基于漠河输变电设备低温户外试验场的电力设备低温研究

孙 晨，秦 军，魏春明，吴明君，郭 蕴

(黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨 150030)

高寒地带的低温环境对输变电设备的安全运行以及电网的可靠性有很大影响，造成了设备性能显著劣化，增加了运维成本和维护难度［1－4］。目前，对低温条件下各种材料和结构的电气特性和机械特性的特征、退化规律缺乏较系统的试验研究，难以建立相应的评判标试验准、设备低温性能指标和国家标准，为了评价低温下输变电设备状态，本文结合龙江地域特点，建立高纬度地区低温环境下输变电设备试验体系，研究在真实环境下电力设备低温运行的规律和特点，以保证电力设备在寒冷地区能安全可靠运行。

1 电力设备低温失效机理及试验规划

1．1 电力设备低温失效机理

为了确定低温研究的内容，需要确定和梳理低温条件下电力设备存在的问题及影响机理。低温下电力设备故障有多种表现形式，如暴风雪引起的电塔倒塌;高压断路器操作机构拒动;断路器SF6压力下降，断路器闭锁，甚至退出运行［1，3，5］;断路器操作机构和继电保护不能正确动作;隔离开关不能正常分合;设备外绝缘的纯瓷和合成材料变形开裂;导线，金具等金属材料发生断股、断裂等。

低温对电力设备的主要损害表现在电气性能损害和机械性能损害两方面。电气性能损害为绝缘性能［6］、开关的开断能力、灭弧能力、动作可靠性等方面的故障。机械性能损伤为机械强度、形变、机械动作特性等方面的损害。其中，低温条件下SF6设备性能的劣化较为显著，在实际运行中多次发生断路器低温报警、压力报警、断路器闭锁情况［1，3，5］。这是由于 SF6气体在低温和加压情况下发生液化，液化后SF6设备绝缘、灭弧能力降低，进而导致报警甚至闭锁和退出运行。此外，低温还会造成油品的粘滞和凝固，造成油冷却变压器、套管、断路器的操作机构等用油设备的异常动作和指标降低;低温还会造成金属材料机械性能的改变，对液压系统和弹簧系统、输变电设备中采用的金属元件、导线等均会产生不同程度的影响。复合绝缘子等中的绝缘材料常年处于低温条件下，所以会造成橡胶等合成材料性状变化，造成绝缘能力和电气性能下降、气体泄露等情况的发生。

1．2 试验规划

根据低温对电力设备的影响机理，确定了本试验场地主要的研究内容有:

1)电气性能低温特性研究。包括SF6断路器、隔离开关、绝缘子、电容型设备低温条件下的通断性能、介质损耗特性、工频耐压等。

2)机械性能低温特性研究。包括金具的拉力、扭力等常温、低温对比试验;线路低温弧垂特性;断路器通断速度等。

3)SF6气体低温特性研究。主要包括低温液化和低温泄露两方面。

根据当前电力系统低温运行的特点和需求，从工程、环保、资源利用最大化等各方面综合考虑，“高纬度地区低温条件下输变电设备运行技术的试验研究”科研项目，试验目标确立为电压等级满足开展500 kV及以下电压试验的需要，试验装置满足气体绝缘金属封闭组合电器(GIS)、断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、瓷质绝缘子、合成绝缘子、金具、导线和地网的电气性能以及机械性能试验;分析能力满足绝缘介质(包括矿物油、SF6、SF6混合气体、SF6分解物、油纸结构、固体绝缘物)化学分析等各专业系统化科学试验的需要，最终使试验体系具备系统试验和综合分析的能力。

2 试验设计

2．1 电气布置

试验场地呈“7”字形，如图1所示。试验区布置2组宽11 m、高20 m及1组宽28 m、高20 m钢构架，构架安装800 kV“V”型绝缘子串，每个“V”型绝缘子串均采用卷扬机控制升降，以便被试设备连接。导体采用无晕导线。试验设备布置1套800 kV工频谐振耐压试验装置。固定被试设备安装1台220 kV隔离开关(三相)、1台220 kV SF6断路器(三相)、1台220 kV SF6罐式断路器(单相)。

2．2 电气测量系统

试验研究工作的时间均在冬季，气温大多数在－30℃以下。为了便于试验，电气测量系统采取移动车载集成方式，优势在于将必要的户外进行试验的仪器设备安置于机动车中，使试验仪器保持较好的工作环境，保证测量精度和准确性。其次，通过集中接口与被试品连接，方便试验研究的顺利开展。根据高纬度低温地区的环境特点，制定了操作控制车本体、车辆改装结构、车载试验仪器设备集控操作、性能指标以及相关辅助系统和操控软件等方面的技术要求与设计。

2．3 防雷和接地

钢构架安装1组30 m避雷针，与原变电所避雷针配合作为试验区域的直击雷保护。

为保护试验区域内设备及人身安全，特别是冬季冻土条件下接地安全，变电所内敷设以水平接地体为主，辅以垂直接地极的人工接地网。复合工频接地电阻符合均小于1 Ω的要求。

3 试验项目及结果

3．1 该试验场主要开展的试验项目

1)低温环境下输变电设备电气性能试验能力的体系建设。

2)SF6断路器、隔离开关在低温环境下的电气性能和机械性能的试验研究。

3)瓷式绝缘子、合成绝缘子在低温环境下的电气性能和机械性能的试验研究。

4)电容型设备在低温环境下的电气性能和机械性能的试验试验研究。

5)导线、金具等输变电设备在低温环境下的电气性能和机械性能的试验试验研究。

3．2 试验结果

1)在低温条件下，完成了SF6断路器操作机构分合速度和同期性的情况和性能试验及交流工频耐压电气试验等有关电气性能参数试验。

2)SF6气体低温特性研究方面，首次获得在高纬度地区低温环境下的SF6压力、温度和密度的试验数据并形成新的SF6气体状态分析经验公式，为低温条件下SF6设备安全运行和制定相应技术标准提供了科学依据。

3)针对在低温下运行的SF6电气设备的密封和泄漏问题，在低温条件下SF6断路器密封部位，通过采用激光成像试验等方法进行了局部泄漏和整体密封性能规律的试验研究。

4)完成了低温环境下导线弧垂变化以及线路金具机械性能的试验研究，得到了低温情况下弧垂和金具机械性能的影响和变化趋势。

4 结语

黑龙江省电网漠河输变电设备低温户外试验场首次实现了在中国纬度最高地区进行输变电设备低温条件下的试验研究，形成了一套对输变电设备低温条件下电气性能的试验体系，能够评价低温下输变电设备运行状态，提供有关电气性能参数，制定相应技术标准。未来，随着更多试验项目的开展和试验功能的完善，该试验场地将会对国家电网的生产、运行和科研等方面提供更有利的参考作用。

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