1000kVGIS型和瓷套型避雷器研发综述_车文俊

1、DOI :10.13336/j.1003 -6520.hve .2010.01.007高电压技术第 36 卷第 1 期 2010 年 1 月 31 日230High Voltage Engineering , Vol .36 , No .1, Jan .31 , 20101000 kV GIS 型和瓷套型避雷器研发综述车文俊1 , 张晓星1 , 李明刚1 , 赵大翠1 , 田宏伟1 , 高迎新1 , 张晓旭1 , 张搏宇2(1 .电科院东芝避雷器有限公司, 廊坊 065001 ;2.中国电力科学研究院,北京 100192)摘 要:晋东南-南阳-荆门 1000 kV 特高压交流试验示范工程已于

2、2009-01-06 成功投运, 至今系统运行平稳,设备状态良好。 电科院东芝避雷器有限公司为该工程提供了 G IS 型和瓷套型避雷器产品。 基于此, 较详细地介绍了 GIS 型和瓷套型避雷器的研发过程和实绩。 大容量电阻片、G IS 型避雷器和瓷套型避雷器的研发工作都是在株式会社东芝相关关键技术的基础上进行的。 大容量电阻片完全满足 1000 kV 特高压交流 G IS 型避雷器和瓷套型避雷器要求, 具有足够安全裕度, 并早已实际应用于 500 kV 和 750 kV 瓷套型避雷器。 G IS 型避雷器电位分布的解析结果和实测结果相当一致, 满足标书和技术协议要求。 瓷套型避雷器属国际首创产

3、品, 应用了 4 项株式会社东芝具有实际运行业绩的关键技术, 特别是减震技术(装置)大幅度减小了瓷套根部应力, 从而满足抗地震要求。同时在介绍研发过程和成果的基础上, 进行研发工作小结 , 以便积累经验提高认识, 将来更好地为其它特高压交流工程服务。关键词:特高压交流;大容量电阻片;G IS 型避雷器;瓷套型避雷器;抗地震性能;电位分布 ;电流分布;短路电流试验 (或压力释放性能);耐污秽能力中图分类号:T M 862文献标志码:A 文章编号:1003-6520(2010)01-0230-07Research and Development Overview of 1000 kV GIS an

4、d Porcelain Housed Surge ArrestersCH E Wen-jun1 , ZHANG Xiao-xing 1 , LI Ming-gang1 ,ZH AO Da-cui1 , TIAN H ong-w ei1 ,GAO Ying-xin1 , ZH ANG Xiao-xu1 ,ZH ANG Bo-yu2(1 .EPRI T oshiba Arrestor Co .,Ltd .,Langfang 065001 , China ;2 .China Electric Power Research Institute , Beijing 100192 , China)Abst

5、ract:On January 6, 2009,Jindongnan-N anyang-Jingmen 1000 kV U HV AC pilot demonstration project w assuccessfully put into operation,so far the system is running smoothly and equipment is in goodcondition .EP RIT oshiba A rrester Co ., Ltd .provides GIS and porcelain housed surge arresters .T he rese

6、archand developmentprocess and performance of GIS and porcelain housed surge arresters are reviewed detailedly .Research and develop-ment work , including high energy capacity Z nO elements, G IS and porcelain housed surge arresters , is based on thekey technologies of T oshiba .High energy capacity

7、 ZnO element , which has sufficient safety margin, meets the re-quirements of 1000 kV G IS and porcelain housed surge arresters fully , and has actually applied to 500 kV and 750 kV porcelain housed surge arresters .Potential distribution of GIS surge arresters analytical results and measured re-sul

8、ts are consistent , and meet the requirements of bid documents and technology agreements .Porcelain housed surge arresters are an international ground-breaking products, w hich apply four key technologies w ith the actual operation performance of T oshiba .Especially the damping technology(device)si

9、gnificantly reduces the root stress of porcelain bushing to meet anti-earthquake requirements .O n the basis of introducing the development process and results , w e summarize research and design work , in order to accumulate experience and raise aw areness, and better serve for other U HV AC projec

10、ts .Key words:U HV AC ;high energy capacity ZnO elements ;GIS surge arrester ;porcelain housed surge arrester ; earthquake-proof capability ;potential distribution ;current distribution ;short-circuit tests(or release of pressure ca-pability);pollution-resistant capacity0 引言晋东南-南阳 -荆门 1000 kV 特高压交流试

11、验示范工程已于 2009-01-06 成功投运 ,至今系统运行平稳 ,设备状态良好。电科院东芝避雷器有限公司(简称 ETA)为该工程提供了 GIS 型和瓷套型避雷器(简称避雷器)产品。本文综述1000 kV GIS 型和瓷套型避雷器的研发过程和最终成果 ,并进行研发工作小结 ,以便积累经验提高认识,将来更好地为其它交流特高压工程服务。值得一提的是 ,1000 kV GIS 型和瓷套型避雷器的试验研究是按招标文件 、技术协议要求,委托国家电网公司授权的具有检验能力的质检中心进行特高压输电技术车文俊, 张晓星, 李明刚, 等.1000 kV G IS 型和瓷套型避雷器研发综述231的 1 , 或在

12、国内外权威单位进行但同时有国家电网公司专家、监造单位或质检中心人员见证。试验方法上则尽可能使试品与避雷器等价 ;若受某种因素(如试验设备出力和测量等)限制而不能实现等价时 ,则采用试品比避雷器更严格的做法 ,以确保避雷器的运行可靠性。1 大容量电阻片的研发1 .1 研发基础TOSH IBA 公司具有居国际领先水平的电阻片制造技术 ,已于 1985 年实现了第 3 代电阻片的批量生产。此电阻片已实际应用于日本新榛名特高压变电站使用的 GIS 型避雷器中, 该避雷器自 1995-03 投运 ,至今运行情况良好 2 。在此电阻片制造技术的基础上进行技术改良、研制满足中国交流特高压避雷器(GIS 型和

13、瓷套型)要求的大容量电阻片。1 .2主要课题由中国交流特高压避雷器的主要技术参数可知 ,大容量电阻片的主要研发课题是 :增大 2 m s 方波耐受电流, 以留有足够的容量裕度 ;使伏安特性更加平坦,以降低雷电压比和操作压比,即降低保护水平 ;提高电阻片允许荷电率 P ,以保证预期使用寿命。1 .3 研究成果在 TOSH IBA 公司的技术支援下 , ETA 已于 2005-11 研制出尺寸 100 mm 22 mm 、梯度 230 V/mm 、性能国际领先的大容量电阻片。1)2 m s 方波耐受电流:2m s 方波耐受电流自初期的 2200 A ,经过 2500 、2800 、3000 A 的

14、研发阶段 ,目前已达到 3200 A ,是要求值 2000 A 的 1 .6 倍, 容量裕度已足够大。2)雷电压比和操作压比:该大容量电阻片的压比与梯度呈反比线性关系 。将其梯度由 175 V/mm 提高到 230 V/m m ,使其雷电压比(U 5kA /U 2mA , 即雷电冲击 5 kA 下的残压与直流 2 mA 下参考电压的比值)降到 1 .41 、操作压比(U 500A /U2mA , 即操作南部 500 A 下的残压与直流 2 m A 下参考电压的比值)降到 1 .27 , 保护水平满足交流特高压避雷器的要求。3)允许荷电率 P :允许荷电率 P 达 95 %。1000 h 加速老

15、化试验的功率损耗之比约为0 .5,且单调递减,如图 1 所示 ,能够保证避雷器的预期使用寿命 。除此之外, 该电阻片耐受工频过电压的能力极强,达到 1 .3倍额定电压(U r )下耐受 0 .1 s , 且 4/10 s(4 s 、10 s 分别表示波前时间和波尾时间)大电流冲击耐受为 100 kA 。完全满足 GIS 型和瓷套型图 1加速老化试验的功率损耗Fig.1Long term voltage application accelerationtest power loss图 2现场运行的 GIS 型避雷器Fig.2 Running GIS surge arresters at subs

16、tation交流特高压避雷器对电阻片的技术要求 , 并留有足够裕度。此大容量电阻片早已应用于 ETA 生产的 500 kV 和 750 kV 瓷套型避雷器,运行情况良好。2 GIS 型避雷器的研发2 .1 研发基础TOS HIBA 公司曾研制出 1000 kV 特高压 GIS 型避雷器,并已于 1995-03 在日本新榛名特高压变电站安全可靠运行至今 , 为国际领先水平 2 , 3 。 E TA 在此基础上进行了技术改良 ,应用前述大容量电阻片 ,研发出适用于中国特高压试验示范工程的 GIS 型避雷器 ,产品现已运行于晋东南特高压变电站 ,见图 2 。2 .2主要课题尽管 ETA 的研发工作是

17、在 TOS HIBA 公司的 GIS 型避雷器基础上进行的 ,但实际工作所涉及到的研究课题仍然比较繁杂 。主要研究内容(或需要考虑确认事项)包括:1)螺旋结构的绝缘垫板 。GIS 型避雷器在电气上采用 4 柱电阻片并联结构 ,以增大通流容量、降低232高电压技术2010 , 36(1)残压(保护水平);对每柱电阻片又在空间上采用 3 柱螺旋结构,以降低高度(长度)。为实现空间上的螺旋结构 ,需要绝缘垫板 ,且对其电气(尤其绝缘强度)和机械性能要求极高 。2)多柱避雷器电流分布。避雷器为 4 柱并联结构 ,希望 4 柱电流尽可能均匀分布 。应用合适的控制手段,使柱间电流分布不均匀系数 在允许偏差

18、范围内,并尽可能小 。3)整只避雷器电位分布。利用特殊结构的均压环进行均压,尽可能减小电位分布不均匀系数 k , 在持续运行电压U c 、工频参考电压U ref 不变的条件下 , 最大限度地降低轴向最大荷电率 P ,以减轻电阻片的运行负担。4)整只避雷器耐运输能力 。GIS 型避雷器主体尺寸达 2024 mm 4455 mm ,质量达 14 t , 其外形如图 3 所示 ,运输有一定难度 。因此研发避雷器时应考虑其耐(或抗)运输能力, 使其不致在运输过程中遭到损坏(或使性能发生变化)。2 .3 技术路线对于主要技术课题, 在 TOSH IBA 公司的技术支援与协作下, ETA 制订了如下技术路

19、线:1)螺旋结构之绝缘垫板。因对绝缘垫板的电气和机械性能均要求极高, 目前国内制造水平难以达到,而 TOSH IBA 公司已具有制作螺旋结构之绝缘垫板的相关技术和经验 ,故此次 GIS 型避雷器研制中使用的螺旋结构之绝缘垫板是从 TOSH IBA 公司进口的 ,以确保 GIS 型避雷器的运行可靠性 。2)多柱避雷器电流分布。应用电阻片并联分流控制技术(软件), 使柱间电流分布不均匀系数 在要求范围内。 在此方面, ETA 已有丰富经验 , 如 ETA 为中国电力科学研究院(CEPRI)提供的用于甘肃碧成可控串补工程中的限压器(该限压器为 4 柱并联结构,与特高压避雷器结构相似), 经现场实测,

20、 该限压器的柱间电流分布不均匀系数 为1.006 。3)整只避雷器电位分布。与用于日本新榛名特高压变电站的 GIS 型避雷器相比, 此次选用电阻片的伏安特性更加优异 , 梯度由 175 V/m m 增加到 230 V/m m 。这意味着所使用电阻片的数量将减少、铝垫块的数量将增加 ,应重新进行整只避雷器的电位分布解析和实测。4)整只避雷器耐运输能力 。因避雷器很笨重 ,用常规运输试验方法进行运输试验以考核其耐运输能力不方便 、不准确也没必要 。采用 TOSH IBA 公司先进可靠的并具有丰富实践经验的 5g(g 为重力加速度, g =9 .8 m/s2 )管理控制方式来实现运输就图 3 特高压

21、 GIS 型避雷器的外形Fig.3 Outline of UHV GIS surge arrester图 4 日本特高压 GIS 型避雷器的运输试验Fig.4 Transit test of Japan UHV GIS surge arrester可完全解决这一问题。所谓 5g 管理控制方式, 即当避雷器运输时只要加速度不超过 5g ,避雷器就不会损坏 ,其性能不会发生变化。5g 管理控制方式已通过运输试验验证, 且安全裕度极大。日本 1000 kV 特高压 GIS 型避雷器的运输试验见图 4 。为保证运输绝对可靠, 实际产品运输采用了 3g 控制 。2 .4研究成果明确了技术路线, ETA

22、即着手开展了相关研究工作。螺旋结构之绝缘垫板、多柱避雷器电流分布和整只避雷器耐运输能力可应用 TOSH IBA 公司特高压输电技术车文俊, 张晓星, 李明刚, 等.1000 kV G IS 型和瓷套型避雷器研发综述233的技术和经验(或沿用 TOS HIBA 公司的试验数据), 但对整只避雷器的电位分布则有必要进行课题研究 ,而且是最重要的研究课题。应用 TOS HIBA 公司先进的电位分布控制技术(软件),对晋东南特高压变电站使用的 GIS 型避雷器进行了电位分布解析, 其最大电位分布不均匀系数 k 为 1 .071 。又应用低电压法对 GIS 型避雷器的电位分布进行了实测, 结果是 k 为

23、 1 .085 ,与解析结果相当一致, 满足技术协议中 k 1.10 的要求 。电阻片实际允许轴向最大荷电率为 95 %, 实际为 83.6 %,满足技术协议中 P 90 %的要求 ,且实际运行时电阻片负担更轻 ,因此完全能够保证安全运行 。除此之外 , 还进行并通过了 1 .75(0 .5 3 .5) MPa 的罐体水压确认试验。3 瓷套型避雷器的研发3 .1 研发基础对 1000 kV 瓷套型避雷器而言 ,目前世界上还没有研发实绩, 属国际首创产品 2 。其中应用了 4项 TOSH IBA 公司拥有的并已有实际运行业绩的关键技术 :电阻片并联分流控制技术(软件);均压环和均压电容并用时电位

24、分布控制技术(软件); 减震技术(装置);高强度瓷套设计技术 。ETA在此 4 项关键技术的基础上, 并在 TOSH IBA 公司的技术支援下, 研发出适用于中国特高压试验示范工程的瓷套型避雷器, 产品现已运行于南阳特高压开关站,见图 5 。3 .2 主要课题由于 1000 kV 特高压瓷套型避雷器采用4 柱并联结构,高度可达十几m ,故研发难度远远大于其它常规避雷器 。其外形图如图 6 所示 ,主要研究课题有 3 :整只避雷器抗地震强度 ;整只避雷器电位分布 ;多柱避雷器电流分布 ;避雷器元件压力释放性能;整只避雷器耐污秽能力 。3 .3研究成果3 .3.1整只避雷器抗地震强度对 1000

25、kV 特高压瓷套型避雷器而言, 抗地震是其最大的技术研究课题 。8 种方案的解析结果表明 ,宜应用减震技术(装置)和高强度瓷套以满足抗地震要求 4 , 5 。减震技术(装置)是 TOSH IBA 公司的成熟设计,已广泛应用于日本 500 kV 瓷套型避雷器, 安全运行业绩已超过 30 a 。带减震装置的 500 kV 瓷套型避雷器如图 7 所示。对 500 kV 瓷套型避雷器进行地震试验,实测结果表明,减震装置可使避雷器根部瓷套应力减小 61 %5 , 6 。图 5现场运行的瓷套型避雷器Fig.5Running porcelain housed surge arresters at subst

26、ation图 6特高压瓷套型避雷器的外形Fig.6Outline of porcelain housed surge arrester图 7 带减震装置的 500 kV 瓷套型避雷器Fig.7 500 kV arrester with a damping device234高电压技术2010 , 36(1)图 8饼状与环状电阻片的压力释放效果对比Fig.8Pressure released results comparison of pie and ring ZnO elements应用 TOSH IBA 高强度瓷套设计技术, 使抗弯应力达到 40 N/mm2 , 由日本 NG K 公司提供

27、。3 .3.2整只避雷器电位分布应用 TOS HIBA 公司均压环和均压电容并用时电位分布控制技术(软件)研究整只避雷器电位分布。TOSH IBA 公司的电位分布控制技术早已应用于 TOSH IBA 公司的 500 kV 瓷套型避雷器设计 。ETA 在研发 750 kV 瓷套型避雷器时也应用了该技术,其电位分布的解析结果与实测结果相当一致, 最大电位分布不均匀系数 k 均为 1 .18 。由此可见, 该电位分布控制技术具有足够的可信度。3 .3.3 多柱避雷器电流分布应用电阻片并联分流控制技术(软件), 使柱间电流分布不均匀系数 在要求范围内 ,并尽可能小 。它与特高压GIS 型避雷器相同,

28、此略 。3 .3.4避雷器元件压力释放性能对 1000 kV 瓷套型避雷器元件的压力释放装置 ,ETA 引进了 TOSH IBA 公司独特的设计结构。通过计算可知 , 瓷套内部压力最大值为 1 .30 kN/ cm2 ,而瓷套内部压力允许值为 1 .76 kN/cm 2 ,裕度达 35 %以上,可以正常释放压力 7 。从压力释放方面考虑 ,特高压瓷套型避雷器应选用饼状电阻片。由于使用环状电阻片的瓷套型避雷器在进行压力释放试验时应考虑熔丝沿内环短接的问题(有这种短路可能),且国内外的试验经验表明 ,如有短接发生 ,则试品将极难通过压力释放试验(或短路电流试验)。饼状与环状电阻片的压力释放效果对比

29、如图 8 所示。3 .3.5 整只避雷器耐污秽能力E TA 研制的750 kV 及500 kV 瓷套型避雷器特高压输电技术车文俊, 张晓星, 李明刚, 等.1000 kV G IS 型和瓷套型避雷器研发综述235表 1 主要研究课题的最终解析和试验研究结果Tab .1 Major research results of final analysis and experimental studies序号试验项目(地点)试验条件解析结果试验结果1地震试验有减震装置, 水平 a =3 m/ s2 , 垂直 a =1 .5 m/ s2合格合格(中国建筑科学研究院)无减震装置, 水平 a =1 .5 m

30、/ s2 ,垂直 a =1 m/ s2合格合格2电位分布试验有均压电容, 均压环 =3 .8 m合格, k =1 .065合格, k=1 .058(中国电力科学研究院)无均压电容, 均压环 =3 .8 m合格, k =1 .150合格, k=1 .141避雷器最上节 420 mm 2650 mm合格合格压力释放试验用电流值分别为 50 、25 、12 、0.8 k A压力释放试验3(西安高压电器研究所)避雷器最下节 600 mm 2830 mm合格合格压力释放试验用电流值分别为 60 、25 、12 k A4人工污秽试验按IEC 60099-4 7合格合格(中国电力科学研究院)按 GB 110

31、32-2000 6合格待进行(标书未要求)注:3 个电流下的压力释放为同一试品(瓷套);a 为加速度。已按 GB 11032-2000 8 之附录 E 进行了人工污秽试验 ,并顺利通过 。其中, 750 kV 和 500 kV(4 节)的盐密为 0 .06 m g/cm2 , 500 kV(3 节)的盐密为 0.03 mg/cm2 。1000 kV 瓷套型避雷器是 750 kV 及 500 kV 瓷套型避雷器结构的延伸 。除又高又粗外, 在外绝缘方面并无独特之处。只要留有足够裕度, 其耐污秽能力应有保证。3 .3.6 主要研究课题的最终解析和试验研究成果前述介绍了主要研究课题的研究过程和部分成

32、果。为直观起见 ,将主要研究课题的最终解析和试验研究成果汇总于表 1 。由表 1 可知, 无均压电容结构避雷器的电位分布不均匀系数也可以达到 1 .15(荷电率 P =kUc/U ref 1 .141 638/828 =88 %90 %95 %), 完全满足招标文件和技术协议要求 , 且具有运行可靠性高、成本低的特点 9 , 10 。因篇幅所限 ,表 1 未详细给出解析和试验研究结果。详情请见各参考文献和相关文章 4-11 。4 避雷器研发工作小结目前 1000 kV GIS 型和瓷套型避雷器的研发工作已全面完成, 产品早已投运于交流特高压试验示范工程。总结的目的是积累经验提高认识, 将来更好

33、地为其它交流特高压工程服务。4 .1技术要求对技术要求而言 ,其基本原则应该是:对避雷器性能尽可能提出明确具体的技术要求, 而在结构设计上如何实现尽可能淡化 。例如:1)规定避雷器的吸收能量 、残压,不必要求并联柱数;规定外套的绝缘耐受试验方法 ,不必要求干弧距离(特高压避雷器未要求, 但超高压避雷器要求,而且不合理 12 )。2)规定动作负载试验(含老化试验)方法 13 ,不必要求电位分布不均匀系数(以及轴向荷电率、并联均压电容结构),均压环尺寸要求与否可视实际工程变电(开关)站场地大小而定 。3)对密封性能, 除产品漏气率要求 6.65 10-5 Pa l/s外 ,还应加上“或其它有效方法

34、” 。因为仅规定产品漏气率, 为了检验, 往往需要打孔 ,而此“检验孔的密封”又通常不检验。通过打孔而检验密封的方法显然不是最先进的 ,但却限制了其它更先进检验方法的应用。4 .2部件选购不管是 GIS 型避雷器 , 还是瓷套型避雷器, 除核心部件电阻片由 E TA 自产外, 其它部件均外部选购 。GIS 型避雷器的主要部件包括罐体、均压罩、绝缘垫块及绝缘筒。瓷套型避雷器的主要部件包括瓷套、法兰盘、均压电容及绝缘件。对部件选购而言 ,其基本原则(三要素)应该是 :质量优良 、提供及时和价格合理。三者是辨证统一的, 要处理好相互关系。对交流特高压试验示范工程而言 , 质量和工期更重要。5 结论与

35、建议a)特高压避雷器研发的大容量电阻片具有 2 m s 方波耐受电流大 、雷电和操作压比低、允许老化荷电率高、工频过电压耐受能力强等特点 14 , 15 , 完全满足特高压 G IS 型和瓷套型避雷器对电阻片的要求,并有足够裕度。236高电压技术2010 , 36(1)b)TOSH IBA 公司曾为日本新榛名特高压变电站提供 1000 kV GIS 型避雷器。E TA 在此基础上研发的 1000 kV GIS 型避雷器, 其电位分布不均匀系数的解析结果是 1 .071 , 实测结果是 1 .085 , 满足技术协议中 1 .10 的要求 16 。按要求进行并通过了罐体水压确认试验。c)1000

36、 kV 瓷套型避雷器属国际首创产品。其中应用了 4 项 TOS H IBA 拥有的并已有实际运行业绩的关键技术 。特别是减震技术(装置)的应用 , 大幅度减小了瓷套根部应力, 从而满足在水平 a =3 m/s2 、垂直 a =1 .5m/s2 时抗震安全系数达 2 .0 的要求 。同时,无均压电容结构避雷器的电位分布不均匀系数也可以达到 1 .15 , 完全满足招标文件和技术协议要求。d)技术要求的基本原则是 , 对避雷器性能应尽可能提出明确具体的技术要求 , 而在结构设计上如何实现宜尽可能淡化。不应限制更先进的检验方法。要保证选购部件的质量和工期。参 考 文 献 1 国家电网公司.晋东南-南

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