 ) 组装式开关柜 目前国内几千家高压开关柜生产厂的高压开关柜，无论是陈旧的g gi a 固定柜，还是x g n 、jy n 、k y n 等各类柜，都是采用焊接、酸洗、喷、涂漆 等工艺。尽管不少厂引进了数控冲、剪、弯等工艺装备，表面涂装工艺有所改进， 但不能根本解决问题。生产效率低、劳动条件差，而且外观、质量、互换性等受 制约。应探索无需焊接、喷漆、直接成型的组装抽屉式高压开关柜。 ( 7 ) 质优价廉负荷开关 目前1 0kv 级负荷开关生产量最大是产气式负荷开关，但产气负荷开关的开 断| 生能不稳定( 尤其转移电流难以提高) 。对国内市场来说，压气式负荷开关需要 完善，sf6 负荷开关目前推广有困难，真空负荷开关还在开发之中。今后几年真 空负荷开关和压气式负荷开关将是1 0kv 负荷开关的主要方向。 ( 8 ) 应大力推广计算机在高压开关设计、制造、试验、生产经营、行政管理 方面应用( 如c a d 、c ae 、c a m 等) ，以提高工作效率，提高质量，增 强企业的竞争力。 第四章盐雾、霉菌、湿度对开关装置腐蚀的研究 4 1 概述 暴露在空气中的开关装置不可避免的受到盐雾、霉菌、湿度的腐蚀。 在沿海地区盐雾对设备的腐蚀十分明显。在海洋环境中，这种腐蚀严酷度达 到最大值。 霉菌是自然界中一群细小的生物，分布很广，种类繁多，在流动的空气中极 易传播，凡是空气可到达之处都有霉菌存在。当这些霉菌有适合它自身生长的气 候环境时将快速生长。在生长过程中，它们将腐蚀设备。 自然气候中的湿度由地理和气候条件决定，一般情况下，自然界中最潮湿的 地方是湿热带地区，但有时也会受局部环境条件的影响。实际使用中的设备，它 们受潮湿的影响往往超过自然界中潮湿条件，例如飞机密闭仓内、坑道、热带丛 林地区的帆布帐篷下。它对设备的腐蚀主要表现为与设备工作环境中存在的各 种大气污染物相结合，从而加速这些污染物对设备的腐蚀。 4 2 腐蚀作用机理 1 盐雾腐蚀 大气中盐雾的出现与分布，与气候环境条件及地理位置有着密切的关系。离 海洋越远的大气中，含盐量越低。同时盐雾的浓度还受到物体阻隔的影响，阻隔 越多，雾量越少。它对设备的腐蚀破坏作用主要是由于其中的各种盐份。海洋环 境中的盐雾，其组成与海水相似，对设备的腐蚀主要是其中的大量氯离子，当盐 雾与金属和防护层接触时，盐雾中的氯离子由于具有较小的离子半径( 只有1 8 1 1 0 1 0 m ) ，具有很强的穿透本领。很容易穿透金属的保护膜。同时有着保护膜 的阴极表面( 保护膜中总是存在高电位的阴极部位) 很容易吸附水合能不大的氯 离子，结果使氯离子排挤并取代氧化物中的氧而在吸附点上形成可溶性的氯化 物，导致保护膜的这些区域出现小孔，破坏了金属的钝化，加速了金属腐蚀。它对 金属的腐蚀是以电化学方式进行的，其机理是基于原电池腐蚀。盐雾的电化学过 程如下： 在阳极上，金属以水化离子的形式进入溶液，并把当量的电子留在金属中 ( me 代表金属) me me ”+ 2e me “+ nh 2 0 + n h 2 0 电子从阳极流到阴极 在阴极上：留在金属中的剩余电子 被氧化去极化，还原吸收电子而成oh 一。 1 2 0 一h ：0 + 2e 一2 0h 一 氧吸收电子成为oh 一，使金属向me me “的方向进行，即加速腐蚀。 1 2 2 霉菌的损害机理 霉菌的破坏作用随温度和湿度而变化，并和湿热型热带地区和中纬度地区 的条件分不开，在设备设计中必须考虑到这种破坏作用。它对设备的损害主要分 为直接和间接两种： a 对设备材料的直接破坏。不抗霉的材料容易被霉菌分解并作为它的食物而直 接被破坏，这将导致材料物理性能的明显恶化。不抗霉的材料主要有天然材料中 的植物纤维材料、以动植物为基的胶粘剂、润滑脂、油类和许多碳氢化合物、 皮革等：合成材料中的聚乙烯的组分、某些聚氮脂类、含有层压材料作有机填料 的塑料、含有易长霉组分的油漆涂料等。 b 对设备材料的间接破坏。当有下列这些情况发生时，抗霉材料会由于间接破 坏作用引起破坏： ( 1 ) 生长在灰尘、油脂、汗逊和其他污染物质的表面积垢上的霉菌直接侵蚀其 底层材料，这种表面污垢可能是在制造时进入或在使用时积累在设备上的。 ( 2 ) 由于霉菌分泌的新陈代谢排泄物( 有机酸) 和其他离子化合物对抗霉材料产 生的间接破坏作用。 ( 3 ) 生长在易霉材料上的霉菌对相邻的抗霉材料的侵蚀。 3 湿度影响机理 潮湿环境对设备的影响是指设备在潮湿条件下发生外观变化或物理、化学 和电性能方面的劣化并导致设备功能性失效的综合作用。在工作环境中通常有 各种大气污染物质，当它们与湿气相结合时将加剧对设备的腐蚀。例如各种腐蚀 气体与潮气共同作用将加剧金属腐蚀的速度，而某些容易吸收水分的尘埃将助 长某些金属设备表面凝露或水气吸收，在金属设备表面上形成原电池，从而加速 金属设备的腐蚀。又于某些材料表面受潮后长霉，在长霉期间，霉菌将分解这些 材料。总之，湿度对设备的腐蚀主要表现在给有腐蚀性的物质提供适时的环境。 4 3 腐蚀效应 1 盐雾腐蚀效应设备暴嚣在含盐雾大气环境中腐蚀效应主要表现在以下方 面： a 电化学反应造成的腐蚀 b 加速应力腐蚀 c 由于水中盐电离形成酸碱溶液 2 霉菌腐蚀损坏效应 霉菌在设备上生长时，霉菌的代谢过程分泌出酸性物质( 醋酸、丁酸、柠檬 酸等) 使设备中的金属部分产生腐蚀，同时由于霉菌生长过程中能形成加速金属 腐蚀的原电池以及其去极化作用使金属的腐蚀加速并使其继续不断地进行下去， 这样就导致了金属的严重破坏。 3 湿度腐蚀破坏作用 湿气能引起材料或设备的物理和化学性质变化。长期暴露在潮湿环境中的 设备将受到大气中的腐蚀性气体吸湿从而加速对设备的腐蚀。由于腐蚀影响， 设备的物理强度降低、机械性能发生变化、绝缘材料的电性能和热性能降低、 活动零部件卡住、弹性降低、表面有机涂层破坏、电气部件损坏等。 4 4 盐雾、霉菌、湿度腐蚀作用的相互联系与区别 储存、运输和使用在盐雾、霉菌、湿度环境中的设备都会受到它们当中的 单个或共同作用的腐蚀，设备受腐蚀后，机械性能和物理性能将发生变化。一般 情况下，设备在遭盐雾腐蚀时也遭霉菌腐蚀的可能性很小，因为盐雾有抑制霉菌 长霉的效果。但它与湿度却有着紧密的联系，盐雾中在含盐浓度较低情况下，随 盐浓度增加，其腐蚀速度将会增加，其原因为低浓度范围内盐雾中含氧量随其浓 度的增大而增加，氧的去极化作用加强，腐蚀加快。而在其湿度保持一定值不变 时，继续增加其盐浓度，在达到一定值之后，腐蚀速度反而会降低，这是因为高浓 度盐雾中含氧量将降低的缘故：霉菌腐蚀也与湿度有着分不开的关系，它为霉菌 生长的必要条件，几乎所有的霉菌生长都需要有适应于自身的湿度条件，湿度太 小，将大大抑制霉菌生长。通常情况下，霉菌生长所需的相对湿度应在9 5 以上。 但它们在对设备和材料腐蚀时又有许多不同点，具体表现为： a 腐蚀机理不同： b 形成腐蚀时所需的条件不同： c 产生的故障模式不同。 4 5 模拟盐雾、霉菌、湿度腐蚀试验 1 盐雾试验 盐雾腐蚀，多数发生在沿海地区。因为大气中的盐雾主要是由海浪相互撞击 和拍击海岸产生的大量海水泡沫被气流刮起，飘向空中造成的。模拟这种环境试 验通常有三种试验方法，即自然暴露试验、现场工作试验和人工模拟试验。前 两种试验( 称为外场试验) 能反映设备储存、运输和使用时的真实状态，但费时多 费用高，且受自然与现场环境条件变化及人为因素影响，试验的重复性和规律性 差，因此我们选用实验室内的人工模拟试验方法。此方法利用试验设备，人为的 制造出大气中盐雾环境条件，使其尽可能接近于设备在储存、运输和使用中的典 型环境。并且此试验具有较好的再现性，同时试验结果也有一定的可比性。 模拟盐雾试验时，盐雾按其盐溶液的酸碱性和其它特点可分为中性盐雾、酸 性盐雾和交变盐雾。通常情况下采用中性盐雾来进行试验( 如gjb 1 5 0 和hb 6 1 6 7 ) 。在进行试验之前，为了能更好的暴露出盐雾对设备的腐蚀作用，应该用不 产生腐蚀或不产生防护膜的溶剂清除设备表面的污物或设各表面上的临时性防 护膜，直到表面不挂水珠。如设备保护层为有机涂层，不应使用有机溶剂清洗。 在预处理完试验设备之后，应该将试验设备按其正常的使用状态放置到盐雾试 验箱中，如果设备表面为平面，则应与垂直方向成1 5 。3 0 。角放置，同时还应 考虑到试验设备不能受其它条件影响。因此设备之间不能互相接触，同时也不与 其它金属或吸水物接触，并在盐雾喷射过程中，盐雾能喷洒到设备每个可能遭受 盐雾腐蚀的表面。在上述准备工作全部完成之后才可进行具体的模拟试验。试 验过程中，要严格控制其温度、盐雾沉降量和ph 浓度，任何条件有偏离其规定 值时，应立即停止试验，并按试验中断处理方法对其进行处理。试验结束后，从试 验箱中取出试验设备，并放置在正常大气条件下4 8 小时，如需要可用不超过3 8 流动水轻轻冲洗，或用清洁的压缩空气吹去水珠。放置时间结束后，就可对试 验设备进行外观检查和性能检测，并从检测的结果中评定设备受盐雾腐蚀的程 度。 2 霉菌试验 自然界中虽然存在有大量的霉菌，但霉菌不是在任何条件下都能生长的。霉 菌生长需要有一定的条件，其环境条件为温度和相对湿度，基本条件为营养物质 和无机盐。为揭示出设备能否耐霉菌腐蚀，虽然也有三种方法：自然暴露试验、 现场工作试验和人工模拟试验。但其最佳方法仍为人工模拟试验方法，因为此方 法不但具有较好的再现性，试验结果有一定的可比性之外，而且简单方便，耗时 较少，费用相对来说也较低廉。在人工模拟试验中，可方便地提供不同菌种生长 的温度、相对湿度以及所需的无机盐。至于霉菌生长是否旺盛，还是最终死亡， 这主要是看受试设备提供给霉菌营养物质的有无与多寡了。 在具体试验之前，还需要考虑此试验是考核设备材料耐霉性或所用防酶剂 的效果，还是考核设备的装备工艺。如果是前者就需要对受试设备进行清理，排 除设备表面的油污、汗迹、灰尘等外来物的干扰，真实地反映出受试设备材料的 耐酶性：如果是后者，就不必清理了按其交货状态和实际使用状态进行试验。试 验过程中，对霉菌生长环境条件进行严格控制。如果出现故障，按试验中断方法 进行处理。 3 湿度腐蚀试验 湿度腐蚀试验是一个极其复杂的过程，因为湿度本身不直接腐蚀其受试设 备，而是通过与其他有腐蚀性的物质相结合，从而造成对受试设备的腐蚀。因此 在模拟湿度腐蚀试验时，首先要弄清腐蚀性物质，其次还需要了解此物质与湿度 的最佳混合比例。为使更好地体现湿度在腐蚀中所起的作用，不妨进行对比试 验。在试验过程中，对一个试验样品严格控制其试验条件，对另一个试验样品的 试验条件不进行要求。试验结束后，比较其试验结果，从试验结果中断定湿度对 腐蚀性物质在腐蚀过程中所起的作用。 综上所述，在开关设备研制、设计和生产阶段必须充分考虑其各种腐蚀作用 的影响。应用于沿海地区的设备重点要考虑其盐雾腐蚀，使用在易长霉环境中的 设备必须要考虑其长霉腐蚀。湿度环境虽随地理和气候条件不同而变化，但对设 备腐蚀却不可忽视，因为在大气环境中存在有各种不同的腐蚀性气体，当它们中 一种或多种与相应湿度形成最佳混合比例时，对处于此环境中的设备将产生明 显的腐蚀。 4 6 海上平台3 5 k v 开关装置的“三防”措旋 根据以上研究分析我们对海上平台3 5 k v 开关装置在“三防”方面采取以下 措施： 1 ) 防盐雾：柜内的金属构件、接线端子、母排搭接面进行了特殊的电镀工艺 处理。 2 ) 防湿热：绝缘材料选用了憎水性强的s m c 和环氧浇注件，并加装了凝露控 制器。 3 ) 防霉菌：绝缘材料及柜体表面漆膜均进行防霉处理。有的是在制作增料中 掺入杀菌剂，有的是涂防霉漆，同时通过分析霉菌发芽的生长条件来控制其生 长。 6 第五章开关装置绝缘配合研究 5 1 开关装置的绝缘配合问题的提出 绝缘配合问题是一个关系到电气设备产品安全型的重要问题，是研制开关 柜一个重要方面也是本项课题研究是否成功的关键。就目前我国的实际情况而 言，在高、低压电器产品中，设备的绝缘配合仍是一个较大的问题。有统计数 字显示，我国的电器产品中，由于绝缘系统而引发的事故占5 0 6 0 ，因此， 正确处理开关柜中绝缘配合的问题就显得更为重要。 1 绝缘水平 为了保证绝缘水平，要正确处理作用在绝缘上的各种电压( 包括运行电压 和各种过电压) 、各种限压措施和绝缘强度这三者之间的关系，力求使产品做到 既安全又经济。对于3 5 k v 电压等级的开关柜，大家往往希望通过增加不多的 费用，将绝缘水平取得略为高一点，使得运行更安全。 在g b 3 1 1 1 等国家标准中，规定了各个电压等级的各种电力设备雷电冲击 耐压和工频耐压水平。g b 3 l l ，l 先后颁布了1 9 6 4 、1 9 8 3 和1 9 9 7 年三个版本， 三个版本中关于中压等级设备的雷电冲击绝缘水平基本相同，但工频耐压水平 有较大差别。三个标准中关于中压等级设备的绝缘耐压水平见表5 - 1 从g b 3 1 1 1 标准的发展情况来看，1 9 6 4 年版主要在前苏联的规范下进行修 订；到了1 9 8 3 年版针对国内的生产实际和运行情况，做了局部的修改，要求也 有所下调；从1 9 9 7 版开始，由于大量国外电气设备的引进，国标也向i e c 标准 靠拢，使我国电气标准趋向国际化，所以要求上也作了调整、提高。 表5 - 1 绝缘耐压水平 标称电 g b 3 1 1 1 1 9 6 4g b 3 1 1 1 - 1 9 8 3g b 3 1 1 1 - 1 9 9 7 耐压种类 压k v 外绝缘”内绝缘内、外绝缘干、湿3 外绝缘内绝缘 雷电冲击k v5 7 5 74 06 06 06 0 6 工频，k v3 4 2 63 22 02 33 03 0 6 0 4 6 0 4 雷电冲击，k v 7 57 56 07 57 57 5 1 0 9 59 5 工频k v4 5 3 4 4 22 83 0 4 2 3 0 2 雷电冲击k v 1 8 51 8 01 8 5 1 8 51 8 5 3 5 工频，k v 1 0 5 ，8 59 58 0 9 5 8 0 2 8 0 注：1 ) 2 ) 3 ) 分子为千耐压值，分母为湿耐压值，均为升高电压试验。 分子为干耐压值，分母为湿耐压值。 g b j3 1 1 1 1 9 8 3 标准对于额定短时工频耐受电压，干试和湿试选用同一数值：对 1 5 k v 及以下电压等级设备的绝缘水平分为i 、i i ( 左、右) 两个系列，应考虑设备遭 受雷电和操作过电压的程度及所用过电压保护装置的性能选用系列i 或系列i i 的绝缘 水平。 4 1i o k v 国产设备目前均用7 5 k v ，6 0 k v 、9 5 k v 可能用于某些特殊情况。 除了按标准规定的绝缘水平外，目前电力行业对于设备外绝缘还规定了最 小空气绝缘距离和爬电距离，要求1 0 、3 5 k v 电压等级空气绝缘净距不小于1 2 5 、 3 0 0 m m ；外绝缘爬电比距按绝缘材料、户内污秽等级分，在最高运行电压下要 达到1 8 c m k v 或2 o c m k v 等，这是为了保证在凝露条件下绝缘水平不降低， 即在常温和1 0 0 湿度条件下1 0k v 电压等级开关设备仍要满足工频耐压4 2 k v 、雷电冲击耐压7 5k v 的要求，实际上这就提高了绝缘水平。因为既然凝露 条件下雷电冲击耐压和工频耐压均能按标准通过，那么在正常情况下，设备外 绝缘的耐受电压水平将更高。 通过棒。板空气间隙在1 2 5 0 1 1s 标准雷电冲击电压以及工频电压下的放电 电压与间隙距离的关系，可得到相应空气间隙的绝缘能力如表5 - 2 。 表5 - 2 绝缘能力 问隙距离r a m 1 0 01 2 53 2 0 放电电压 8 31 0 52 0 0 雷屯冲击( 峰值) k v 耐受电压 7 4 79 4 51 8 0 放电电压5 86 81 3 2 工频( 有效值) k v 耐受电压5 26 1 21 1 8 数据表明，对于3 5k v 电压等级设备，即使净空气间隙为3 2 0 m m ，其雷电 冲击耐受电压水平的裕度也不大。但对于1 0k v 电压等级设备，空气绝缘净距 曾经取为1 0 0 m m ，现在规定为1 2 5 n m a ，在正常情况下，外绝缘的雷电冲击耐受 电压和工频耐受电压得到较大的绝缘裕度。 按现行标准要求生产的中压开关柜中，固定式开关柜由于柜体有足够的尺 寸能基本满足空气距离要求，达到耐压标准，保证了绝缘裕度；手车式开关柜 由于其柜体尺寸的限制，部分空气距离已无法满足规定，行业中已认可了采取 复合绝缘的办法。对于1 0k v 手车式开关柜，行业标准中已明确：在空气净距 保证每边不小于3 0 m m 时中间加隔板来达到要求：但对于3 5k v 手车式开关柜， 尚未有明确的规定。充气式开关柜的绝缘问题由于结构的优势，已不受空气距 离的限制，很好地达到了耐压的要求，保证了绝缘裕度。 目前，运行中的中压开关柜