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特高壓交流輸變電裝備最新技術發展(開關設備篇)

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特高壓交流輸變電裝備最新技術發展(開關設備篇)

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摘要:特高壓工程大規模建設,核心裝備是關鍵。爲促進特高壓交流輸電技術的進一步發展,對特高壓交流變壓器、氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)、串聯補償裝置和避雷器等關鍵裝備的最新技術發展進行了總結和展望。結果表明:特高壓變壓器應選擇局部放電概率爲1‰時的電場強度允許值作爲許用場強;采用器身端部磁屏蔽、油箱電屏蔽、油箱磁屏蔽、采用不導磁鋼板等漏磁控制措施可有效降低1500MVA大容量特高壓變壓器的漏磁和溫升;特高壓斷路器的開斷能力可達63kA,采用基于“三回路法”的合成試驗回路可突破試驗設備限制,完成1100kV斷路器開斷試驗;明確了通過在“立式”隔離開關靜觸頭側安裝阻尼電阻來限制VFTO的幅值和頻率;提出了從持續運行電壓的角度出發,特高壓避雷器的額定電壓降低到780kV是安全的。未來特高壓交流輸變??電裝備應在高可靠性、大容量、新工作原理和性能參數優化等方面進行深入研究。
 
特高壓氣體絕緣金屬封閉開關設備發展
 
我国的特高压变电站均采用特高压GIS,由斷路器、隔离開關、接地開關、电流互感器和母线等設備构成。前期,国内制造企业和国外企业合作研发了特高压GIS,额定短路开断电流为50kA,于2009年在晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程成功投入运行。 2011年后,国内开始着手特高压GIS国产化和技术提升工作,研制出短路开断能力63kA的产品,投入特高压交流试验示范工程扩建工程运行。随后,实现了特高压斷路器操动机构、盆式和支撑絕緣子的国产化,在皖电东送和浙福特高压交流输电工程中大量应用,技术参数达到国际领先水平。
 
特高壓GIS研制過程中,特高壓斷路器、隔離開關、盆式絕緣子等部件的研發,以及大短路電流開斷、特快速瞬態過電壓(VFTO)抑制和高絕緣設計等是關鍵難題,下面進行分別介紹。
 
1特高壓斷路器
 
特高壓斷路器電壓高,短路開斷電流大,直流分量衰減時間常數達120ms,開斷困難;需建立等效實際開斷工況的試驗回路,對開斷試驗提出了更高要求,需要開展絕緣、短路開斷和試驗技術研究。國內對斷路器的絕緣性能、開斷能力和試驗技術等開展了深入研究,研制出雙斷口/四斷口、開斷能力63kA的特高壓斷路器。
 
1)絕緣性能
 
根據斷路器內部結構,結合SF6、環氧樹脂、陶瓷等材質不同介電常數,建立了電場仿真模型,對絕緣特性進行了分析計算,見圖6。滅弧室斷口的計算條件爲一端施加2400kV雷電沖擊電壓,另一端施加反極性峰值爲635kV的工頻電壓,即900kV,這是最爲苛刻的條件。根據電場要求對産品結構進行優化設計,試驗驗證滿足了絕緣要求。
 
2)開斷能力
 
在開斷能力50kA斷路器的基礎上,對滅弧室結構進行優化設計。綜合考慮分閘速度、壓氣室容積、噴口形狀及開斷電流等條件的影響,對斷路器開斷63kA短路電流過程中的氣體壓力進行了仿真計算分析,氣壓分布見圖7,壓氣室和噴口處獲得了較高的、理想的氣壓。通過斷路器樣機進行的性能驗證試驗,對分閘速度、燃弧時間、燃弧區間、預擊穿時間等參數進行了改進設計。型式試驗結果表明,研制的特高壓斷路器具有優越的大短路電流開斷能力。
 
3)操動機構特高壓斷路器采用大功率液壓操動機構,對操作特性及穩定性提出了很高要求。在開斷能力50kA的特高壓斷路器用液壓機構基礎上,按照模塊化設計,增大機構輸出功率,采用大流量快動閥、集成式多級緩沖系統及格來圈、斯特封形式的密封結構,通過優化各結構參數,獲得了優異的機械特性,同時具有操作速度可調的優點。
 
4)短路開斷試驗技術
 
我国特高压斷路器的短路开断试验采用电流引入合成试验方法,试验时适当调整电压源的引入电流和频率以满足零区考核等价性的要求。当额定电压高于800kV时,电流引入法的试验設備达到极限,不能满足特高压斷路器的整极试验要求。为此,提出了一种“三回路法”的合成试验回路,试验接线见图8。在大电流阶段,通过试品的电流由电流源提供,过零开断前适当时刻第1套电压回路投入,被试斷路器中流过由电流源和第1套电压回路共同提供的电流;试品过零开断后,由第1套电压回路在斷路器一端提供TRV起始的部分,在此TRV上升到一定阶段时,第2套电压回路投入,同时施加在斷路器另一端与外壳,两套电压回路的电压叠加,共同构成施加在试品两端的恢复电压,且满足对壳体的全电压考核;回路切换中,应确保电流零区的等价性要求。 “三回路法”合成试验回路等价性好、安全性高,成功完成了1100kV斷路器的T100s和T100a的整机开断试验。

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