更加关注高压开关设备的可靠性

更加关注高压开关设备的可靠性 张宗九 高压开关行业经济指标和产品产量全面增长，产品更新换代明显加快，有力地推动了行业的技术进步。与此同时，2007年年鉴在40.5kV及以下产品的技术发展一节中指出，高可靠性是制造业永恒的主题，长期以来我们一直在片面追求开关的开断性能等技术参数，事实上可靠性水平是我国断路器与国外最先进断路器的最大差距，并且真正做到开关的高可靠性与免维护要比提高技术参数实用得多，也困难得多。这个论述很符合当前国产产品的现实状况，虽然提高开断性能等技术参数也是十分重要的任务，但在当前的实际情况下，相对来说提高设备的可靠性更为重要。 一、运行实践是检验产品可靠性的尺子 归根结底运行实践最重要，根据运行情况才能正确评价产品质量的优劣，优质产品不仅在理论上更重要的是在运行中质量可靠。比较典型的如对高压产品配用气动机构的反馈意见比较多，市场不欢迎，此类产品只能停产或被淘汰。 对高压开关设备的要求和其他电力设备一样，各项要求要统一到能安全可靠运行。因为开关设备有运动部件，特别强调可靠性，要在长寿命少维护等性能方面不断提高和突破，以便更好地满足电力工业的要求。随着技术的进步，对开关设备还有小型化、高技术参数和性价比等要求。对于中压开关设备，有些用户还对其闭锁功能和智能化功能等方面有特殊的要求。所有这些要求都必须以保证可靠性为基础。 安全运行说到底就是防止和减少设备的故障与事故。因为多年运行经验表明，设备发生故障或事故的原因多数在制造方面，因此提高开关设备可靠性，更多的是制造企业面临的任务，但应该得到运行单位和使用部门的配合，根据运行经验提出反馈意见和建议，使生产企业的改进措施更有效更实用。同时，对设备的运行情况应深入进行分析，以便提出的决策和改进措施更合理、更科学。 二、电网对高压开关设备的具体要求 以高压交流断路器为例，它是电力系统中重要的控制和保护设备。其基本功能包括正常和故障条件下的操作和运行。 在正常情况下，根据电网运行的需要，应能安全可靠地关合、承载和开断回路负载或空载电流(称为合闸和分闸)。当电力系统发生故障时，根据继电保护装置的指令，应在规定时间内正确动作，可靠开断故障短路电流(额定短路开断电流以下)包括过载电流。能把故障设备或线路断开，保证电网无故障部分的正常运行。 对于高压输配电线路，还要求断路器具备单相或三相自动重合闸功能。总之，高压交流断路器应能按照要求可靠地投切正常的或有故障的设备和线路，并可靠地在合闸或分闸状态运行。 现代断路器都是有触点断路器，开断和关合带电电路或短路故障是其最重要的任务，尤其在分闸时，动静触头从得到命令到触头分离开始产生电弧，直到最终电弧熄灭，要在极短暂的时间内(其中，燃弧时间仅在一二十ms范围内)完成，达到使电路完全断开的目的。 概括地说，高压断路器要完成控制和保护功能，应该具备有两种正常运行状态和按要求完成两种瞬时动作过程。正常运行状态包括合闸和分闸，要求其绝缘和导电功能正常，包括合闸状态的动热稳定性能满足要求，并且要求保持稳定，不允许发生误动。两种动作过程即从分闸到合闸以及从合闸到分闸，要求能可靠关合和分断，不允许发生拒动，关合操作包括关合额定短路电流都应合闸可靠关合到位，开断操作要求可靠分断各种性质的电流，要关注重燃或重击穿以及截流性能问题，即要求实现平稳可靠开断，不产生危险的过电压。高压断路器对熄孤时间有严格要求，线路断路器通常要求具备一次自动重合闸的功能。 考虑到上述的功能要求，高压开关设备的设计、制造和分析必须考虑其绝缘性能、导电性能、灭弧和关合能力、操作性能等各方面，在符合规定的前底下，还应考虑实际的运行条件，以满足运行实际的需要。相对来说，研究和关注最多的是灭弧室和操动机构，但实际运行中关于绝缘、导电和分合闸操作险峰的间颇审穷、百突出。 三、影响高压开关设备安全运行问题分析 1．重视运行经验的积累和反馈重视产品的质量是制造厂和用户共同关注的问题，有的企业明确质量就是生命，把产品质量放在首位，这是很正确的指导思想。制造厂家曾推行了很多保证质量的管理方法，收到了很大效果。原则上应要求出厂的设备绝不把缺陷遗留到现场，出厂时首先要做到制造者自已满意。但有时候只停留在口头上，缺少具体实施，没有能落实到每个生产环节。少数出厂产品可能留有潜在缺陷，有的甚至是重大缺陷，没有被及时检出，当条件具备时就会暴露而发展成故障甚至事故。运行中发生故障或事故，往往处理困难，损失重大，并对质量评价和产品信誉有较大影响。因此要求产品不存在重大缺陷，至少在寿命期内不发生。 产品在运行中发生故障后会进行分析，相对而言，故障事例分析非常有价值。可是实际故障比较复杂，尤其是重大故障，短路电流大，短路时间长，故障现场面目全非，找到真正原因就困难。国内更缺少相应的统计和定量分析，要做到具体事件具体分析，比较客观地进行质量评价，对发生概率非常非常小的事件应客观地实事求是地分析和。 很多情况下选购产品要进行招投标，在评标时常常要分析厂家制造能力、工装工艺和产品型式试验等。目前的实际情况是大多数产品的质量有所提高，运行情况基本良好，有的还得到用户的好评。但经验也表明，有不少通过型式试验的产品在运行中却不太理想，虽然有的产品有的项目是化巨资在国际上著名的试验站例如荷兰KEMA试验站通过的。例如产品开发成功并通过型式试验，往往保证机械寿命几千次甚至数万次，但有少数产品在投运时或投运初期发生故障，有的开关设备只经过不太多的操作次数，就发生拒合拒分、密封失效以及部件损坏等问题。究其原因，或者是型式试验送试品加工制造比较精细，而批量生产产品在用材或工艺等方面与型试产品不符，或者是产品设计和制造工艺不符合长期的运行实际，也有的是外协件不过关或个别的工艺失控。评价质量应综合考察企业的制造能力。 现在有一种追求型式试验项目越多越好的倾向，事实上并不正确。时至今日，高压开关特别是高压断路器的开断能力最终要以实际试验来验证，这在客观上希望试验做得越多越好。鉴于我国的试验资源比较紧张，有些型式试验项目的成果是可以让全行业借鉴的，如防凝露试验，如果绝缘距离和爬电距离比较接近，其防凝露绝缘能力应该是可信的。再如内部故障电弧试验，其性能主要决定于开关柜的机械结构，很多企业都做类似试验，重复进行收效甚微。类似这些项目按标准规定是协商试验项目(新标准称：适用时，强制的型式试验项目)，但为了满足一些用户的这类要求，制造企业只能增加这些试验项目。有的用户也只求有试验报告作证明，不求实际上采取了什么措施。 企业规模有大小，但制造能力和产品结构各有短长。大企业比较有优势，因为资源相对丰富，市场营销能力强，生产量较大。但中小企业也有特长，可以集中力量开发品牌产品。即使相同型号产品，在工艺、材料和结构方面也有很多差异。现代产品要采用大量的配套件，而生产配套件的企业越来越多，所以要注重配套件的选购，对配套件厂的产品既要高要求又要帮助其提高和发展。 另外，往往要求制造单位提出关于产品寿命、检修周期和检修项目等维护的说明，所有这些参考应该根据运行实践予以确认和完善。 2．关注产品绝缘性能可靠 开关设备的绝缘事故比较多，绝缘性能包括对地、相间和断口等方面，出厂试验通常用工频耐压试验来考核，并都有相应标准作了规定。 中压开关设备上发生问题比较多，占相当大比重。例如额定电压12kV开关设备，工频耐压标准为42kV／1min，对隔离断口要提高到48kY／1rain。42kV试验电压差不多是运行电压的7倍，正常运行应该没有问题。绝缘事故的发生有的是设备存在缺陷，有的是运行条件比较差，另外也有系统的过电压保护措施不够完备。应从分析绝缘结构和改进运行条件着手提高运行水平，依靠提高耐压水平来减少事故显然不是解决办法。 值得注意，绝缘试验是在正常和全新条件下进行的，没有考虑长期运行老化、环境条件变化、运行时温升等的影响。 关于绝缘结构，空气绝缘能力主要决定于绝缘距离，当然希望空气距离越大越好。经过全工况试验验证，12kV等级开关设备的空气绝缘净距要求大于125mm，40．5kV等级开关设备的要求大于300mm，国家电网公司十八项电网重大反事故措施以下简称反措)要求达到360mm。为满足这个要求，很多产品只能采用复合绝缘结构，并且提高了生寓工艺，尽量消除局部高场强的情况。例如增加绝缘隔板和硅橡胶套，但缺乏关于隔板厚度、检验方法等的试验验证和规定，可能留有事故隐患。关于绝缘板材质，反措明确应采用如环氧或SMC等阻然绝缘材料，严禁采用酚醛树脂、聚氯乙烯及聚碳酸脂等有机绝缘材料。 今年某地就发生过一次雷击造成40．5kV开关柜电缆室相间击穿事故，避雷器保护设施正常，相间隔板击穿点却不是相间的最小距离处。事故隔板击穿点呈一小洞，并有裂缝。是过电压太高，还是绝缘隔扳原有缺陷，客观的分析要进一步开展试验研究。 正常运行情况下发生复合绝缘故障，还是应该考虑绝缘结构问题，可能存在绝缘件局部场强过高，其内部或表面有局部放电发展而成。应改进设计和工艺，例如尽量消除高压柜穿墙套管安装孔毛刺，通过试验决定是否采取均压措施等。 尤其是小型化产品要在绝缘设计上做工作，要优化绝缘结构，并重视绝缘材料的选用和配置。 关于改善运行条件主要是防凝露问题，开关柜的应对措施是在柜内装设加热器和温湿度控制器。运行中反映这类附件质量比较差损坏严重，有用户建议在配电室设计统一安装空调，在空气湿度大的时候开启，既能除湿又能降温，效果更好，同时也能在夏季适当降低环境温度。反措就有类似规定，要求在开关柜配电室配置通风、防潮设备和湿度计，并在梅雨、多雨季节或运行需要时启动，防止凝露导致的绝缘事故。看来运行单位对改善环境条件应采取应对措施。 也有资料报导，目前普遍使用的小型化开关柜虽然是按照全工况条件设计的，同时采用了较多的绝缘材料。在脏污、潮湿、凝露的环境条件下会受到严重的腐蚀，介电性能下降，引起放电、闪络。笔者认为，对于环境条件相当恶劣的地方，可以考虑采取特殊的措施，例如选用固封极柱真空断路器、推广使用充气式开关柜等方法，否则就应采取改进环境运行条件的措施，继续依靠加大绝缘距离和爬电距离显然不是好的出路。 3．防止导电回路过热故障 导电回路故障主要是接触不良问题，也有设计不当试验验证不严的原因，在12—40．5kV中压开关设备中问题最突出。 出厂试验时只能进行回路电阻测量来检验，通常规定测量值与设计值的偏差不应过大，偏差控制在20％。经验表明，测量回路电阻当然是必试项目，但不能依赖作为评价产品导电回路质量的唯一标准。回路电阻测量合格仍发生导电故障的事例和教训很多，尤其是高压开关柜，由于串联环节很多，测量回路电阻很难检测局部接触不良缺陷，而运行状态封闭的开关柜又缺乏温度的在线检测方法，所以运行单位要予以特别关注。 每年夏天气温极高，系统负荷又重，特别是大电流开关柜已多次发现发热异常现象，有的开关柜外壳温度高得手都摸不上，运行人员及时汇报采取措施才避免发生事故。 解体检查，发现有的硅橡胶套开裂，有的金属部件表面局部变色，问题出在什么地方呢?反复研究认为，除了要控制导电回路连接良好，注意大电流柜金属部件的选用外，开关柜通风不良是出现异常的主要原因。例如对于额定电流3150A及以上的开关柜，在电缆室、母线室和开关室都应开设相当截面的进出风口，以使产品在较小电流如2500A以下正常运行，在电流更大时在有关隔室装设风机进行强迫通风，并经计算要求达到一定的通风量。即使如此，运行单位还应加强监视。 现行开关柜的技术参数中都采用IP4X的外壳防护特级标准，其实户内开关柜的防护等级并不月越高越好，如果采用IP2X等级，也能起到相应的隘护作用，包括防止小动物进入，防止电弧窜出等攻能，但对设置通风进出口极为有利。 4．关于机械故障问题 机械故障主要包括拒动和误动等，其原因有操动机构和机械方面的原因，还有电气控制和辅助回路的问题。户外产品发生机械故障主要在操动机构，尤其是经常会出现机构卡死、操作失灵现象。 弹簧操动机构中常常设有缓冲器，必须调整适当，保持性能良好。反措指出，为防止运行断路器绝缘拉杆断裂造成拒动，应定期检查分合闸缓冲器，防止由于缓冲器性能不良使绝缘拉杆在传动过程中受冲击。 中压开关的机械故障造成的影响相对要轻一些，随着产品质量提高，运行情况也逐渐趋好。例如根据反事故措施要求，真空断路器应选用一体化结构的产品，二次回路元件应选用品牌产品，甚至规定二次端子排选用凤凰端子等。 机械寿命是开关设备的重要参数，但通过机械寿命试验却只能作为参考。制造单位应不应只满足型式试验的通过，要具体落实到出厂的每台产品中。 5．关于少维护和免维护 对高压开关设备的更高要求是少维护和免维护+这是大家追求的月标。也：是应该熊实现功。在IEC标准和新的国标中，提出了E2级断路器的概念，具体是指具有延长的电寿命的断路器，在其预期的使用寿命期间，主回路中开断用的零件不要维修，其他零件只需很少的维修。很少维修是指润滑、补充气体以及清洁外表面等。这些标准还规定E2级断路器在型式试验中要通过多达274次短路电流开断试验。 有的企业认为，按照标准的规定在型式试验中通过了274次短路电流开断试验，就达到了E2级断略器的要求。其实，更重要的是断路器要具备少维护的功能。从某种意义上讲，在运行寿命期内具备少维护功能应该更重要，并将作为用户对产品进行维护检修的依据，也是当前开展和推广状态检修的基础。标准规定不属于E2级的则规定为n级断路器，没有要求在型式试验中进行多达274次短路电流的开断试验。虽然也没有明确少维护的要求，对于现代真空和SF6断路器，也应坚持少维护的目标。高压开关设备的技术进步对运行单位的维护检隆有极大的影响，在电力系统减人增效方针的指导下尤为重要，有的运行单位过去有人数众多的开关旺，现在只要留少数几个人进行维护工作。 由于新标准执行时间不长，而高压开关设备在电网中的重要地位，用户按习惯做法仍要对设备进行定期维护和检修，例如对真空断路器的灭弧室还不太放心，大致每1—3年进行一次工频耐压试验，虽然工作量很大，频繁进行耐压试验加快了绝缘老化的进程。所以希望不断积累经验，不久将来在这方面期望有比较大的突破。 四、规划20kV电网促进了高压开关设备的发展 1．发展20kV电网是现实需求 我国配电系统长期以来采用lOkV电压等级，随着国民经济的发展，特别是城市电网的发展，该配电电压等级逐渐显现出与电网发展不相适应的问题，提高配电电压等级成为现实的要求。已有很多实践证明，提高配电电压等级采用20kV供电有相当多的优点，可以增加输送容量、扩大供电范围、降低线损、改善电网结构、提高电能质量。同时，配电电压的选取与没备胎绝缘结构以及电压等级的配置等问题有关，采取更高的配电电压等级也不可取。 具体地分析，中压电网的选定直接关系到电网的基建和发展、运行费用和经济效益。技术上影响到负荷密度、传输容量、电压降、损耗以及绝缘配置等问题，更多的可以与lOkV电网相比较。 理论上，20kV线路送电容量将比lOkV电压等级提高1倍，根据P＝UlcosΦ计算，在负荷电流和功率因数不变时，输送容量与电压成正比。 采用20kV电网也可使线路的电能损耗大为降低，假定输送容量不变，电压升高，电流减小，有功损耗与电流平方成正比，也就是与电压平方成反比。提高电压等级将使供电线路的电压损失减少，在输送容量等条件不变的情况下，电压提高，电流降低，在线路上的压降也成比例减小。考虑相对值的话，电压降低的百分数与电压的平方成反比。 当然，由于我国的运行经验还比较少，有些具体问题要逐步予以解决，如中性点接地方式、过电压保护和绝缘配合等。对于制造企业，必须研发制造相宜的一次装备，特别是发展性能优良的20kV电压等吸高压开关设备。 2．相应的高压开关设备及参数 (1)绝缘水平与电压等级关系密切，额定电压为24kY的高压开关设备的绝缘水平在各有关标准中已有规定。但要区分为中性点接地系统和中性点不接地系统，有关标准规定的相应绝缘水平数值如下： ①工频耐压(1min，有效值) 相间及对地 50／65 kV 隔离断口间 65／79 kV ②雷电冲击耐压(峰值) 相间及对地 95／125 kV 隔离断口间 125／145 kV 斜线上面的数值是对应于中性点接地系统的要求，斜线下面数值是对应于中性点不接地系统的要求。 在有些招投标项目中，不同企业的投标产品就有给出两种耐受电压水平，一般来说评标意见可能倾向于采用高耐受电压水平的产品，如果耐受电压水平的提高对价格几乎没有什么影响，用户通常会采用较高标准的产品。而有些在招标时干脆规定绝缘水平按就高不就低的要求编制，为了适应这种要求，并且也可简化设备品种，不少企业的产品都按中性点不接地系统的绝缘水平设计和生产。另外，虽然有关标准只对隔离断口提出了更高耐受电压的规定，但因为耐压值取高一点总比取得低更安稳，所以不少单位招投标时往往将断路器断D的耐受电压水平全部提高到隔离断口的耐压水平。其实，关于这个问题还有进一步探讨和研究的必要。 ③关于绝缘距离和爬电距离 空气净距(相间和相对地)≥180mm(不满足时采用复合绝缘) 爬电比距(纯瓷绝缘、有机绝缘)≥18 mm／kV、20 mm／kV 采用绝缘隔板时，高压导体与该绝缘板间的空气间隙建议不小于50mm。 这些数据是参考原有的12kV和40．5kV开关设备确定的，应该说明关于绝缘配置还有一些问题比较模糊，例如空气净距当然越大越好，但过分增加不仅没有必要，也无法实现产品小型化的要求。另外应该明确绝缘隔板的材质和厚度等方面的要求。诸如此类问题应在运行实践中总结，必要时应进行相关的科学研究，使相应的规定更合理更科学。 (2)额定电流和额定短路开断电流 随着配电容量的不断提高，曾设计1lOkV等级容量100MVA的降压变压器，相应于lOkV电网要求提供额定电流为6300A的产品。额定电流的大幅提高，特别牵涉到产品的导电回路设计和壳体涡流发热等问题以及强迫通风问题。虽然已有相应产品问世，但往往设备结构庞大，要设计并配置多台风机，实际运行也面临较大困难。 对于20kV电网，相应的额定电流为3150A的产品即可满足要求，其他额定电流参数选为1250A至2500A，不少制造企业已有相应于这些额定电流水平的系列产品。 关于额定短路开断电流，目前推荐有25kA、31．5kA两种规格。 (3)高压断路器的开发 24kV高压断路器是该电压等级的最重要高压电器设备，已有很多企业能提供相应的高压真空断路器以及开关柜等设备b当前比较多的产品采用复合绝缘结构，更多的是采用固封极柱的真空断路器，并且都达到E2级断路9S水平。如在我省招投中按照反措要求都规定配装一体化布置的弹簧操动机构，曾采用的晶牌国产的有VEP、VBC、VED4等型号，中外合资或进口产品有HVX、3AH、VD4等型号。 (4)柜体选择的注意事项 24kY开关柜主要有铠装移开式金属封闭高压开关设备和C—GIS充气柜两类，第一类有时也简称为中置柜，目前采用最为普遍。 对开关柜的选材、结构等方面作了一些初步规定。为了统一起见，我省相关技术推荐柜宽尺寸为1000mm，典型产品柜高2300／2400mm，柜深1750mm。外壳推荐采用敷铝锌板的组装柜，电缆出线柜的电缆室要求电缆头连接高度大于750mm。柜内母线必须采用铜质材料，推荐在母线表面增加绝缘材料，使母线各部位没有裸露部分，绝缘材料优先采用瓷质、SMC或环氧制品，大电流柜以及Pr柜的活门挡板采用SMC板。强调大电流柜的相关载流体旁的金属隔板采用非磁性材料，防止涡流发热。 选用干式环氧浇注电流互感器和电压互感器，对其局部放电性能提出了严格的要求。 在反措中更重申了对防误操作的要求，根据这个精神，要求成套高压开关柜五防功能应齐全、性能良好。开关柜出线侧宜装设带电显示装置，带电显示装置应具有自检功能，并与线路侧接地刀闸实行联锁，配电装置有倒送电源时，间隔网门应装有带电显示装置的强制闭锁。随着技术的进步和电力系统运行水平的提高，误操作事故必然会逐渐减少，防误操作装置应力求简单可靠，这样也将能提高设备整体的可靠性。口 PAGE 4