高压输变电设备关键技术分析.doc

高压输变电设备关键技术分析 中文摘要 现今阶段国内外电力市场紧张，各国家都不同程度的出现用电紧张的现象，而电力技术水平的高低直接联系到本国的经济命脉。高压输变电是一项技术含量很高，危险性大的技术，而对于高压输变电设备就有更高的要求。本文分别从供电可靠性和电绝缘技术两方面着重对高压输变电设备技术做出详尽的分析和论述，目的是为了对今后这方面技术的发展起到促进作用。关键词：输变电设备技术分析可靠性AbstractNowadays the stage domestic and foreign electric powers market is anxious. Various national all varying degree appearance uses electricity the tense phenomenon. But the electric power technical level height relates directly to our country economic life line. The high-pressured power transformer is a technical content is very high. Risky big technology. But has a higher request regarding the high-pressured power transformer equipment. This article separately makes the exhaustive analysis and the elaboration emphatically from the power supply reliability and the electric insulation technology two aspects to the high-pressured power transformer equipment technology. The goal will be for to the next this aspect technology development to the promoter action. 引 言我国实行改革开放政策以来，电力工业得到了迅猛发展。到2000年上半年，全国发电设备装机容量已超过3亿kw。进入21世纪前期，我国电力工业仍将有稳定的发展，预期2005、2010、2020年，全国发电设备装机容量将分别达到3.65、4.5、7.5亿kw的规模。与此相应输变电系统及装备也会相应得到发展。在21世纪前期，输变电设备方面将先后迎来举世瞩目的长江三峡水利枢纽工程建设竣工并网发电、西部大开发中的“西电东送”、全国逐步实现500kV主网骨架的联网、750kV新一级高电压电网在西北地区投运、城乡电网的进一步改造完善、电气化铁道通车里程的不断增加等重大工程，并将在超高压直流输电、交流柔性输电系统、1100kv特高电压电网建设与装备等研究开发中迎来新的进展。而高压输变电设备的制造技术也会随之不断提高。本文分别从供电可靠性和电绝缘技术两方面着重对高压输变电设备技术做出详尽的分析和论述，目的是为了对今后这方面技术的发展起到促进作用。(一)供电及输变电设备可靠性技术1.1技术概要 可靠性是指产品在规定的条件下及规定的时间内完成规定功能的能力，产品的可靠性是产品质量的一个重要组成部份，但又不仅只指某些质量指标。对于一个系统，系统的可靠性在很大程度上取决于系统中所用元器件和设备的可靠性，系统的可靠性还随系统中所用元件数量的增加而下降，随着系统规模的大型化、复杂化、组成系统的元器件越来越多，只要其中一个元器件发生故障或失效，都会增加整个系统的故障率，由此可见元器件的可靠度是保证整个系统和成套装置可靠性的基础。 输变电设备是输变电系统的重要组成部份，其可靠性含义是指供电可靠性和设施运行可靠性，其中有内在联系，但又有不同的要求，按照我国电力部门确定的与国际接轨的可靠性规范和统计考核办法。1.1.1供电可靠性定义 (1)供电可靠率(RS)在统计期间内对用户有效供电的时间与统计小时数之比，记作RSI二(1一用户平均停电时间/统计期间小时数)x 100%。若不计电网电压不足而限电，则记作RS3，将平均停电时间扣除限电持续时间。与国际接轨的定义指RSI。 (2)平均停电次数(ANIC)用户在统计期间(年)所经受的停、限电次数的平均值。AMC二艺(每次停电用户数)/总用户数。次/户年。 (3)平均停电小时(A护FIC)用户在统计期间内所经受的停、限电事故的平均小时数，ATIC=艺(每次停电持续时间x停电用户数)/总用户数。小时/户年。1.1.2输变电设备可靠性定义 (1)可用系数(AF)二可用小时(AH)/统计小时(PH)x 100%。可用:指设施处于能够完成预定功能的正常状态，包括运行和备用状态。(2)故障率(入)非计划(故障)停运次数(FOT)/统计百台年数。次/百台年。或非计划(故障)停运次数(FOT)/统计百公里年数。次/百公里年。（3）不可用原因(失效)分析及对可靠性指标的影响(台、年平均值)。分析故障部份停运次数、停运小时数及影响可用率损失的百分点数。1.2选择依据电力系统最重要的要求是要确保供电高可靠性，可靠性是标志整个系统先进水平和体现效益的保证，世界发达国家十分重视可靠性工作，开展可靠性攻关，可行性统计及失效机理分析已有三十多年历史，已形成一个科学门类，建立了一套可靠性标准和考核办法。我国电力部门按照美国电力系统的规范模式开展可靠性统计及可靠性失效分析已有多年历史，对高压输变电设备的可靠性状况提出了统计数据和初步剖析，并每年召开可靠性状态新闻发布会，对可靠性指标不断提出新的要求，因此高压输变电设备投人制造业应及早开展可靠性攻关，实现可靠性增长，是当条之急，也是今后参与市场竞争，体现新的经济增长点的重要环节。1.3国内外发展趋势可靠性技术是在第二次世界大战后发展起来的一门新技术，可靠性研究始于电子元件，六十年代首先是美国的电子产品可靠性研究迅速发展并逐渐成熟，大量发布了可靠性管理、组织、设计、质量控制、试验、鉴定等各种可靠性标准，从七十年代起可靠性研究深入到机械、电力、电工等许多工业部门，范围广泛，卓有成效。日本、德国、美国、法国和前苏联等也相继开展了可靠性研究工作，亦取得了很好成效，总的看来，国外可靠性技术的发展大致经历了四个阶段:即可靠性统计试验阶段;可靠性预测阶段;可靠性物理(失效物理)研究阶段和可靠性保证阶段。并十分重视可靠性管理工作，交流信息。可靠性管理是通过试验或现场使用的信息反馈，以设计中预测的事前分析技术为中心，预防故障的发生，保证可靠性目标的实现，因而可靠性管理贯穿于设计、试验、制造、维修、服务等全过程。可靠性数据是进行产品可靠性设计、研究、分析、评定、改进的基础和依据。建立可靠性数据库是一项重要的基础工作，是一种资源，能充分发挥作用，如美国政府工业数据交换中心(GIDEI，)涉及美国、加拿大的650多个成员单位，开设了工程数据库、失效案例库、可靠性可维修性数据库、计量数据库等。北美电力可靠性协会(NERC)开发的发电设备可用率数据系统(GADS)涉及美国、加拿大的北美电力系统，包括发电设备(火电、水电)主机和辅机的全部可靠性数据。NERC已与我国电力部门可靠性管理中心建立了合作关系。欧洲可靠性数据库协会(EuRetA)有成员单位40多个，进行了广泛的可靠性数据交流。前苏联电工研究所建立了统一电力系统的，包括发电机、变压器、断路器、电线、继电保护、输电线在内的电力设备可靠性数据库，是世界上最为完整的水平最高的电力设备数据库之一。不少企业也建了相应的可靠性数据库和反馈系统，国际大电网会议(CIGBE)在可靠性工作方面也做了大量工作，在1971年-1981年10年内，进行了断路器在运行中的故障和缺陷的国际调查，包括欧、美及日本等22个国家，调查报告规定了断路器的可靠性定义和指标，公布了统计结果，提出了提高可靠性的建议，1988年又组织了运行中的s凡断路器故障和缺陷的调查，涉及16个国家，该项工作一直持续到1991年。1987年还组织了电流互感器可靠性的国际调查，有8个国家，调查统计了1970年一1986年共17年的数据，发表了调查报告。1988年又发表了电力系统可靠性名词术语，体系完整，定义准确，概念清晰，具有科学性、可操作性和国际通用性。从而促进电力系统及电工设备可靠性向国际化、规范化发展迈出了重要的一步，可见可靠性技术是一项长期持续的研究工作。我国电器设备制造业开展可靠性研究起步较晚，70年代末电力电子专业随着引进技术率先在部分产品上开始着手可靠性试验研究，80年代对量大面广的低压电器、中小型旋转电机等基础产品相继开展了可靠性试验研究工作，发电设备的可靠性统计研究工作在“七五”国家重大技术装备攻关项目中曾列为一个子项专题，作了调研分析，提出了研究报告和考标准建议，但以后由于无经费保证，该项工作告一段落，未继续下去。总的看来，电工产品的可靠性研究工作与国家经济建设发展的要求相比，存在较大差距，与国际先进水平相比则存在更大差距，也远远落在电力部门工作的后面，集中反映在我国电工产品投运后可用系数较低，可靠性增长缓慢，甚至达不到电力部门提出的可用率的基本要求。 据电力部门可靠性管理中心1997年统计255个大中型城市状况，平均供电可靠率只有99.71%，即平均年停电时间达几十个小时以上，有的大城市如武汉、西安只有97%左右，年停电时间多达二三百个小时，大多数城市电网的IOkV系统供电可靠性在99.8%以下，断电拉闸频繁发生，极大影响人们的生产和生活。其主要原因之一是电气设备陈旧老化，可靠性差，而国外发达国家城市供电可靠率达到99.99%以上，即年停电时间只有半小时，有的只有几分钟，电气设备的先进水平的可靠性达到100%，而在规定的运行条件和时间内为零故障。另据电力部门对中压中小型配电变压器事故率统计，国产配电变压器年事故率均为2.1%，比国外发达国家的0.3%以下几乎差一个数量级。按我国电力部门根据我国实情提出的近期内电器设备可靠性指标要求，其可用系数(AF)必须达99%以上方可挂网运行。1.4主要研究内容和目标1.4.1主要研究内容可靠性指标及可靠性标准的研究可靠性指标及可靠性标准是产品设计、制造、试验的考核依据，IEC可靠性与维修性技术委员会冗56从1956年成立以来，已发布了不少有关可靠性标准的文件，作为产品研究开发利用指南，主要有:可靠性要求规范、可靠性设计分析、元(部)件可靠性预计，可靠性试验、可靠性筛选、可靠性增长、软件可靠性、维修技术和现场评估等。国外第一个电器产品可靠性标准是美国于1964年发布的电器产品军用标准Mn，R一39016。80年代日本、原苏联和欧洲国家都相继发布了不少可靠性标准，规定了失效率考核试验方法。在电力设备方面，以美国、原苏联和日本等国居领先水平。如北美电力可靠性协会(NERC)就有一套完整的考核标准和试验方法，可操作性强。我国电力部门的可靠性工作基本上是按照该模式进行，并与NERC建立了合作关系。世界著名电器公司厂家一般都有自己的产品可靠性内控标准，远高于国家标准和国际通用标准，作为提高产品标准参与市场竞争的重要手段，也是增加新的经济增长点的途径。我国输变电设备制造业应加快可靠性标准体系的研究工作，目前基本上处于尚未系统研究开发阶段，实践证明，产品的可靠性、适用性和符合性的满足度如何将是检验综合水平的主要标志，也是商品市场竞争的主要环节。1.4.2可靠性设计对于重大产品和成套装置乃至一个系统而言设计思想的新变化应是以单纯强调以先进性为目标转向以可靠性为目标的指导思想。可靠性设计的研究内容应包括可靠性分配、可靠性预测、可靠性贮备、可靠性使用以及耐环境能力可靠性等诸多方面。复杂装置简化设计、优化设计将是提高可靠性的重要途径，例如体现出性能可靠性和结构可靠性。从国产高压断路器及组合成套装置的可靠性故障率分析，操作系统发生的故障占有主要地位，是一个最为薄弱的环节，传统的机械式，或机电式推翻系统难以解决问题，而发展电子式智能化操作系统，称为“智能电器”将是发展方向。高可靠性的智能电器已在国外问世，并已有商品。1.4.3可靠性制造工艺质量控制制造过程是产品质量的形成阶段，搞好可靠性生产是保证产品可靠性的一个重要环节，关键是工艺和工艺设备，以及质量控制，如输变电设备的“三漏”问题(漏油、漏气、漏电)始终是一顽疾，不彻底解决谈不上可靠性，S凡断路器及其组合电器是近二十年来发展迅速的高新技术，在中压、高压领域占有主导地位，在超高压、特高压领域占有绝对统治地位，非它类属，其关键工艺制造技术是密封J性能，虽然标准规定S凡气体年泄漏率毛1%，但国外先进产品已做到几十年运行无泄漏不检修达到“永久性密封”新概念。充气、充油和真空电器都应逐步达到这个目标，成为“免维护型”产品。1.4.4可靠性试验技术可靠性试验的目的之一是求得可靠度，用可靠寿命的概念来考核产品的实用性，以及耐环境条件的承受能力，包括试验方法和可靠性试验装置的研制，加速寿命试验的研究亦是重要内容。1.4.5可靠性物理研究所谓“可靠性物理”就是专门研究失效机理的科学。是研究提高产品可靠性的基础工作，国外是六十年代才开始发展这门学科技术的。首先是美国开展了可靠性失效分析，提出了“失效物理学”概念，每年召开一次“失效物理”研讨会议，于印年代末起改称为“可靠性物理”会议，更能体现出其研究内容。日本和欧洲国家也相继开展了这项工作，极为重视。如高压电器的局部放电;局部过热;油流带电;树枝状放电，短路强度等特殊的物理、化学现象至今仍是一大研究难题，国内外均未彻底解决，是一个重点研究课题，局部问题往往引起全面崩溃失效。如有无局部放电及其强弱直接影响产品运行寿命，局放越弱则正常运行寿命越长，而局部放电很大程度上取决于绝缘结构，绝缘强度，绝缘配合以及绝缘材料，加工工艺的可靠性。1.4.6可靠性故障诊断技术早期的可靠性研究具有更多的科学特点，近年来由于微电子技术及传感器技术的发展推动了故障诊断技术的发展，软件和硬件的研究开发互相结合渗透，系统和设备的研究开发互相结合渗透，对一些重大电力装备组合电器实现计算机在线实时故障诊断，及时了解剖析在系统运行中的运行状态，如断路器、变压器、互感器等的可靠度，对故障事先作出准确诊断并采取调整校正措施，提高运行可靠性在线自动诊断技术是近年来发展迅速的高新技术，已用于高压、超高压电器产品上，面貌为之一新，亦是“智能化”电器的内容之一。1.4.7可靠性统计数据库可靠性统计数据是一项基础工作，建立数据库是开展可靠性技术研究的必要条件。1.4.8可靠性管理可靠性技术研究是一项内含广泛，牵涉面广，涉及学科领域较多的工作，非一家一户能全面开展完成的，必须加强组织管理和信息交流，指导开展工作。我国电力部门成立了“可靠性管理中心”已有十多年历史，并与国外建立了合作关系，每年召开可靠性统计分析新闻发布会，包括在中国使用的国内外产品一视同仁，公开亮相，震动促进很大。由于机构体制改革以及经费来源无保证，专业人员散失，处于放任自流状态。1.5目标按照电力部门提出的提高电网安全运行水平，增加抗御事故和自然灾害能力要求，规定电力系统供电可靠率达到99.9%及以上，大中型城市中心区供电可靠率达到99.99%，以实现与国际水平接轨的目标，如:北京市计划1999年国庆节前达到99.9%，下世纪初达到99.99%，上海市亦是这个目标。据此输变电设备的可用系数(AF)将要求达到99.99%，有的关键重大设备要瞄准达到100%。较目前状况要提高2个百分点左右是很艰巨的。(二)绝缘电气性能试验与诊断技术2.1技术概要绝缘系统是高压电器设备中最为重要，也是最薄弱的环节，绝缘性能测试技术的发展，对于提高电工产品的水平、质量，保证电力系统的安全可靠运行，促进绝缘理论的研究，都具有重要意义。随着电压等级的提高和容量的增大，这些问题就显得更为突出。据统计分析，电器设备的损坏，失效，60%以上是由于绝缘系统的损坏造成的，电器产品发生的突然故障，大多数也是由绝缘劣化缘技术领域，在理论上有许多方面尚不成熟，需要靠试验技术的发展提高来揭示其客观事物的本质，在绝缘结构的设计中，亦有许多是靠经验和推理来计算，其中又有许多参数是靠试验来确定的，因此绝缘测试与诊断技术不论是在技术理论研究方面还是在实际应用方面，都是开发高压输变电设备的一个关键问题。2.2选择依据根据发展百万伏及特高压输变电设备;补充完善并升级更新五十万伏超高压交流输变电设备;建立五十万伏直流输电设备科研储备;开发城市电网和农村电网专用输变电和供配电设备的要求，其产品绝缘试验水平与国际先进水平接轨，试验技术完全立足于国内，包括测试技术和试验设备，试验线路的研究开发，建立试验基地，制订测试标准，研究试验方法。所致，电器产品的使用寿命也主要取决于绝缘老化情况。 2.3国内外发展趋势国外发展高压输变电技术，开发成套输变电设备，都极为重视试验技术和试验基地的建设，并且先行一步为研制产品创造条件。而试验设备、试验基地的建设需要化很大投资和较长时间，一个国家乃至一个大分司、企业有没有强大的电气性能测试基地和测试能力及经验，往往是标志着具不具备高压电器生产资格及其能力和水平。自从高压技术问世以来，特别是超高压、特高压技术的迅速发展，试验与诊断技术也有了很大发展，并经常召开国际研讨会议，交流对电介质和电气绝缘的试验研究。如:IEC、CIGRE的有关委员分;ISH(HV Technolo爵);ISE(Electrets);ICpADN;北美的(EIDPCEI&Dielectrie Phenomena);欧洲的ICS(L)D;英国的DNNA;日本的几U-EIS.等。绝缘性能包括的范围很广，涉及电、热、机械应力及其他多种物理和化学性能现象，按其试验的作用和目的，大致可分为三大类:(l)短时试验。(2)耐久性试验。(3)诊断性试验。高压输变电设备的性能试验除了绝缘性能外，重要的试验还有开关断路器开断短路电流能力试验，电力变压器突发短路应力试验，高压产品，耐污秽环境条件性能试验，抗震试验，绝缘子陡波试验等。架重线路用绝缘子，不论是国内用户，还是出口，客商都要求提供陡波冲击电压试验报告，这种试验，国外已研究几十年，有些国家已列人国家标准，IEC也提出了标准指南意向。我国尚不具备条件，首先需研究陡波冲击连电压击穿试验的手段和方法，要解决陡波冲击电压的产生和测量问题。世界上具有特高压大型变压器制造试验能力的国家、公司主要有:日本(日立、东芝、三菱公司)，美国(通用电气、西屋公司)，瑞典(妞B公司)，德国(TU公司)，意大利变压器联合制造公司，乌克兰扎勃罗什变压器厂等。我国目前基本上已具有交流sookV输变电设备按国家标准规定的常规项目试验能力，即产品的出厂试验和型式试验。至于长期带电试验及加速寿命试验技术研究尚欠缺，在线检测诊断试验技术的研究尚未起步，对开发百万伏及特高压输变电设备，尚需建立试验基地和试验线路，研究试验技术和试验方法。2.4主要研究内容和目标2.4.1主要研究内容特高压、大容量、强电流试验技术及试验基地建设研究并相应建立试验线路，开展长期带电运行考核试验。该项工作是研究开发高压电器技术创新的基础。如:超高压乃至特高压断路器提高断口电压水平和开断最大短路电流能力达到sooKV单断口soKA以上合成试验能力及1200KV电压等级试验条件，进行产品性能试验研究，带分合闸电阻的断路器开断短路电流试验方法的研究。大型变压器抗突发短路机械应力能力试验。2.4.2绝缘特性，绝缘强度试验研究绝缘击穿机理研究，显示局部电场强度及电荷密度击穿原理。如:SF0绝缘特性在陡波下(特高频)、长间隙操作波特性试验研究，研制陡波操作装置，电瓷绝缘子陡波冲击电压试验及试验装置测试技术研究。2.4.3局部放电试验研究该项试验是近十几年来在绝缘测试技术领域中最为重要的发展，局部放电量的测量及判断其危害性，局部放电部位的测定都有很大技术难度。从70年代后期开始，世界工业发达国家(我国亦已逐步开始)将局部放电测试列人高压电器标准中，作为性能考核和质量、可靠性的控制指标。局部放电是表示绝缘系统中存在有局部损伤和缺陷，不论是由于哪种应力(电、热、机械)造成的，往往在高压情况下都是先出现局部放电现象，严重时，从而引发绝缘系统完全击穿。局部放电是一种比较复杂的物理现象，往往存在极大的不稳定性和随机性，对于大型电器产品，如变压器、互感器、电抗器、开关电器、高压电缆等，测定局部放电的部位具有重要意义，但难度较大，特别是深埋在里层的部位难以定准。高压电器产品存在微弱的局放现象，难以避免，以不影响和危害安全可靠运行为原则，我国电力部门已要求在10KV及以上电压等级的电工产品性能考核中作为必试项目列人标准。2.4.4损耗因数tan动测量试验 损耗因数的增大是表征绝缘总体劣化，由于绝缘材料的发展，性能的提高，现今要求可测最小损耗因数值达104及更精确，研究绝缘材料的微观结构性能变化与宏观特性的关系，需排除多种因素引起的误差和假象是较难的。2.4.5耐久性试验经验证明一个产品在短时试验中性能良好，不一定使用寿命就长，特别是针对我国当前电工产业的质量状况，使用寿命是一个严重问题，因而需强调产品的寿命试验，需研究加速老化试验方法，剖析老化机理，国外近年来已经开展多因子的加速老化试验研究，通常采用的常因子(电式热)老化寿命试验作比较，表明存在显著差异，从而提出了多种强化因子的老化模型，如Simoni的电气强度模型，Fallou指数模型;Mon