高压输变电设备关键技术分析 (1) 2

1、 武汉华能阳光电气有限公司高压输变电设备关键技术资料书前言: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

2、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 武汉华能阳光电气有限公司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

3、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

4、/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 (PHx 100%。可 用 :指设施处于

5、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 武汉华能阳光电气有限公司年。(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。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

6、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 武汉华能阳光电气有

7、限公司进的基础和依据。 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,

8、 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

9、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

10、装备攻关项目中曾列为一个 武汉华能阳光电气有限公司子项专题,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

11、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

12、 99%以上方可挂网 运行。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 武汉华能阳光电气有限公司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

13、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

14、。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技术,在中压、高,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

15、, 并已有商品。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 武汉华能阳光电气有限公司制,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

16、” 产品。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

17、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。 武汉华能阳光电气有限公司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。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

18、 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。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 F 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

19、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 武汉华能阳光电气有限公司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,

20、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 :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。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

21、寿命也主要取决于绝缘老化情况。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 武汉华能阳光电气有限公司Phenomena; 欧洲的 ICS(LD;英国的

22、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,

23、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

24、术和试验方法。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武汉华能阳光电气有限公司 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

25、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

26、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

27、 耐久性试验 武汉华能阳光电气有限公司 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， Simoni 如 的电气强度模型，Fallou 指数模型;Montanan 几率模型、Crine 模型等。这些模型基本上都是以电老化的反幂定律和热老化的 An 七 enius 定律演变发展而来的，都是以累计破坏理论为前提 的，但都需要进一步通过实践来验证，常规老化试验需要很长时 间，为了能在较短时间内得到试验结果，也正在努力寻找快速等 效老化试验方法，仍在探索之中。 2.4.6 在线检测实时诊断技术研究 是近年来发展迅速的一种新技术， 电器设备在电网中运行难 免发生故障，需要判断预测剩余寿命，这是长期以来重大研究课 题。 诊断技术即是通过某些电气性能绝缘性的测试来显示隐患缺 陷和老化程度，原有的绝缘诊断预防性试验，一般要在停电状态 下进行，周期长，不够准确，不及时，也不经济，现在发展为在 线实时检测， 但需研究解决两个方面的技术问题