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35kV气体绝缘开关设备国产化的若干问题
点击次数:246次 发布时间:2018/7/2 8:49:11 返回列表

关键词: 35kV 气体绝缘开关设备 国产化 解决方案

一、引言

  随着社会、经济的不断发展,工程建设的复杂程度的加大,用户对开关设备小型化、免维护、智能化的要求越来越高。中压领域尤其是在35kV电压等级,常规的以空气为绝缘介质的开关柜普遍体积较大(柜宽不小于1200mm,体积一般不小于7m),重量较重(一般不小于2t),操作困难,尤其不能满足在高海拔、潮湿、污秽等恶劣环境条件下使用要求。在这种背景下,C-GIS越来越被引起广泛关注。

  柜式气体绝缘金属封闭开关设备(Cubicle Gas-Insulated Switchgear)简称为C-GIS,是高压GIS产品在中压领域的拓展。它是采用低气压的SF6气体、N2气体或混合气体作为开关设备的绝缘介质,用真空或SF6为灭弧介质,将母线、断路器、隔离开关等中压元件集中密闭在箱体中,综合运用现代绝缘技术、开断技术、制造技术、传感技术、数字技术生产的集智能控制、保护、监视、测量、通讯于一体的高新技术产品。具有体积小、重量轻、安全性好、可靠性高、能适应恶劣环境条件下使用等优点。

  近年来,气体绝缘开关设备在我国也得到了迅速地推广与应用,特别是随着我国城市电网建设和改造、轨道交通以及大型工矿企业等对开关设备提出了小型化、智能化、免维护、全工况等新的更高要求,高性能、高品质的充气柜在国内的需求越来越强烈。由于传统空气绝缘开关设备受环境条件(如高海拔、潮湿、盐雾、污秽、腐蚀等)的局限性,已不能满足冶金、石化、矿山以及沿海地区等用户的要求;城市地铁和轻轨、高层建筑、大型企业等场合,因占地面积、空间限制等因素,也必将选用35kV气体绝缘开关设备。35kVC-GIS产品具有广阔的应用前景,目前国内所使用的绝大部分为进口产品。但是,国外产品由于电压等级、35kV电力系统中性点接地方式的差异,还不能完全满足国内用户的使用,因此必须加快国内C-GIS产品的研发、制造步伐。

二、35kV气体绝缘开关设备发展现状

  1982年西门子公司首次在汉诺威展览会上展出了8DA10/8DB10型配真空断路器的SF6气体绝缘开关设备。之后,国外许多制造公司纷纷效仿,各自开发了自己的产品。不同的充气柜结构形式差别很大:一种是铝筒封闭式,一种是钢板封闭式。前者外形象高压SF6封闭式组合电器,后者外形象一般空气绝缘的开关柜。钢板封闭式与铝筒封闭式相比,具有较低的成本、较好的环境协调性和适应性,更容易被用户所接受。就35kV电压等级而言,目前出现较多的主要有:ABB公司的ZV2、ZX2,SEIMENS公司的NXPLUS,ALOSTOM公司的WS,三菱公司的30-GX等,额定电流最大到2500A,额定短路开断电流一般为25或31.5kA ,有个别公司达到40kA,依据额定电流大小,宽度尺寸一般为600mm或800mm。随着计算机技术、传感技术的不断发展,国外C-GIS已在智能化方面取得较大突破,可靠性、安全性进一步得到提高。

  我国柜式充气柜的研发起步较晚,上世纪90年代,一些科研院所和部分企业开始了C-GIS的研制工作,到本世纪,有更多的企业参加进来,研发方向主要集中在35kV电压等级产品。除一些合资企业直接引进母公司技术组装生产外,大部分C-GIS生产厂家都是采用引进技术生产,还无法掌握其核心技术。目前只有以西安高压电器研究所为代表的少数单位自主研发,完成了型式试验,有个别生产厂家通过了产品鉴定。国内产品设计参数一般额定电流为1250A,额定短路开断电流为25kA ,宽度尺寸一般为800mm。国内产品设计中大量采用国际先进技术,产品的技术水平基本达到了国际同类产品先进水平。但是,由于制造工艺等原因,大部分生产厂家还是停留在生产摸索阶段,还无法向用户提供满意的产品。

三、35kV气体绝缘开关设备国产化过程中存在问题

  由于充气柜市场的“蛋糕”十分诱人,国内企业纷纷加入到充气柜的研发中来,希望通过35kV气体绝缘开关设备的产品研制来调整企业产品结构。或者引进产品,或者是合作生产,或者是自己研制。35kVC-GIS产品既不同于高压GIS,也不同于常规空气绝缘的开关柜,开发难度大、周期长、需要花费大量的人力、物力和财力,国产化的进程速度缓慢。无论采用何种方式,企业都必须要有明确自身定位,都必须要认真思考一些问题,有利于减少35kV气体绝缘开关设备国产化过程中的失误。

1.慎重选择产品结构形式。

  C-GIS产品都采取了简化的一次主接线方式,从母线连接技术来分,大致有两种结构形式:一种是气体绝缘母线,安装时必须在现场充气;另一种为固体绝缘母线,目前一般都采用了插接式母线技术,利用界面绝缘来实现柜与柜之间主母线的连通,现场不需要充气。

  两种方式各有优缺点:第一种方式由于现场涉及到气体处理,需要专门的抽真空、充气设备,给安装带来不便,同时也受安装环境的限制,有可能导致灰尘、导电微粒等杂质进入气室中,影响开关设备的绝缘性能;第二种方式虽避免了上述问题,但也带来新问题。界面绝缘只要配合精确(一般要保证0.2MPa的接触压力),长期运行应该是很可靠的,但是,运用到35kV柜与柜之间的连接上来,似乎显得不可靠。众所周知,开关设备箱体体的焊接肯定存在一定的变形,对于3mm或4mm不锈钢板的焊接,变形比普通碳钢板大,变形的存在影响了柜间连接的尺寸精度;开关柜的安装地平也存在误差(一般技术条件规定为小于1mm/m,实际制作的地平还达不到这个要求);两种因素的综合作用无法有效保证界面绝缘的均匀性、可靠性,界面接触的不均匀还会加速硅橡胶的老化。有些产品也曾做了一些防范措施如预制开关柜安装地基,减小安装地平误差对绝缘的影响,但效果并不理想。笔者曾多次碰到由于制造误差、安装误差导致气体绝缘开关设备界面绝缘破坏的现象。

  主母线的连接型式决定了C-GIS的总体结构,制造企业在产品开发以前要慎重选择。如何扬长避短,设计出用户满意的产品。

2.重视C-GIS产品设计中的电场分布。

  35kV气体绝缘开关设备中通常使用低压力的SF6气体为绝缘介质。SF6气体绝缘主要使用的是稍不均匀电场,电场的不均匀程度对SF6气体击穿电压的影响较大,因此,在绝缘结构设计时要采取各种措施避免电场不均匀的负面影响。

  SF6气体中绝缘结构设计通常采用经验公式估算、理论分析计算与试验相结合的方法。尤其要重视试验,通过试验,不断修正电场分布,达到理想的绝缘效果。绝缘结构设计要特别注意以下几个方面:

(1)单纯拉大电极之间的间隙距离,提高的击穿电压值有限。随着电极距离的拉大,电场不均匀程度也增加,击穿电压的增加愈来愈慢。更重要的是如何改善气室内电场分布。

(2)充分发挥固体绝缘介质的优势,有效减小绝缘结构的尺寸。由于固体绝缘介质击穿强度比SF6气体高,设计时应使固体介质承受较高电场强度,而气体和固体绝缘表面承受较低的电场强度。可以采用内置屏蔽电极,改变场强分布的办法来实现。

(3)特别注意三重物质接触点的作用。固体绝缘、电极、气体三者交界部位,由于介电常数的不同,容易引起介电常数小的一侧电场强度升高,发展为沿面闪络。电极与固体绝缘接触部位,容易形成楔形气隙,导致局部场强升高。三重点部分绝缘结构设计中,固体绝缘表面形状设计要合理,尽量使局部电场强度升高人为控制在专门设计的凹坑内,电极形状与加工光洁度也要修正。

3. 特别关注C-GIS产品制造工艺。

  制造工艺是影响C-GIS产品的质量与水平的最重要的方面,国内产品与国外产品的差距也主要体现在工艺上。因此在产品的开发决策时,就必须考虑配套的工艺。C-GIS产品中,必须考虑的工艺有:

(1)箱体的焊接工艺。

  C-GIS产品箱体的焊接是影响产品质量和生产效率的关键工序,焊接既要保证箱体的强度和精度,又要保证气密性。国内一般采用的是氩弧焊或气体保护焊,由于不锈钢板传热很快,即使是在焊接夹具中完成全部焊接,总存在焊接变形,焊接变形的存在对密封表面、装配调试产生不利的影响,焊接的气密性也得不到有效保证。国外企业大多采取了更为先进的激光焊接方式。激光焊接方式有利于减小焊接变形,降低人为因素造成的焊接缺陷,适合规模化生产。但是,激光焊接对箱体的结构形式、不锈钢板材下料精度、焊接夹具设计提出了更高要求。C-GIS产品国产化过程中,国内企业应更多地加以关注。

(2)产品的加工、装配工艺。

  首先要建立严格的加工工艺。电极的表面形状和光洁度、箱体的焊渣、表面划伤与加工部件的毛刺、尖角对气体的绝缘特性影响很大,密封面的加工精度和表面光洁度对密封的可靠性影响较大,操动机构零部件的加工质量也直接影响操动机构的稳定性、可靠性。只有建立严格的加工工艺流程,才能真正保证产品的质量。

  其次,要建立严格的装配工艺。C-GIS产品装配的总的要求是:洁净的环境、规范的操作。洁净的环境要求装配场所密闭,实现温度、湿度、气压可调,实行防尘管理;规范的操作要求装配的每个环节按工艺要求进行,如零部件装配前的清洗、干燥、存放,润滑脂、导电脂、密封脂的使用,不同作用的螺栓的紧固力矩等,都必须按规定要求进行。这样,才能真正保证产品质量。

(3)产品的检测工艺,尤其是泄漏率的检测。

  C-GIS的装配是一个复杂的过程,必须在装配的每一个环节设置检测手段,确保装配后产品质量,减少返工,尤其是对箱体等半成品的过程检漏。焊接箱体的检漏通常采用的方法有水浸法、涂抹肥皂泡等方法,但这些方法无法定性检测出漏气的程度,对半成品也难于作出合格与否的判定。目前比较好的方法是采用氦质谱检漏的方法,利用对氦气非常敏感的传感器的传感,定性定量检测漏气情况,以便及时采取纠正措施。检测判定的数据可以由产品的年漏气率反推得出。

4. 尽快完成C-GIS产品的系列化、智能化。

  目前,国内C-GIS应用还不广泛,所使用的基本上是进口产品,究其原因,一方面进口产品价格太高,影响了C-GIS产品的推广使用,另一方面,C-GIS产品的智能化程度不高、配套件不全也严重影响了用户使用的积极性。

  从国外公司的气体绝缘开关设备来看,已形成不同电流规格、不同电压等级的系列产品。但目前国内的C-GIS产品还很不完善。从电流来看,一般只做到1600A,其他电压等级的产品更少,与用户的使用要求还有一定差距。因此从产品推广的角度出发,应该化大力气来抓产品的系列化。除了所采用的绝缘气体介质不同外,12kV、24kV产品结构形式应该与35kV产品有较大的区别。

  C-GIS产品的智能化方案要适合用户实际使用要求。C-GIS不同于空气绝缘柜,看不见、摸不着,用户从电力设备运行的安全性出发,提出了对C-GIS产品实施密度监测、异常温升监测、智能操作与控制等要求。可以先从这些着手,逐步发展对开关的特性参数、对绝缘件的局部放电、对故障电弧等方面的监测,真正实施由“定期维修”向“状态维修”的转变。

  C-GIS产品的系列化、智能化工作不是单个企业所能完成的,必须依靠行业的带动,解决一些实实在在存在的一些难题,才能使C-GIS产品的系列化、智能化达到新的水平。需要共同解决的问题有:

(1)大量配套件的研发与产业化。如适合充气柜使用的常规电磁式CT、PT;电流、电压传感器、插接式避雷器、插拔式电缆头等;

(2)高可靠、长寿命真空灭弧室的研制;

(3)大电流产品的散热方式;

(4)焊缝的在线跟踪监测与焊缝的离线检测;

(5)各种智能化装置如气体密度在线监测、局放在线监测、温升在线监测等。

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