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2006年高压开关技术信息培训讲义


2006 年高压开关技术信息培训讲义
(内部资料)

2006 年 10 月

2006 年高压开关技术信息培训讲义

我国电网建设与高压开关设备......... 李建基(1) ...... . ..

真空开关............. ..... 颜丽萍(33) ..........

........

高电压试验技术和绝缘配合........ 王建生 崔东 ........ (42)

中压气体绝缘金属封闭开关设备的设计..... .王平(116) .....

我国电网建设与高压开关设备

西安高压电器研究所

李建基

2006 年高压开关技术信息培训讲义(一)

我国电网建设与高压开关设备

“十一五”期间,我国将迎来电网建设的新高潮,全国电网建设的总投资将 达 1.2 万亿元。投资重点在区域和省的主干线、重点城市配电电网和农村电网的 建设。2006 年全国投资规模将在 2000 亿元左右。 电力电网建设主要表现在我国加快超高压特高压电网建设、投资 2200 亿元 打造城市电网(城网) ,农村电网(农网)建设改造进入快车道。 电网的大发展必然促进高压开关的大发展, 高压开关设备必将有更大的市场 和发展空间。高压开关设备技术不断在进步之中。一年一度,笔者在这里介绍高 压开关设备技术的最新发展动向,取得进步和推出的新品。

一、我国加快超高压特高压电网建设—4000 亿元创建特高压输电 “十一五” 新开工 330 kV 及以上交流线路 3.7 万 km,变电容量 1.65 亿 kVA。其中 750 kV 线路 1863 km,变电容量 1230 万 kVA;550 kV 线路 31620 km, 变电容量 13765 万 kVA;330 kV 线路 3713 km,变电容量 1473 万 kVA。并开工直流 线路 7755 km,换流容量 3200 万 kW(含背靠背换流站) 。 到 2010 年,全国 330 kV 及以上交流线路将达到 11.4 万 km,变电容量 4.7 亿 kVA,直流线路 8200 km,直流换流站容量 4000 万 kW。 2011 年到 2020 年 10 年间初步规划建设的直流输电工程将有 11 条左右。 特高压输电具有六大优势:输送容量大,送电距离长,线路损耗低,工程投 资省,土地利用率高和联网能力强。特高压代表了当今输电技术的最高水平和发 展方向,并具有非常明显的经济性和可靠性。以输送 1000 万kW电力,输电距离 800 km为例,采用 500 kV交流输电线路需要 8~10 回。而采用 1000 kV交流输电
2 2 线路仅需要 2 回,可减少输电走廊宽度 300 km ,节省输电走廊占地 240 km ,同时

采用 500 kV送电的功率损失是 1000 kV的 5 倍。金沙江、锦屏一级、锦屏二级、 溪洛渡、向家坝、乌东德、白鹤滩等水电站送出工程采用±800 kV级直流与采用 ±600 kV级直流相比输电线路可以从 10 回减少到 6 回,节省输电走廊占地 300 平方公里。若按特高压网上网 2 亿kW的规模计算,可以减少发电装机 2000 万kW, 年节电效益在 1000 亿kW以上,且每年可减少发电煤耗 2000 万t。 我国未来 15 年内(到 2020 年) ,将总投资 4000 亿元打造特高压输电(交流 1000 kV,直流±800 kV) 。这一投资相当于两个三峡工程,三个京沪高铁。特高 压输电具有巨大的经济技术优势。一条百万伏级特高压输电线路,相当于 4~5
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条 500 kV 线路,特高压输电在保护环境,节约输电走廊和降低线路损耗上占有 优势。我国百万伏级交流特高压工程已进入启动建设阶段。今年(2006 年)8 月 19 日国家电网公司晋东南-河南南洋-湖北荆门 1000 kV 交流特高压试验工程 在山西省长治市开工建设,8 月 20 日,南洋开关站在河南正式奠基。8 月 26 日, 国家电网公司晋东南经南阳至荆门 1000 kV 特商压交流试验示范工程落点——荆 门变电站奠基仪式在湖北荆门隆重举行。 国家电网公司晋东南经南阳至荆门特高 压交流试验示范工程起于山西长治,经河南南阳,至湖北荆门,跨越黄河、汉江 两大河流,全长约 653.8 km,其中河南境内长约 349 km,湖北境内长约 183 km, 工程静态总投资约 58.57 亿元,系统额定电压 1000 kV,最高运行电压 1100 kV, 自然输送功率 500 万 kW。该工程可将山西煤炭转化为火电,如果全年满运行, 每年可送电 150 亿 kWh,相当于葛洲坝电厂一年的发电量。 南方电网公司云南至广东±800 kV 直流特高压输电工程和国家电网公司溪落 渡、向家坝±800 kV, 640 万 kW 的直流特高压输电国产化示范工程也获得国家 发改委的批准。 ±800 kV 级直流和 1000 kV 交流特高压在电网的应用各有特点,前者定位于 我国西部大水电基地和大煤电基地的超远距离大容量外送上, 后者则是定位于更 高一级电压等级的网架建设和跨大区联网输送上。到 2010 年我国 1000 kV 特高 压输电线路要达到 400 km, 变电容量达到 3900 万 kVA, 跨地区送电能力达到 7000 万 kW。溪落渡、向家坝和锦屏±800 kV 直流特高压送出工程将于十一五期间开 工建设。云广±800 kV 直流输电线路工程将于十一五期间完工。云广线路全长 1438 km, 换流容量 1000 万 kW, 总投资 132 亿元, 计划于 2009 年单极投运, 2010 年 6 月双极投运。 我国特高压输电时代已经来临。到 2020 年国家电网特高压及跨区、跨国电 网输送容量达到 2.5 亿 kW 以上,其中通过特高压输送的容量约为 2 亿 kW。

二、2200 亿元打造城市电网(城网) “十一五”期间,我国电网总投资将达到 1.2 万亿元。其中 2200 亿元打造 城市电网,31 个重点城市。这是继两网改造后又一次大规模的城市电网建设项 目。从 1998 年~2001 年的“两网改造”中,投资 2000 亿元,使得城乡配电网 的供电能力和可靠性有所改观,但我国城市电网依然显得特别薄弱。由于在长期 “重发、轻供、不管用”的观念影响下,城市电网存在三大弊病:一是投入不足, 久账依旧。研究表明,电源与电网的合理投资比例应为 4:6。而“十五”期间, 我国电网投资在电力建设中的比例仅为 34.7%;二是结构薄弱,安全风险大。
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由于多数城市接受的主网外来电,但多数城市电网与主网联系薄弱,加上多数城 市电网还未实现分片、分区供电,一旦发生重要变电站和输电线路停电事故,后 果将十分严重;三是设备水平低,可靠性差。许多城市配电网的设备老化现象严 重,高峰时段许多设备存在重载现象,而设备不堪负重。

三、农村电网(农网)建设改造进入快车道 我国实施农网“两改一同价”以来,农村电网(简称农网)建设大大加强, 有力地推动了农村经济的发展,农村用电量占全社会用电量的比例逐年提升。建 国之初, 我国农村的年用电量仅为 0.2 亿 kW· 占全国总用电量的 0.58%, h, 1998~ 2005 年,农村用电量比例由 1998 年的 41.35%增长到 2005 年的 51%。因此农 村电网是我国电网的重要组成部分。1998~2003 年我国共投资 3800 多亿元资金 用农村电网改造(简称农网改造) ,超过建国 50 年来农网投资总和。截止 2005 年底,国网公司供电区域内农村供电综合电压合格率达 95.8%,比“九五”末 提高 35%,供电可靠率达 99.38%,比“九五”末提高了 0.5%,实现了县县通 电,乡、村、户通电率分别达到 99.9%、99.8%和 99.4%。 在农网建设中,大力推广新技术、新设备、新材料、新工艺,取得了显著成 果。节能型变压器占有率达 95.5%以上,35 kV 及以上电压等级有载调压主变压 器占有率达 60%上;实现开关无油化的 35 kV 及以上变电所占有率达到 58.8%; 微机保护和综合自动化装置占有率 90%以上;无人值班的 35 kV 及以上变电站 占有率达 49.5%;35 kV 及以上小型化变电站占有率达 25.6%;推广使用了 782 个 35 kV 箱式变电所;非晶合金变压器和调容配电变压器得到了应用;基本淘汰 了高能耗配电变压器、过励磁变压器、铝线圈变压器、多油开关、阀型避雷器、 电磁型保护装置。 2006 年 3 月,国家电网提出了“新农村、新电力、新服务”的农电发展战略, 以农电发展方式的根本转变服务于社会主义新农村建设。 “新农村”之新,乃社 会主义农村面貌之新,体制之新,经济之新,脱变之新。 “新电力”之新,乃中 国电力工业发展之新,改革之新,统筹之新,规划之新。 2006 年 4 月 14 日,国家电网公司制定并下发的《国家电网公司服务社会主 义新农村建设工作的指导意见》 (以下简称《指导意见》 ,成为“新农村、新电力、

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新服务”战略规划的行动佐证。 根据《指导意见》 ,要求在国网公司供电区域内,到 2010 年,要解决 120 万 无电户的用电问题。 “十一五”期间,将建设电气化示范县 100 个,电气化示范 乡镇 1000 个,电气化示范村 10000 个。 “十一五”期末,农村电工持证上岗率达 到 100%,国网公司供电区域内农村综合电压合格率达到 97.3%,供电可靠率达 到 99.6%,农村供电服务窗口规范化服务达标率 100%,县供电企业 95598 客户 服务系统建设率 100%, 初步建成以 110 kV 和 35 kV (66 kV) 为骨干网架, kV、 10 400V 以下网络协调匹配的结构合理、技术适用、供电质量高、电能损耗低的农 村电网。 “十一五”期间,农网需投资 1200 多亿元,2011~2020 年还需要投资 3000 多亿元。我国农村电气化事业将进入一个快速发展阶段。

四、高压开关行业持续快速增长 (一)2005 年高压开关行业呈现出快速增长态势 根据高压开关行业协会 2006 年的统计资料,2005 年高压开关行业呈现出了 快速增长的态势。主要表现在行业主要经济指标大幅攀升,生产企业规模扩大, 技术不断进步,生产管理水平有了进一步提高。根据对 2005 年高压开关行业主 要生产企业(308 个)的统计资料,全年完成了工业总产值 660.37 亿元,主营 业务收入 584.29 亿元,工业增加值 171.01 亿元,实现利润总额 49.41 亿元。 2005 年统计的 308 个企业中工业总产值(当年价)超过亿元以上者有 137 个 (上年只有 118 个) ,其中工业总产值 10 亿元以上者有 14 个;5 亿元以上者有 31 个。全员劳动生产率 10 万元/人以上者有 114 个;5 万元/人以上者 187 个, 都比往年有所提高。 工业总产值(其中高压开关值)前 10 名的企业依次是厦门 ABB 开关有限公 司(24.95 亿元) 、西安西开高压电气股份有限公司 (22.51 亿元) 、江苏东源电 器集团有限公司(14.71 亿元) 、华仪电器集团有限公司 (13.86 亿元) 、新东北 电气(沈阳)高压开关有限公司 (13.03 亿元) 、平高集团有限公司(12.32 亿 元) 、泰开电气集团有限公司 (11.77 亿元) 、大全集团有限公司(9.85 亿元) 、 正泰电气股份有限公司(8.98 亿元) 、广州白云电器设备有限公司(7.86 亿元) 。

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2005 年高压开关行业经济效益有显著提高的企业有厦门 ABB 开关有限公司、 江苏东源电器集团股份有限公司、大全集团有限公司、广州白云电器设备有限公 司、常熟开关制造有限公司、华仪电器集团有限公司、平高集团有限公司、西开 高压电气股份有限公司、上海南华兰陵电气有限公司、上海大华电器设备有限公 司等。如厦门 ABB 开关有限公司全员劳动生产率为 113.48 万元/人,在行业中仍 处于第 1 位。全员劳动生产率较高的企业还有绍兴电力设备成套公司(84.32 万 元/人) ;上海宝临电气集团有限公司(62.54 万元/人)等。 我国电力工业的持续快速发展,为高压开关制造业提供了广阔的发展空间。 这从各类型高压开关产品产量逐年增长上可明显看出。 根据高压开关行业协会最 新统计,2005 年相比 2004 年各类高压开关产品的产量都有明显增长,有的甚而 有大幅增长。现对各类高压开关设备的增长情况分述于下:在GIS方面,2005 年 550 kV GIS的产量为 107 间隔,增长强劲(上年产量仅为 8 间隔) ,是 2004 年的 13.38 倍,其中西开和沈高两家占总产量的 76.6%;363 kV GIS产量为 19 间隔, 与上年持平;252 kV GIS产量为 1053 间隔,增长幅度较大(上年仅 679 间隔) , 比上年增长 55%。126 kV GIS产量为 2899 间隔(上年为 2280 间隔) ,比上年增 长 27.15%。在高压SF6断路器方面,2005 年 550 kV高压SF6断路器产量为 360 台, 与上年(2004 年)基本持平,这一电压等级合资企业产量占 70%左右;363 kV 高压断路器产量为 119 台,增长最强劲(上年产量为 43 台) ,是上年的 2.76 倍, 西开产量约占 78%;252 kV高压断路器产量为 2529 台,比去年增长 6.48%,这 一电压等级国内企业产量约占 50%;126 kV高压SF6断路器产量为 8708 台,比上 年增长 17%, 这一电压等级国内企业产量约占 68.4%。 在真空断路器方面, 2005 年生产 12 kV真空断路器 294204 台(上年 238344 台) ,比上年增长 23.64%,产 量在 10000 台以上的企业有 6 家; 40.5 kV真空断路器产量为 23817 台 (上年 13908 台) ,比上年增长 71.4%:在中压SF6断路器方面,12 kV SF6断路器产量为 8100 台,与上年基本持平;40.5 kV SF6断路产量为 8694 台(上年 7781 台) ,比上年 增长 4%。在高压隔离开关方面,2005 年 550 kV高压隔离开关产量为 632 组(上 年为 470 组) 比上年增长 34.5%; kV隔离开关产量为 331 组 , 363 (上年 248 组) , 比上年增长 33.5%;252 kV隔离开关产量为 9463 组(上年 7723 组) ,比上年增 长 22.5%;126 kV隔离开关产量 22675 组(上年 17554 组) ,比上年增长 29%。

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在开关柜方面,2005 年 12 kV高压开关柜产量为 271120 面(上年 245564 面) , 比上年增长 10%以上;40.5 kV高压开关柜产量为 24787 面(上年 18436 面) , 比上年增长 34.4%。2005 年 12 kV环网柜产量为 69445 面,比上年增长 17.9%。 2005 年 12 kV预装式变电站产量为 20875 台,比上年增长 16.5%;40.5 kV预装 式变电站产量为 453 台,比上年略有减少(上年 691 台) ;2005 年 12 kV负荷开 关产量 108878 台,比上年增长 2.2%;40.5 kV负荷开关产量为 768 台,比上年 增长 2.8%。 (二)特高压输电 提升我国高压开关设备制造业

特高压输电将为我国带来电力设备制造整体水平的提高。为特高压工程提供 设备,坚持“以我为主”的原则。对于外企参与特高压输变电项目的态度,一是 外方不能拿自己的技术独自介入,要坚决走国产化道路;二是外方持股的合资企 业不准介入,而与之对应的是内资企业的参与。7 月,国家电网公司对外发布消 息,表示“特高压交流输电设备除开关采用中外合作方式研制生产外,其他设备 均立足国内生产制造,并限定为国内控股企业。 ”这说明我国坚持国产化态度鲜 明,以“我”为主研制特高压设备的基本原则。 在这里提出惟独高压开关设备需要中外合作研制生产。这是因为要研制出百 万伏级双断口开关产品还有难度。但国内已有研制百万伏级高压开关设备的基 础,加上国家正积极扶持国内企业加大特高压开关设备的研发力度,给予政策和 资金上强力支持。到 2010 年,特高压开关设备肯定能完全国产化。 我国已形成 550 kV超高压开关设备批量生产能力,800 kV特高压开关设备的 研发为 1100 kV特开关设备的研发提供了相当多的经验。 沈高通过技术引进为 750 kV青海官亭至甘肃兰州东输变电示范工程提供了 800 kV GIS,其核心技术源于 1100 kV GIS。西开研制出 550 kV单断口和 800 kV双断口罐式SF6断路器,在此 基础上正积极研制 1100 kV罐式SF6断路器。平高研制出 800 kV 4000 A特高压隔 离开关和接地开关。平高 1000 kV特高压瓷柱式SF6断路器已开始样机试验。目前 三大开关厂(沈高,西开,平高)在研制 1100 kV特高压GIS方面,需要与国外 企业签订合作协议。据了解,西开在 750 kV工程成功的基础上与日本三菱加紧 合作,以争取特高压国产化。平高已与东芝签订了 1100 kV GIS的技术转让协议。 这就是说, 我国已具备自主研发特高压敞开式开关设备的能力, 但在 1100 kV GIS 方面,由于 550 kV GIS制造起步晚,研发和制造能力有待于进一步提高,需要 加强对外合作。

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五、自主研发成功 800 kV双断口和 550 kV单断口SF6断路器 西开电气自主开发的 800 kV高压SF6(双断口)罐式断路器和 550 kVSF6(单 断口)罐式断路器,被评为 2005 年高压开关行业十件大事。 该公司生产的高压SF6断路器,电压等级从 126 kV到 800 kV,额定电流至 4000 A,短路开断电流 800 kV断路器达到 50kA,550 kV断路器高达 67 kA。高压 断路器按其结构分为瓷柱式SF6断路器和罐式SF6断路器两种,其操动机构主要分 为气动机构、弹簧机构和液压机构三种。气功机构采用压缩空气作为动力进行分 闸,采用弹簧进行合闸;弹簧机构采用电机使合闸弹簧储能,在合闸操作时使分 闸弹簧储能;液压机构则是以碟形弹簧储能,代替了传统的压缩氮气储能,分合 闸均靠液压传动。三种操动机构各有其特点,并分别用于不同电压等级的断路器 上。 西开电气有着辉煌的业绩,截止 2006 年 5 月份,共生产高压断路器 13656 台,其中罐式 1089 台,支柱式 13657 台。生产 GIS6370 间隔。 (一) 800 kV罐式SF6断路器 西开电气公司自主研发的、具有自主知识产权的 800 kV高压SF6(双断口) 罐式断路器完成了样机制造、装配调试等工作,并在国家高压电器质量监督检验 中心通过了型式试验。这标志着我国已经掌握了特高压开关设备的核心技术,并 具备了特高压开关设备设计、研发和小批制造能力。 该断路器的灭弧室为双断口串联结构。为抑制操作过电压,断路器并联一定 数量合闸电阻;在主触头的断口间并联一定数量的电容器,保证电压在触头间的 合理分配。 断路器配用一台大功率气动弹簧操动机构。这种机构操作功大,技术成熟。 自主研发出充气套管,通过大量电场模拟计算,设计出了合理的内部结构,解决 了电压沿套管轴向分布不均的问题,降低了套管的高度。 在研发过程中, 通过大量的电场、 气流场计算, 不断对灭弧室进行修改设计, 确保了灭弧室具有良好的电场分布、气流场分布和温度场分布。 该断路器额定参数为额定电压 800 kV,额定电流 4000 A 额定短路开断电流 50kA,额定雷电冲击耐受电压 2100+650 kV,额定工频耐受电压 960+320 kV。

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(二)550 kV 单断口罐式断路器 西开电气公司最新研制成 550 kV/50 kA单断口罐式SF6断路器。 550 kV/50 kA单断口SF6断路器的开发,使 550 kV GIS进一小型化成为可能, 并为进一步研制 800 kV断路器奠定了技术基础。 西开电气公司于 1999 年开始启动 550 kV单断口罐式SF6断路器的研制计划。 1999 年研制成功了 363 kV/50 kA单断口SF6断路器,在此基础上,利用计算机解 析技术,提高了SF6气体额定压力(0.6MPa)和分闸速度,对弧触头和喷口形状 作改进,优化了灭弧室结构,从而开发出 550 kV/50 kA单口罐式SF6断路器样机。 该样机分别在国家高压电器质量监督检验中心和KEMA试验站完成了绝缘试验及 容性电流、大容量开断等试验项目,并取得试验合格证。 550 kV/50 kA 单断口罐式断路器的主要参数为:额定电压 550 kV,额定电 流 4000 A,额定短路开断电流 50 kA,额定雷电冲击耐受电压 1675+450 kV,额 定工频耐受电压 680+318 kV。 该断路器为分相式,操动机构挂于罐体的一端,电流互感器线圈置于套座 下方。灭弧室为单断口结构,其零部件相比双断口减少约一半。该断路器配用新 型 CQ 口-I 型气动弹簧操动机构,可实施分极操作,也可进行三极电气联动操 作。 550 kV/50 kA单断口SF6断路器的研制成功,大大提高了我国超高压SF6断路 器的制造水平。

六、高压隔离开关技术的进步与完善改进 (一)高压隔离开关技术的进步与完善改进 高压隔离开关技术有了很大的进步,主要表现在两个方面:一方面是自主研 发出 800 kV 隔离开关;另一方面是现有的产品进行完善改进,更好地满足运行 要求。 平高电气公司 2004 年自主研发设计的 GW27-800 型隔离开关和 JW8-800 型接 地开关在荷兰 KEMA 试验站和国内试验站通过了各项试验, 并于 2006 年 5 月通过 国家级技术鉴定。西安西电高压开关公司也完成了 800 kV 隔离开关的试制工作。 平高电气公司在 GW27-800(W)型隔离开关在合闸过程中采用先进水平旋转后

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自转的动作特性,操作力小,电接触结构合理。当发生短路电流时,触指更紧密 地夹紧动触头,使运行可靠。该产品为额定电压 800 kV,额定电流 4000 A,机 械寿命 2000 次。 近年来,高压隔离开关在电网中故障频发。究其原因,有制造和运行两方面 的因素。制造部门对产品设计、选材、加工工艺、组装调试及质量控制,未能给 予足够的重视,造成产品质量和性能难以保证,而运行部门又忽略了对隔离开关 的管理,高压隔离开关实际上处于“不坏不修,坏了再修,修了还坏”的状况, 没有统一法定的检修规程。 高压隔离开关在运行中反映出的问题主要是多年来存在的 4 大问题: 即瓷瓶 断裂、操作失灵、导电回路过热和锈蚀。 根据国家电力公司发输电运营部“关于开展高压隔离开关完善化工作”的通 知要求,各大制造公司积极行动起来,对其产品从结构设计、制造工艺、材料选 用等方面进行了完善改型工作,提高了高压隔离开关的性能和可靠性。 西电高压开关公司研发出了 GW4A-252 型隔离开关,并对 GW4-126 型隔离开 关进行了完善化改进;又研发出 GW7A-252 型户外隔离开关,并在此基础对 GW7-363,GW7-50 型户外隔离开关进行了完善化改进。 平高电气集团公司对 GW27-252(W)型高压隔离开关进行了完善改型。 沈阳高压开关公司对 GW33-252D(W) 型高压隔离开关进行了完善改型等。 泰开电气公司对其隔离开关做了全面的完善改型,改型后的产品型号为 GW4-40.5/72.5/126/145III 型;GW5-40.5/72.5/126/145III 型;GW4A-252 I 型; GW7A-252 I 型;GW22A-252 I 型;GW23A-252 I 型;JW7-252I 型; GW22A-550 型; GW23A-550 型等。 (二)GW27-800/4000 型特高压交流隔离开关 为满足西北电网 800 kV 输变电设备的要求,使我国的设计、制造水平达到国 际水平,平开公司研制了额定电压 800 kV,额定电流 4 000A,额定短时耐受电 流为 50kA 的 GW27-800/4000 型特高压交流隔离开关。 该产品绝缘性能、技术参数、产品结构达到国际先进水平。 1、总体结构 GW27-800W/J4000-50 型隔离开关,其结构为三柱水平旋转和自动翻转的复

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合运动形式,操作力小,结构合理。 该隔离开关由三个单极装配(单相组成) ,每极配一台 CJ11 电动操动机构。 CJ11 电动机操动机构安装在每相底座下面的基础上,通过 CJ11 电动机操动机构 可进行分相操作。 GW27-800/4000 型隔离开关的单极装配(单相)为三柱水平旋转式。它主要 由底座总装配、棒型支柱绝缘子、导电杆装配、静触头装配、CJ11 电动机操动 机构等组成。该产品按接地开关的有无可分为不接地、单接地、双接地三种结构 形式。 JW8-800(W)/J50-125 型特高压接地开关结构简单,接触可靠,操作灵活, 且适应于海拔 2000m 以下地区。 2、主要技术参数 GW27-800 型隔离开关和 JW8-800 型接地开关技术参数见下表(表 1) 。 表1
序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 号 额定电压 额定电流 kV A kA kA s kA s kA A A kV kV kV kV kV kV A N N N 次

GW27-800 型隔离开关和 JW8-800 型接地开关产品技术参数
项 目 800 4000 50 125 3 50 3 125 2 1 960 960(+320) 2100 2100(+460) 1550 1300(+650) 1600 3000 1500 2000 2000 基本参数

隔离开关额定短时耐受电流 隔离开关额定峰值耐受电流 隔离开关额定短路持续时间 接地开关额定短时耐受电流 接地开关额定短路持续时间 接地开关额定峰值耐受电流 隔离开关开合容性电流 隔离开关开合感性电流 额定短时工频 耐受电压 (有效 额定雷电冲击 耐受电压 额定操作冲击 耐受电压 相对地 断口间 相对地 断口间 相对地 断口间 纵向 横向 垂直

隔离开关开合母线转换电流 接线端子 静拉力 机械寿命

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使用环境 使用地点:户外 环境温度:-35℃~+40℃(断路器 0.6MPa/50 kA) 海拔高度:≤3000m 地震烈度:≤8 度 风 压:≤700Pa 相对湿度:≤90%(月平均值)

七、高压开关设备的运行经验 国家电网公司公布了至 2004 年底高压断路器和隔离开关的装用量和运行情 况,给出了各类产品的事故率和障碍率,并分析产生事故的原因。这些珍贵的统 计分析资料应引起高压开关制造行业的高度关注, 并不断改进产品设计和制造质 量,提高产品的可靠性。 (一)高压断路器的装备与运行情况 据统计,截止 2004 年底,国家电网公司系统 12~550 kV高压开关设备装用 量总计为 275373 台,比 2003 年增加了 7383 台,同比增长 2.75%。其中 550 kV 级有 1315 台,全部为SF6设备;363 kV级有 447 台,446 台为SF6设备;252 kV级 有 12064 台;126 kV级有 32816 台;72.5 kV级有 5809 台;40.5 kV级有 45132 台;12 kV级有 177709 台。 2004 年国家电网公司系统共发生高压开关设备故事 46 台次, 2003 年增加 比 10 台次,平均事故率 0.017 台次/百台年,比 2003 年上升 30.8%;共发生障碍 346 台次,比 2003 年增加 54 台次,平均障碍率 0.126 台次/百台年,比 2003 年 上升 15.6%,2004 年共发生事故和障碍 392 次,平均故障率为 0.142 台次/百台 年,比 2003 年上升了 16.4%。 2004 年国家电网公司系统 12~550 kV 各电压级断路器故障率比 2003 年有所 上升,其中 550 kV 上升 42%,363 kV 上升 122%,252 kV 上升 29%,126 kV 上升 72%,40.5 kV 上升 14%,12 kV 上升 39%。 在 2004 年 392 次故障中(事故+障碍) ,按原因分,拒分、拒合共 90 次,占 总故障的 23.0%,其中因操动机构及其操动系统机构故障导致的有 59 次,占拒 动故障的 65.5%。机械原因的故障主要是由于机构、铁芯卡涩及部分变形,即

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产品制造质量不良所致。在拒动故障中,因电气控制和辅助回路造成的共有 31 次,占拒动故障的 34.4%。电气原因主要是分、合闸线圈烧损及接触不良、受 潮、断线、被腐蚀、端子松动等原因造成。 2004 年共发生误动故障 10 次,占 2.8%。

(二)高压隔离开关的装备与运行现状 至 2004 年底, 国家电网公司系统运行的 72.5 kV~550 kV 隔离开关为 157858 台,其中 550 kV 3235 台,363 kV 1276 台,252 kV4 0191 台,126 kV 96146 台,72.5 kV 17010 台。 目前系统中运行的 126 kV 和 252 kV 电压等级隔离开关数量最多。国产隔离 开关的型号主要有 GW4、GW5、GW6、GW7、GW8、GW9、GW10、GW11、GW16 和 GW17 等产品。 进口及合资隔离开关的型号主要有杭州西门子的 PR、KR、CR、DR 型,Areva (收购 Alstom)的 Spo/Spol、Spv/Spvl、SC3D、S2DA 型等。 目前已经在国家电网公司集中招标中投标的国产高压隔离开关制造厂有西 开、平高、沈高、长高、泰开、如高。根据高压开关行业 2005 年年鉴统计,2004 年全国共生产 72.5 kV~550 kV 隔离开关 28640 组,其中以上六个制造厂生产了 22380 组,占总产量的 78.1%。其中 550 kV 和 363 kV 占 100%,252 kV 占 90.3 %,126 kV 占 75.1%,72.5 kV 占 57.5%,以上六个制造厂在 2005 年投标中均 为完善化产品。 国家电网公司集中规模招标中,252~550 kV 隔离开关按支柱分有单柱式、 双柱式和三柱式。按结构分有单柱单臂伸缩式、单柱双臂垂直伸缩式、单柱水平 伸缩式、双柱水平中间开启式、三柱双断口水平开启式等五种结构形式。 根据中国电力科学研究院高压开关研究所的调研, 2004 年以前投运的隔离开 关运行情况不良,问题较多,故障主要集中在瓷瓶断裂、操作失灵、导电回路过 热及锈蚀等四个方面。2004 年新投运的完善化隔离开关运行情况良好,但还有 一些尚未改进的问题。 进口及合资隔离开关无论是制造质量还是运行可靠性都比 国产设备高。

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八、智能化高压开关设备在加快升温 在电网中,高压开关设备起控制和保护作用。随着高压开关设备的关合,强 大的电力源不断地流向千万个用户,而当线路发生故障(如短路)时,开关能当 机立断,能在数十秒内(如 60ms)切除故障,保障线路及重大设备的安全。因 此,高压开关设备对线路的安全运行至为重要。而开关设备是由它的二次回路来 控制的。二次控制装置的可靠性直接影响开关设备的性能,特别会造成开关设备 的拒分、拒合。国际大电网会议曾就高压断路器的可靠性作过两次世界范围的调 查。两次调查结果表明,二次回路(控制和辅助回路)的故障紧接机械故障之后 居第二位。拿第二次调查来说,控制和辅助回路占高压断路器主要故障的 29%, 占次要故障的 20%。 因此国际大电网会议第 13.06 工作组在调查报告中指出:迫 “ 切希望改进控制和辅助回路的可靠性” 。而所调查的开关设备的二次回路多采用 传统的电磁式机械结构。这种结构所具有的功能十分有限,已无法适用现代化电 网发展的需要。它性能差,特性不一致,体积大,成本高,功能单一,难以构成 大规模的自动化系统。 因此高压开关设备的二次控制,必然从传统的电磁机械式走向智能式。智能 式开关设备是在计算机技术、传感技术、数据处理技术等新技术上发展起来的新 兴开关设备, 它是电网自动化发展的需要, 也是提高高压开关设备可靠性的需要。 电网要自动化,开关设备必须智能化。 国外大型企业如 ABB、Siemens 等公司都在积极开发智能化开关设备。ABB 为它的 GIS 开发出第三代智能式二次技术。作为开关柜,开发出 i-ZSI 型智能化 开关柜及 ZX2 型智能化充气柜。 其中二次技术采用 REF542plus 智能化控制/保护 单元。 Siemens 公司在它的 NXAir 型开关柜采用 Siprotec4 型数字监控装置,集保 护、控制、测量、通信、操作、监视及整个程序控制于一体。该公司还在 NXplus 充气柜中采用更为完善的 7SJ63 型多功能数字继电器,进一步提高了智能化程 度。 国际大电网会议在对高压断路器的可靠性作过两次世界范围的调查之后,又 就高压断路器的二次控制装置做了一次最新调查。为此,国际大电网会议成立了 专门工作组(Working Group A3.12) 。这次调查,得到电力用户大力支持与积极

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配合。这次调查的断路器的二次控制装置主要是传统的电磁式控制装置。通过调 查弄清电磁式二次装置的故障模式及哪些二次控制元件要对故障负责及负多大 的责任。 国际大电网会议 A3.12 工作组于 2004 年公布了调查结果,来自世界主要地 区的 13 个国家 27 个电力部门参与调查, 共收到故障报告 339 份。 调查结果表明, 控制回路最多的故障模式是拒分拒合,误操作故障仅占主要故障的 13%。有 6 个控制元件要对占 88%的控制故障负责。这六个控制元件是:1)辅助继电器占 20%;2)位置辅助开关(机械部分)占 19%;3)线圈占 14%;4)储能极限 监视装置占 12%;5)气体密度监视装置占 12%;6)接线和接头占 11%。调查 指出,这次调查的控制技术是传统技术,将来的工作应放在电子控制装置上,以 取代传统技术,改进控制装置的可靠性。由此可见,以电子控制技术取代传统电 磁式二次技术是高压开关设备发展必由之路。 现代智能化技术是建立在微电子技 术、信息传输技术、计算机技术、伺服技术及精密机械技术等高科技之上的综合 技术。它把计算机技术加入机械系统,使系统有了“大脑” ,在加入“传感器” 采集到的信息,并用光纤传导信息,使系统有了“知觉” ,大脑根据直觉做出判 断与决定,使系统有了“智能” 。这也就是说,智能化开关设备应具有感知能力、 决策能力和执行能力。 智能化技术可对开关设备进行在线控制,及早发现故障,防患于未然,又可 对开关设备运行状态进行监视,变“定期维护”为“状态维护” 。这样做,大大 提高了运行可靠性,同时大大节省了维护费用,因而智能化会带来巨大的技术经 济效益。

九、中压真空断路器不断走向辉煌 (一)世界真空断路器的发展 近年来,在世界范围内,中压真空断路器有了长足的发展,取得了骄人的业 绩,特别表现在 12 kV 级。12 kV 真空断路器量大面广,前景广阔。现作如下分 析: (1)从世界市场看,真空断路器在中压市场已占 65%以上。特别在美国、 日本、德国真空开关占有绝对优势。如在日本真空开关已占有 90%以上,而在

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中国 2004 年已占 98.85%,可算后起之秀。我国继美国、日本、德国之后已进 入真空断路器大国行列。德国现销售中压开关中,真空开关也已占到 95%以上。 (2)从国内外制造厂家看,生产真空断路器的大型企业主要有德国的 Siemens、Calor Emag,美国的伊顿卡特拉一汉莫(EATON Cutler-Hammer) 、GE 公司,法国的 Areva(收购 Alstom)、Schneider,日本的东芝、日立、三菱、明 电舍、富士等。中国生产真空断路器企业百家以上,生产 12 kV 真空断路器 3000 台以上者有 20 多家。2004 年最大的五家生产企业依次为厦门 ABB 开关公司、华 仪电器集团公司、常州森源开关公司、正泰电气集团公司、陕西宝光集团公司。 中国 2004 年生产 12 kV 真空断路器 238344 台,其中厦门 ABB 开关公司生产 VD4 型产品 25686 台,常州森源开关公司生产 VS1(ZN63A)型产品 16501 台。我国 有 10 多家企业生产真空灭弧室。2004 年其生产 12 kV 真空灭弧室 799395 只, 其中最大的 4 个生产厂家为宝光(172531 只) 、宇光(157100 只) 、旭光(149811 只) 、华光(105888 只) 。2005 年共生产 12 kV 真空灭弧室 780647 只。国外制造 真空开关的大公司均制造真空灭弧室,如日本东芝从 1962 年以来共生产真空灭 弧室 250 万只,真空断路器超过 25 万台。 (3)从产品转型看,国外大公司都完成了从SF6开关到真空开关的转型,即 原来单一生产SF6开关的厂家也转向生产真空开关,如ABB公司成立后,接收了德 国Calor Emag公司,ABB公司利用Calor Emag公司生产真空断路器的优势,向外 输出真空断路器技术,如厦门ABB开关公司引进的就是Calor Emag公司的VD4 型 真空断路器及其ZS1 型中置柜等。ABB公司接收Calor Emag公司后,SF6与真空技 术并驾齐驱地向前发展,从 1999 年起,真空断路器的产量明显高于SF6断路器的 产量,而且不断向上攀升。Calor Emag公司 30 年来共生产真空断路器 30 万台以 上。西门子公司的中压断路器转型是从少油断路器转向真空断路器。在上世纪 70 年代,世界上已完成从油断路器向无油断路器的转型。当时西门子公司在这 之前一直坚持少油断路器,它以T型少油断路器闻名于世。面对产品无油化,西 门子选择了真空开关。当时虽选择了真空技术,但要从头研究真空开关技术,却 为时已晚。 这也就是说, 重起炉灶, 已来不及了。 为此西门子公司引进了英国GEC 公司真空灭弧室厂的真空灭弧室技术。虽然引进了真空灭弧室技术,但对它却持 怀疑态度,如真空灭弧室果真能不漏气吗?这种技术有哪些因素影响其开断性

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能?这种技术从价格看远高于少油断路器等。也就是说,西门子开始搞真空开关 是伴随着疑虑起步的。但后来发现,这种技术有很大优势。真空开断的主要优势 是绝缘强度上的优势,它最终减小了触头,缩短了行程,使开关小型化。同时使 操作功减少到少油开关的 30%,西门子有一个有利条件,那就是它有一个柏林 真空电子管厂,该厂 1934 年就拥有生产大功率发射管的专有技术。利用大功率 发射管的专有技术, 这样就使得真空开关一些技术问题在西门子集团内部得到解 决。很快,1977 年,西门子公司向丹麦交付了首批真空断路器。此后,西门子 真空断路器发展很快,新产品不断涌现,如 3AF -3AG-3AH-NXact型等。80 年 代, 我国引进了 3AF型和 3AG型真空断路器, 年代, 90 上海西门子开关公司建立, 生产 3AH型和NXact型,又在无锡建立了西门子真空开关管(无锡)有限公司, 为西门子开关公司真空开关产品配套。西门子真空开关面向世界,早已打入世界 市场。日本为什么大力发展真空开关。这要从该国将使用的多油断路器定为公害 说起。日本原来大量使用柱上油断路器。装在马路旁的柱上多油开关多次发生喷 油伤人事件,故日本 1975 年将柱上油断路器定为公害,要求到 1978 年将 25 万 台柱上油开关全部更换。日本几家大公司抓住这个机遇,大力发展无油的真空开 关,这使真空开关一炮打响,开始走红,从此日本东芝、三菱、日立、明电舍、 富士等大牌公司都有自己的真空开关品牌。其中东芝、三菱、富士等还在中国建 有合资公司。法国Alstom公司一向以生产高压超高压SF6断路器和GIS而驰名,如 1979 年该公司就向美国提供了 800 kVGIS产品。当时中压领域也单一生产SF6断 路器。该公司自从接收德国AEG公司Sachsenwerk(萨克森厂)后,成立了Alstom Sachsenwerk GmbH有限公司,专门生产真空断路器,如HVX型真空断路器。 Schneider(施耐德)公司原以生产低压断路器闻名于世。为使高低压产品配套, Schneider公司兼并了MG (梅兰日兰) 公司, MG公司将SF6断路器演绎得淋漓尽致, 但Schneider公司不仅看重MG公司的SF6 断路器,而且看好中压真空开关的大市 场,不失时机地研发出真空断路器。在 2000 年北京举办的第八届国际电力设备 及技术展中, Schneider公司展出了最新研发的Evolis型真空断路器及MVnex型金 属铠装移开式开关柜。 至此,世界上生产中压开关的大公司,都完成了产品转型,真空开关在市场 的推动下,其发展引人注目,不断走向辉煌。

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(4)从展览会看,真空开关已成为各展会展台的主角。在世界上,汉诺威 博览会是世界上最大的工业展览会,也有人把它称为工业展会的奥林匹克。从汉 诺威博览会上,可以了解产品的发展水平与动向。如在 2000 年汉诺威博览会上, 展出的中压开关产品为清一色的真空断路器。其中 Calor Emag 公司展出了扩大 参数的 VM1 型真空断路器,Alstom 公司展出了 12/15/17.5 kV HVX 系列真空断 路器,西门子公司展出了扩大使用范围的 NXact 型模块式真空断路器。从国内举 办的工业展览会上,也可看出真空开关成为展台的主流。如 2002 年在上海举办 的 2002 亚洲能源技术与设备展会上,正泰成套公司展出了 ZN85-40.5(3AV3)型 户内真空断路器、ZN63A-12(VS1)型、ZN28-12 型户内真空断路器及 ZW8 型户 外真空断路器。上海富士电机开关公司展出了 HS 型真空断路器,上海通用电气 开关公司展出了 Power/Vac VH2 型 12 kV 真空断路器等。 (5)从世界上公认中立的 KEMA 试验站的产品论证试验中看。12 kV 真空断 路器占主导地位。该试验站 1991~1996 年期间,按 IEC 标准和 ANS1 标准对不同 电压等级和不同介质的开关产品进行了试验认证。这里以 3.6 kV~145 kV 电压 等级的产品为例。 在所进行的 450 次认证试验中,57%为真空开关(主要为真空断路器) ,29 %为SF6开关设备(主要SF6断路器) ,14%为空气和油开关设备(包括隔离开关和 接地开关) 。 在 38 kV以上,显然是SF6产品。在 12 kV级,真空断路器占绝对优势。真空 断路器的试验次数约占 110 次,而SF6断路器仅约 10 次。 KEMA公司还公布了 1985 年~1997 年间颁发灭弧室试验认证书的情况,其中 真空灭弧室与SF6灭弧室之比为 10:1。这就是说,真空灭弧室占有绝对优势。 (6)从 2004 年我国产品型号证书发放情况看,户内中压断路器为清一色的 真空断路器。颁发户内真空断路器型号证和使用证共 64 个。颁发户外中压真空 断路器证书 21 个。 而颁发户外高压SF6断路器证书 6 个 (其中 2 个为 126 kV产品, 12~40.5 kV产品证书共 4 个) 。从我国颁发证书情况看,也说明中压真空断路占 绝对优势,成为中压主流产品。在我国,中压户内真空断路器的型号已发到 100 多个,而且不断在增加,我国是中压真空断路器型号最多的国家,也是生产中压 真空断路器厂家最多的国家,约有 100 多个厂家生产中压真空断路器。

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(二)中国真空断路器的发展 (1)中压真空断路器在我国的地位 中压真空断路器在我国居主导地位。 如在 2004 年统计的 306 家企业中, kV 12 真空断路器的产量为 238344 台, 增长 18.7%, 12 kV 同类断路器中, 98.85 在 占 %。 户外真空断路器不到 4 万台, 户内真空断路器的产量达 20 万台左右, 2003 较 年的约 15 万台增长了 33%以上。在 306 家企业中,约有 132 家生产 12 kV 真空 断路器。其中占企业数量 15%的前 20 家的产量占总产量的 64%,2004 年产量 超过 4000 台的企业有 16 家,产量上万台的企业有 3 家。VD4 型和 VS1 型系列产 品分别增长 1.62 倍和 1.31 倍。又如 2005 年共生产 12 kV 真空断路器 294704 台 (上年有 238344 台) ,与上年相比增长了 23.64%,产量在 10000 台以上的生产 企业有 6 家。他们分别是厦门 ABB 开关有限公司(27226 台) 、华仪电器集团有 限公司(21205 台) 、陕西宝光集团有限公司(15360 台) 、常州森源开关有限公 司(14587 台) 、陕西宝光集团有限公司电器设备厂(12980 台) 、浙江日升电器 有限公司 (11850 台) 这里要特别提到厦门 ABB 公司, 。 2003 年生产 VD4 ZN63-12) ( 型真空断路器 15880 台,而 2004 年达到 25686 台,2005 年高达 27226 台,一直 稳居市场榜首。 我国 12 kV 真空断路器的型号有 100 多个, 其中: (ZN63A) VD4 VS1 和 (ZN63) 型市场占有量最大,制造厂家最多,总计差不多占户内产品的 56%;ZN28 型真 空断路器仍有较大的影响,约占 14%;其他型号真空断路器年产量较少,生产 厂家也不多, 年产量在 1000 台以上的产品型号有 ZN68, ZN18, ZN21, ZN22, N48, ZN 55,ZN69 等。 户外真空断路器主要有罐式和瓷柱式两种形式。 罐式结构有 ZW27, ZW6, ZW8 型等品种,其他型还有 ZW1,ZW10,ZW20,ZN21 等,瓷柱式以 ZW32 为代表。 我国 40.5 kV真空断路器的生产厂家约有 55 家,2004 年 40.5 kV真空断路 器产量为 13908 台,略有增长,占同类产品的 61.49%。2005 年 40.5 kV真空断 路器产量为 23817 台,与上年相比,增长了 71.4%,达到同级产品的 74.62%。 在 40.5 kV级,户内真空断路器占有较大的优势,而户外SF6断路器仍有相当大实 力。在该电压等级,可以说真空与SF6断路器相辅相成,平分秋色。特别在投切 电容器方面,SF6断路器占有明显的优势。

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40.5 kV 户内真空断路器与户外真空断路器的比例约为 2:1。40.5 kV 户内 真空断路器的品种不少,产量最多的有 ZN85,ZN23,ZN72,ZN64(VD4) ,ZN12 等系列产品。 户外产品大多为瓷柱式, 配有弹簧机构, 可以配装外置电流互感器, 以 ZW7 型产量最大,其他品种还有 ZW12,ZW21,ZW36,ZW37 等,此外也有少量 箱式产品,如 ZW12 型等。 (2) 中压真空断路器技术的进步 真空断路器技术的进步主要表现如下: 1)真空断路器向高压方面发展了 72.5 kV 和 126 kV 产品,其中 72.5 kV 真 空断路器已有几十台在东北地区投运; 2)真空断路器向大容量方向发展了 15 kV120kA 产品和 12 kV6300A80kA 产 品; 3)真空断路器的极柱绝缘经历了空气绝缘---复合绝缘----固封绝缘。这就 形成三代真空断路器; 4)真空灭弧室向小型化方向发展,表现在真空灭弧室管径不断缩小,如宇 光公司将 12 kV31.5kA 真空灭弧室的管径缩小到 88mm,锦州华光自主研发出 U 系列小型化陶瓷灭弧室,将管径在 12 kV31.5kA 下缩小至 85mm。真空灭弧室管 径的缩小,又有利于断路器和开关柜小型化。 (三)真空断路器成为中压断路器主流的原因 真空断路器为什么能主宰市场?它为什么能在中压领域走红?为什么国内 外大公司产品转型,大力发展真空开关?究其原因,有多方面,笔者以为主要原 因有三: (1)电力用户支持推广真空开关,这个原因很重要。如 1992 年我国电力用 户推广使用真空开关,很快真空开关在我国推广开来,真空断路器良好的性能得 到用户的确认。 又如日本用真空开关取代多油开关, 消除了多油开关造成的公害, 在日本民众中留下良好的印象。再如西门子 1977 年交付给丹麦的首批真空断路 器至今还在正常运行,体现了这种技术的高可靠性。不论国内还是国外,用户对 真空开关已取得了丰富的运行经验; (2)SF6气体在东京都议定书上,被定为受限制气体,这从客观上促进了真 空开关的发展。SF6气体虽然从总量上对温室效应影响很小,但被定为受限制气

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体本身,促使人们尽量不用或少用SF6气体,即便使用,也应减少用气量和排放 量。目前在高压和超高压乃至特高压还是SF6气体的一统天下,但在中压领域, 真空开关越来越成为主流产品,成为用户的首选产品; (3)更为重要的原因是真空开关在性能上、可靠性上有了很大提高,能满 足各种用户不同的要求。如真空开关出现了高电压型、大电流型、低过电压型、 频繁型、切合电容器组型等,这给用户提供了很大的选择空间。真空开关的触头 材料由过去的 BiCu 发展到 CrCu、以至还有新的触头材料出现(如 CuTa) ,大大 提高了其开断性能。 在灭弧室制造工艺上, 推行一次封排工艺, 不仅提高了产量, 而且提高了质量和可靠性。在触头材料的制造上,出现了许多方法,如熔渗法、 熔铸法等,大大提高了触头材料的质量。在灭弧方面,从横磁场发展到纵磁场, 这大大有利于提高真空开关的开断能力。 真空断路器的相柱绝缘也从空气绝缘→复合绝缘→固封绝缘, 使其真空断路 器小形化,近期,为了与环境友好,国外在真空灭弧室方面,提出了真空开关环 保设计法。 总之,真空开关不断在前进,不断在改进,越来越受用户欢迎。 (四)中压真空断路器技术的发展动向 中压真空断路器趋向专用化和多功能化。 目前我国真空断路器为通用型,力求一台断路器满足各方面性能参数要求。 由于断路器面临的开断任务不同,新的专用断路器及灭弧室在国外应运而生。 为此,今后应在如下方面作出努力: (1)高电压型。如 72/84 kV 和 126 kV 真空灭弧室。 (2)大电流型。如发电机保护用真空断路器,额定电流 6300~12000A,短 路开断电流 80~160kA。 (3)频繁操作型。如电炉炼钢,需要频繁操作断路器,操作次数达 6 万次、 10 万次,甚至达 15 次。 (4)低过电压型。解决过电压一般加装过电压吸收装置,如 SiC、RC 回路、 ZnO 避雷器等,最新的做法是开发低过电压触头材料。日本几家公司在这方面已 获得成功。如日立公司以银为主的 Co-Ag-Se,东芝公司的 AgWC,三菱公司的 Cu-Cr-Bi-α 多元触头材料以及富士公司的 CuCr+高蒸气材料。低过电压真空断

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路器现做到 7.2 kV 40 kA 水平。有了低过电压真空断路器就不需要另外的过电 压吸收装置,而且可将过电压降到常规值的 1 。 10 我国应加紧研制低过电压触头材料,从而早日开发出低过电压真空断路器。 (5)多功能型。一般来说,真空断路器的功能执行分-合任务。但国外已 赋予断路器更多的功能,如完成成合-分-隔离-接地等功能。这样做法省去单 独的隔离开关和接地开关,简化开关柜的结构,缩小柜体尺寸。综合国外情况, 为使真空断路器多功能化,现有两种做法:一是使真空断路器的相柱在开断后移 动或旋转,从而形成隔离和接地。二是真空灭弧室开断后通过触头旋转完成隔离 和接地。 西门子公司最近开发的 NXAct 型模块式开关柜的真空断路器为开断后相 柱移动完成隔离与接地,而 ALSTOM 公司的 VISAX 型开关柜的真空断路器为开断 后相柱旋转完成隔离任务。日本日立公司独辟蹊径,在灭弧室内通过触头旋转完 成合-分-隔离-接地等四工位。三菱公司也开发出类似的 24 kV 多功能真空断 路器。ABB 公司最新也开发出 eVM1 型多功能真空断路器。该产品集开断、保护 和测量于一体。

十、真空断路器领域的国际巨头大战 我国电力工业的持续快速发展,为高压开关行业带来了广阔的发展空间。国 际输变电设备巨头看好我国高压开关市场,纷纷在中国建立合资/独资企业,从 此揭开“本地化”大战。我国是中压真空断路器大国。2004 年,中压真空断路 器在 40.5 kV 电压级占 61.49%,而在 12 kV 级占 98.85%。国外电力设备巨头 早已瞄准我国真空断路器市场。早在 1992 年 ABB 成立了合资企业——厦门 ABB 开关公司, 该公司以生产 VD4 型真空断路器和 ZS1 型中置柜而闻名。 该公司 2004 年营业额达 2.69 亿美元,生产 VD4 型真空断路器 25686 台,居国内生产厂家之 首,接着又开发出配固封极柱和永磁机构的 VM1 型真空断路器,和集开断、测量 和保护于一体的 eVM1 型多功能真空断路器。由于 VD4 型、真空断路器的市场不 断扩大,推动了真空灭弧室产量不断攀升,ABB 从上世纪 80 年代到 90 年代的年 产 30000 只真空灭弧室,猛增到 2004 年的 220000 只。ABB 公司要将厦门 ABB 开 关公司在不久的将来打造成世界上最大的中压开关生产和研发基地。 1993 年西门子(中国)有限公司输配电集团和上海电气(集团)总公司共同

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出资成立了上海西门子开关有限公司, 在中国本地化生产中压真空断路器和中压 开关柜。其中以 3AH系列真空断路器和 8BK20 型中置式开关柜而闻名,最新又按 中国市场要求开发出SION(3AE)型模块式紧凑化设计真空断路器。参数做到 12 kV~24 kV/3150A/40kA。开关柜除 8BK20 型中置式开关柜外,又增加了NXAir型模 块式中置柜及 80A/10/8DB10 型充气柜和NXplus型充气柜。由于市场需求巨大, 2004 年 12 月,该公司又注资 1.2 亿元将厂房扩大至 35000m2,搬迁至新的生产 区。西门子公司在无锡建有西门子真空开关管(无锡)有限公司,专门为其真空 断路器产品配套。 2006 年 2 月 16 日,法国施耐德公司与宝光集团合资公司成立。施耐德电气 以 17680 万元收购宝光集团股份 43.04%的股权,新成立施耐德(陕西)宝光电 器有限公司。施耐德(陕西)宝光电器有限公司生产和销售真空断路器。宝光集 团的产品有真空灭弧室、真空断路器、真空开关柜等六大类一百多个品种。2004 年生产 12 kV 真空灭弧室 172531 只,居国内厂家产量第一,生产 12 kV 真空断 路器 8946 台,居第 5 位。截止 2006 年 6 月,生产宝光牌真空灭弧室超过 180 万 只 2005 年生产真空断路器 12980 台。施耐德(Schneider)属全球 500 强企业, 年销售额近 110 亿欧元,已有 160 年的历史。在中压真空开关方面的拳头产品为 Evolis 型真空断路器和 MVnex 型中置柜。宝光集团与施耐德公司可算强强联合, 宝光品牌与施耐德集团品牌互补, 致力于在宝鸡建成中国国内最大的真空开关生 产基地。 真空断路器领域国际巨头之战愈演愈烈。最引人注目的是法国阿海珐 (Areva)输配电公司。该公司作为全球输配电领域三大供应商之一,于 2006 年 6 月 23 日宣布其两新厂在厦门正式落成:阿海珐输配电(厦门)真空器件有限 公司和阿海珐输配电(厦门)开关有限公司。阿海珐配电(厦门)真空器件有限 公司是阿海珐与厦门华电开关公司合作, 投资 830 万欧元, 注册资本 500 万欧元, 将主要生产 12~40.5 kV 真空灭弧室。该公司预期每年生产真空灭弧室 15 万只。 阿海珐输配电(厦门)开关有限公司由阿海珐输配电公司全资控股。该厂共投资 170 万欧元,主要生产中压断路器。两厂投资总额达 1000 万欧元,2006 年销售 目标为 1 亿人民币,将提供全套解决方案。 作为全球输配电领域三大供应商之一,Areva输配电公司 2005 年在全球的销

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售投入为 33 亿欧元,占Areva集团总销售额的 29%。Areva输配电公司在中国的 业务每年都在不断扩大,增幅每年超过 25%。到 2009 年底前,要使在中国的销 售额在目前的基础上翻一番, 订单从现在的 2.5 亿欧元增长到突破 5 亿欧元。 本 “ 地化”是实现这个目标的最佳途径。因此,在中国投资,建合资/独资企业,雇 用当地员工 (2006~2009 年每年招 400 名员工) 产品就地打入中国市场。 , Areva 输配电公司每年向中国市场提供 1200 台高压断路器,2000 台隔离开关和 60 间 隔GIS。生产高压断路器已有 90 年历史,生产弹簧操动机构有 70 多年历史。到 目前,已生产高压断路器 80000 多台,生产弹簧操动机构 70000 多台。该公司最 新的第二代热膨胀式断路器采用双动技术,其中GL312 型 145 kVSF6断路器已在 江苏省广泛使用,运行超过了 500 台。该公司T155 型 550 kV GIS已提供给我国 大亚湾电站和广州轴水蓄能电站。 该公司最著名的中压断路器为FP型SF6断路器和HVX型真空断路器。该公司研 发出一系列充气柜,如GNA型、GMB型、W1 型、WS型等。环网柜有Fluokit M24 型 和FBX型等。Areva输配电公司的真空灭弧室为环保型设计,技术经济指标优越。 Areva 输配电公司在接受 Alstom 输配电公司后,原苏州 Alstom 开关公司更 名为 Areva 开关公司。该公司从此获得新生。Areva 输配电公司为苏州 Areva 开 关公司注入了新的活力。首先扩大生产规模、新建厂房,搬迁新址,生产范围也 由原来的中压产品扩大到高压产品。 这就使得 Areva 输配电公司的中压和高压产 品全部进入中国本土化生产,有利于占领中国市场。

十一、中压充气柜(C-GIS)技术的进步 中压充气柜技术的进步,在国外主要表现在减少产品中SF6气体用量和研发 非充SF6气体充气柜,而国内则形成充气柜的制造热,许多企业研发出自己的充 气柜。 (一)中压充气柜(C-GIS )的SF6用气量在减少 SF6气体具有优异的绝缘和灭弧性能。通过几十年的实践证明,没有任何一 种其他介质可以与之相媲美。但SF6气体被定为受限制的温室气体。虽然SF6气体 对温室效应的影响最小,仅占 0.1%,但SF6气体被定为温室气体本身,却引起了 电力部门的极大关注,特别是SF6气体 80%用于开关设备。为了减少SF6气体在开

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关设备中的用量,一方面人们寻找SF6替代产品,另一方面改进产品设计,减少 用气量和排气量。 为寻找替换SF6的气体,科学家已研究了 40 多年。直到如今,所有检验过的 可替代换气体的性能还远远不如SF6的绝缘和灭弧特性。它们的使用也导致电气 参数的降低。 类似于SF6特性的可替换气体,如氯化物、氟化物或各种卤化碳混合物也有 较大缺点:1)GWP系数很高;2)氯化碳对臭氧层有害;3)C-F混合物在分解时 (灭弧,局部放电)生成导电的积炭层。 为此,SF6开关设备制造厂家在产品设计中尽量减少SF6气体的用量、泄漏量 和排放量。 由于采用先进的设计和焊接工艺及高性能密封材料, 在减少充气柜的用气量 方面取得明显成效。同时在充气柜中多数采用真空断路器开断电弧,仅用SF6气 体绝缘,也有利于SF6用量的减少。例如Alstom公司(现被Areva公司收购)的SF6 充气柜从Wl-WS-GMA发展中,SF6充气量从 100%(Wl型)—90%(WS型)—40% (GMA型) 。又如富士新开发的C-GIS2000 型 24 kV充气柜的用气量从 12kg减为 4.4kg(近 2/3) ,还有新开发的 72/84 kV充气柜,将SF6充气量从老产品的 100 %减为 36%。 德国高中压开关设备制造业发达。制造企业自行承担SF6气体减排任务经过 不懈的努力,从 1995 年到 2003 年,SF6气体的排放量减少了 55%。在德国,由 1 kV以上开关及设备中排放出的SF6气体仅占温室效应的 0.033%,远似于SF6气体 总体占 0.1%的比例。其中高压开关设备占 0.028%,中压开关设备占 0.005%。 (二)非充SF6气体充气柜(C-GIS) SF6气体一直用作高压开关的灭弧和绝缘。但由于SF6气体被定为受限制 的温室气体,因而在高压开关行业,或尽量减少SF6气体的用量和排放量,或 采用其他介质取代SF6气体。在C-GIS中虽多数仍使用具有优异灭弧和绝缘的 SF6气体,但也出现了非SF6气体充气柜,如用氮气或加压干燥空气取代SF6 气 体。这里介绍几种非充SF6气体充气柜的新产品、新结构。 (1)充氮气充气柜(N2S) 上海希捷爱斯电气公司专业生产气体绝缘开关柜。 充气柜电压等级为 12

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kV、24 kV、40.5 kV。其中 12 kV级充气柜用氮气绝缘,24 kV级用SF6+N2混 合气体绝缘,40.5 kV用SF6气体绝缘。 这里介绍充氮(N2)的 12 kV N2S充气柜。 该产品特点如下: 1)环保型开关柜-12 kV开关柜使用非SF6气体; 2)紧凑型开关柜-12 kV、24 kV/1250 A 开关柜柜体宽仅 500mm; 3)金属铠装密封,高压部件防水、防尘,不受环境影响,不受海拔影 响,完全免维护;采用永磁或弹簧操动机构;固封极柱真空灭弧室, 零部件大大减少; 4)模块化气箱结构,母线气箱、母联气箱和断路器气箱可分离,增加 运行的安全性和灵活性;柜间使用母线联结器连接,不用在现场充 放气;不用移开相邻的其它开关柜,即可移出整个开关柜;主母线 不停电即可更换断路器气箱; 5)世界一流的制造技术,激光切割、激光焊接、氦检漏;主要元器件 德国进口,加工设备德国进口、德国验收,严格执行来自德国的生 产工艺。 该产品为双气室。母线、三工位开关和真空断路器为下、中、上布置。 (2)C-GIS 2100 型 24 kV 充气柜 富士公司于 2002 年 4 月开发出 C-GIS2100 型 24 kV 压缩空气充气柜。 该产品采用 0.05MPa(表压)的压缩空气绝缘,研究了如下课题: 1) 选用加压干缩空气 该公司分别对压缩空气和氮气进行了研究, 最终选用了依靠电晕改善而确保 高耐压能力的压缩空气。 2) 优化绝缘性能 除采用压缩空气绝缘外,还采用包覆绝缘、隔板绝缘和半固体绝缘。 3) 确保气密性 以前用SF6气体时,可通过检测空气中是否存在SF6气体来确认是否漏气。使 用压缩空气的充气柜就要使用氦气(He)检漏。氦气的分子直径为 21.8μm,而 SF6为 60μm。

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4)加压干燥空气中绝缘件的稳定性 在加压干燥空气中,氧气浓度比大气压下高。为了弄清氧气浓度对绝缘件的 影响,在大气压下和加压下(0.2MPa) (abs)分别对环氧树脂和聚碳酸脂进行了 加速老化试验。试验结果证明,环氧树脂经过 1000h 以后,弯曲强度并没有加速 下降,聚碳酸脂经过 1200h 后也未发现绝缘强度下降。 5) 抗内部电弧性能 在故障电弧作用下,压缩空气箱体内的压力上升,要比 SF6速度快,因为空 气的比热是SF6的 1/4。为此,压缩空气C-GIS2100 型充气柜设置释压装置,可防 止故障扩大。释压装置设置在箱体的顶部,从顶部排放气体。 (3)压缩空气绝缘的 24 kV 小型充气柜 日本日新电机公司基于丰富的 GIS 经验,最新开发并产品化了可靠性高、占 地面积小、干燥空气绝缘的 24 kV 小型气体绝缘开关设备(XAE2V) (XAE2V)型 C-GIS 壳体为铝铸件,使之轻量化,重量减轻了 40%。由于 使用了高压力(0.5MPa)干燥空气绝缘、真空断路器及薄型旋转式三工位隔离/ 接地开关,故节省占地面积 50%。该公司的 XAE2V 型 GIS 采用了下述创新的技 术: 1)0.5MPa 高气压干燥空气绝缘方式(该公司原来 GIS 的气体压力为 0.05MPa); 2)最新开发的薄型旋转三工位隔离开关/接地开关; 3)固体绝缘母线; 4)真空断路器、隔离开关、接地开关、避雷器等主要元件高度集中配置。 总之,日本在开发非SF6的气体充气柜(C-GIS)方面在前头,24 kVC-GIS已商品 化,日本三菱公司最新也开发出 24 kV干压空气绝缘 24 kV充气柜。现日本日立 电气公司又开发出 72/84 kV非SF6充气柜(C-GIS) 。这是目前参数最高的充高压 力空气C-GIS。 (三) 国内掀起充气柜制造热 中压气体绝缘金属封闭开关设备国外称 C-GIS,我国俗称充气柜。 所谓充气柜(C-GIS) ,是将高压元件诸如母线、断路器、隔离开关、互感器、 电力电缆等封闭在充有较低压力(一般 0.02-0.05MPa)气体的壳体内。

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充气柜带来许多优势。其最大优势是不受外界环境的影响,如凝露、污秽、 小动物及化学物质等。 另一个优势是因为使用压缩气体绝缘, 如SF6、 2、 6/N2混 N SF 合气体和干压空气,可大大缩小柜体的外形尺寸,有利于向小型化发展。还有一 个优势是充气柜配用性能良好的无油开关,特别是免维护的真空开关,大大减少 了维护和维修工作量。 充气柜特别适用于可靠性要求高且占地面积和空间受限制的场合, 如城市电 网建设、城市地铁、轻轨、高层建筑、大型工矿企业以及特殊使用场合,如温度 变化大和高湿环境(如湿热带地区) 、高温及低温地区(如沙漠地区和南北两极 区) 、环境中含有自然物质(如沿海的盐雾、工业粉尘)或化学性腐蚀物质(化 工厂、炼油厂)的地方,还有地震区、有震动的场合、高原地区及安装限制的狭 窄地方等。举例来说,上海电力部门在人口稠密的静安寺附近建一座 252/126/40.5 kV 降压站,在这寸土寸金的地方经拆迁征地 50m×60m,但开关设 备就需要 35 面,若用常规开关设备(空气绝缘开关设备)根本无法排布,最后 采用西门子公司 8DA10/8DB10 型充气柜, 才建成一座降压容量为 450MVA 变电站。 又如随着我国城市交通的发展,轨道交通正以前所未有的速度向前发展。在城市 道轨交通中,使用充气柜最合适。如广州地铁 2 号、3 号选用了 ABB 生产的充气 柜(ZX2 型) ,2005 年 11 月 7 日,广州地铁 5 号线又选用了 ABB 公司的充气柜, 订单高达 9000 万元。还有上海的莘闵线、一号北延伸及深圳地铁都采用该公司 充气柜。 西门子公司获得巨额合同, 将为上海 8 号和 9 号线提供 8DA10/8DB10 型充气 柜计 1.5 亿元。 大都市的供电有集成化、自动化、地下化和小型化的发展趋势。这就为气体 绝缘开关设备提供了良好的发展机遇。这里以上海为例。据报道,集成化、紧凑 化、模块化设备在上海将有广阔的应用前景。上海变电站的 252 kV和 126 kV开 关设备今后将都以GIS为主;40.5 kV级以金属铠装移开式开关柜和C-GIS共存; 12 kV除了现有中置式金属铠装移开式开关柜以外,将逐步采用全封闭的SF6充气 环网柜为主。 上海电力建设走在前头,它对高中压开关设备的选用,对其他城市和地区有 示范作用。上海大力采用GIS、C—GIS和SF6 RMU(环网柜) ,必将促使SF6绝缘开

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关设备更大的发展。 正由于 C—GIS 具有明显的优势而且在国内使用前景看好,国内一些有实力 的企业纷纷研发 C—GIS,并形成各自的产品,现举几例如下: (1)XGN46-40.5 型 C—GIS 由西高所设计,多家厂生产(如北开电气、泰开电气) 。该产品为三相共箱 式结构,分上、下气室,母线—三工位开关—真空断路器为上、中、下布置。充 SF6 气 体 压 力 为 0.04MPa 。 密 封 箱 体 用 不 锈 钢 板 焊 接 而 成 。 其 参 数 为 40.5 kV/1250A/25 kA。外形尺寸(宽×高×深)为 800×2300×1570mm。 (2)XGN69-40.5 型 C—GIS 该产品为天水长城开关厂自行研制而成。该柜为SF6单一气室,密封壳体由 5mm不锈钢板焊接而成。母线—三工位开关—真空断路器为上、中、下布置。充 SF6 气体压力为 0.04MPa。外形尺寸为 800×2400×1550mm。技术参数为 40.5 kV/1250~2000A/25~31.5kA。 (3)GZX 系列 C—GIS 该产品以西安森源开关研究所为主、联合制造厂家开发。该产品为单气室和 模块化设计。充气箱体由 3mm不锈钢板焊接而成。母线—三工位开关—真空断路 器为上、中、下布置。充SF6气体压力 0.04MPa。GZX系列由 12 k VC-GIS和 40.5 kV C-GIS组成。12 kV C-GIS主要技术参数为 12 kV/630~1250A/25kA,40.5 kV C-GIS 主要技术参数为 40.5 kV/630~2000A/31.5kA。 kV C-GIS外形尺寸为 400×2100 12 ×1045mm,40.5 kV C—GIS外形尺寸为 700×2250×1365mm。 (4)N2S-12 型 C—GIS 该产品为上海天灵开关厂出品。其特点是不用SF6气体绝缘,而用N2气绝缘, 因而对环境友好。模块化气箱、双气箱、母线气箱和断路器气箱可分离。母线— 三工位开关—真空断路器为下、 中、 上布置、 壳体制造采用激光焊接、 激光切割、 氦检漏。产品分 12 kV级 24 kV级。12 kV级C—GIS主要技术参数为 24 kV/1250~ 2500A/31.5~40kA,24 kV级C—GIS主要技术参数为 24 kV/1250~2500A/25kA。 外形尺寸为 500× (2100~2500) (1100~1300) × (1250A) 800× 和 (2100-2250) ×(1100~1300) (1250A)mm。 (5)ZFN13-40.5(Z)型 GIS

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该产品由上海平开华明高压开关有限公司研发而成。它为分相圆筒式结构, 用SF6作为绝缘介质,而用真空灭弧,用三工位开关作为母线排隔离开关和馈线 接地开关。三工位开关配电动机构,断路器配弹簧机构。三相呈纵向布置。 该产品主要技术参数为 40.5 kV/1250A/31.5kA。外形尺寸为 600×2150× 1525mm。充SF6气体压力为 0.2MPa。 (6)GFC-30 型 C—GIS 该产品为广州东芝白云电器设备公司出品。该柜采用金属铠装双气室结构。 各功能小室相对独立,低压室和高压室具有可靠的屏蔽作用。主要技术参数为 40.5 kV/630-2000A/25kA。 外形尺寸为 600×2450×1700mm (进、 出线柜) 1200 , ×2450×1700mm(母联柜) 。SF6充气压力为 0.03MPa。 (7)DXG-40.5(Z)型 C—GIS 该产品为天安集团引进中国电力联合会龙源电力研究所研发的产品。该柜 为模块化组合式结构, 由五个具有独立功能的模块组成。 高压部分隔室由 4~6mm 不锈钢板经数控机床加工后用焊接机械手焊接而成。该柜为双气室(主母线室和 断路器室) 。母线—三工位开关—真空断路器为上、中、下布置。SF6充气压力为 0.05MPa。主要技术参数为 40.5 kV/1250A/25kA。外形尺寸为(600~1200)× 2500×1400mm。

十二、对建创新型国家

走自主创新之路的解读

目前世界上公认的创新型国家有 20 个左右,包括美国、日本、芬兰、韩国 等。 这些创新型国家的共同特征是: 创新综合指数明显高于其他国家,科技进步贡献率在 70%以上,研发投入 占 GDP 的比例一般在 2%以上,对外技术依存度指标一般在 30%以下。此外这些 国家所获得三方专利(美国、欧洲和日本授权专利)数占世界数量的绝大多数。 他们的创新产出高,目前世界上公认的 20 个左右的创新型国家所拥有的发明专 利数量占全世界总数的 99%。 我国要加强自主创新,建设创新型国家。目前我国的国情是,在科技创新能 力方面,根据瑞士洛桑国际管理学院发布的《国际竞争力年度报告》 ,2004 年,

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中国在世界 49 个主要国家中排名第 24 位。尽管中国在过去 20 多年创造了年均 9%的高速经济增长,但这种增长主要是由劳动密集型产业带动的,不仅获利菲 薄, 而且资源消耗巨大, 环境成本高, 难以为继。 2005 年我国 GDP 已高达 182321 亿元,成为了经济大国但还不是经济强国。 数据表明,新中国成立以来,科技投入占 GDP 的比重最高是 1960 年的 2.32 %,2004 年为 1.23%,但与中国有关规定的 1.5%还有差距。最近中国制定颁 布的《国家中长期科技发展规划》指出,到 2020 年,中国科技进步对经济增长 的贡献率要提高到 60%左右,研发投入与 GDP 比重要提高到 2.5%(而目前中国 科技进步对经济增长的贡献率仅为 39%) ,对外技术依存降低到 30%以下。 从世界看,研发投入最多的国家为瑞典,达到 4.3%,依次为芬兰约 3.4%, 日本约 3.1%,美国约 2.7%,瑞士约 2.6%,丹麦约 2.5%,德国约 2.5%,法 国约 2.3%,奥地利约 1.9%,荷兰约 1.8%,英国约 1.8%等。 2004 年,中国研发经费投入 1966.3 亿元,占当年 GDP 的比例达到 1.23%, 与世界绝大多数发达国家 2.0%以上相比还有较大差距。到 2020 年,研发经费 将占到 2.5%,若 2020 年中国 GDP 达到 36 万亿元,届时中国全社会研发经费总 投入将达到 9000 亿元。 中国建设创新型国家的标准是: 科技促进经济社会发展和保障国家安全的能 力显著增强,基础科学和前沿技术研究综合实力要显著增强,并要取得一批在世 界具有重大影响的科学技术成果。 建设创新型国家,必须走自主创新之路,而企业则要成为自主创新的主体。

十三、自主创新

加快新型高压开关产品的研发

根据《国家中长期科学和技术发展规则纲要(2006~2020 年) 》定义的创新 包括原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新。创新的基本方针是自主创新、 重点跨越、支撑发展、引领未来。对于装备制造业,引进消化吸收再创新是战略 重点。 企业创新是重中之重,其一是研发投入以企业为主,其二是创新体现在产品 上,企业最终要出产品。 按照创新的要求,对于引进技术,必须真正做到引进、消化、吸收、再创新,

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我国电网建设与高压开关设备

而且不断地再创新。回顾过去,高压开关行业虽有引进,但再创新而且不断地创 新方面做的不够。这里不妨举两例:1、80 年代初,结合发电设备引进 30kW和 60 万kW发电设备,要求作为配套设备的中压断路器要选用真空断路器而不能再 用少油断路器。为此引进了德国西门子 3AF型真空断路器技术。真空断路器技术 的引进,使我国真空断路器制造水平有了明显的提高,推动了我国真空断路器设 计、制造技术的发展,它解决了触头材料、真空灭弧室制造和开关整体结构的改 进。特别是西安高压电器研究所结合引进技术的消化和吸收,研制出了ZN28 型 真空断路器,这个自主研发的断路器诞生后,一直成为中压断路器的主流产品, 占半壁江山,迄今还有很大市场。但后来在创新方面没有继续下更大的功夫。而 西门子又推出了 3AG和 3AH系列新产品,ABB公司也推出了VD4 型产品,致使差距 又拉大。又如 80 年代初,平顶山高压开关厂引进了法国MG公司SF6断路器(包括 GIS)的制造技术后,于 80 年代中期西安高压开关厂与日本三菱公司采用合作生 产的方式引进了SF6断路器(包括GIS)制造技术。沈阳高压开关厂与此同时引进 了日本日立公司的SF6断路器(包括GIS)制造技术。应该说这段时期是我国高压 SF6断路器制造的高峰时期,企业都投入了大量的人力、财力和物力,也取得了 较好的成绩。但当时只限于引进消化和结合工程生产,在创新方面做得不够,结 果当一项新的大工程出现后,而用现有的技术不能满足工程的要求,只好再引进 技术,如三峡工程和 750 kV工程。 由以上可见,引进吸收消化再创新,而且不断创新,才是关键所在。核心技 术是买不来的。合资和独资外企只是用产品占领中国市场或利用中国廉价劳动 力,核心技术还是控制在外国人手里。因此,创新的基本方针是自主创新。 应当看到,我国高压开关市场,目前 550 kV 断路器和 GIS 开关设备约 80%, 252 kV 约 50%,126 kV 约 30%还被进口、合资的国外技术产品占领。2005 年, 国家电网公司对新工程的输配电设备采取集中招评标的方式采购,年内共招标 6 次。共采购到 GIS200 间隔,混合技术开关设备 8 套,断路器 655 台,隔离开关 1774 组。从国内产品和进口/合资产品的占比例看,在 550 kV 级,GIS 国内产品 占 16%,进口/合企产品占 84%,高压断路器国内产品占 7.7%,进口/合企产 品占 92.3%;在 252 kV 级,GIS 国内产品占 42.6%,进口/合企产品 57.4%,高 压断路器国内产品占 24.4%,进口/合企产品占 75.6%。这一例子更加说明在高

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我国电网建设与高压开关设备

压超高压领域,进口/合企产品占取了国内相当大的市场。因此,国内企业必须 在高压超高压领域,加大开发力度,发挥自主创新能力,不断开发出更多更新更 高水平的产品来。但应当认识到,我国要建立创新社会,必须自主创新,企业是 自主创新的主体,以市场为导向,走产学研相结合之路。这里强调企业不是单纯 的生产单位,而是自主创新的主体。而今天的企业将业务主要放在生产环节。企 业应不仅追求产量, 更要追求获得最大利润, 研发是企业获得长远高利润的手段。 中国企业还没有高度关注研发。就合手研发投入来说,大企业的研发投入只占销 售额的 0.71%,中型企业仅为 0.55%,60%的企业没有自主品牌,只有 25%的 企业拥有自主品牌,万分之三的企业才有核心产品。高压开关行业也是如此。在 高压开关行业,只有几个大厂和一些中等有实力的企业有一定的研发能力,拥有 自己品牌,而大多数企业的科研费只用于买图纸和支付试验费,造成产品雷同, 缺乏个性,没有自己的品牌,同类产品市场竞争激烈,吃亏的还是企业自己。纵 缆国外大型公司,如 Siemens 、ABB、Schneider 等,其研发费投入占到其总产 值的 6~8%。因此他们有雄厚的资金支持,大力开发新品,拥有自己的品牌和 核心技术。我们的企业应转变观念,加大研发费用的投入,提高自主创新能力, 这才是兴旺发达的保证。

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西安高压电器研究所

颜丽萍

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真空开关

一、概述 近 20 年来,真空技术和工艺日益成熟,特别是在中压领域,真空开关得到了长足的发 展,真空开关的应用也得到了电网和用户的肯定,尤其在当今环保意识的增强和京都协定 书规定的期限临近的前提和氛围下,真空开关的应用前景会更加广阔。 真空开关是以真空作为绝缘和灭弧介质的开关设备。真空开关基本结构是由真空灭弧 室、本体和机构组成。真空灭弧室是真空开关的核心元件,在高真空中,电极间隙绝缘强 度高,真空电弧弧压低,弧后介质强度恢复速度高,触头电磨损速率小。因此真空开关具 有如下特点: ①真空的绝缘强度高,熄弧能力强,故触头开距小,一般均在几毫米以内,且运动部 件的质量小,因此操作机构需要的合、分闸操作功较小,可实现小型化; ②熄弧时间短,电弧电压低,电弧能量小,触头损耗少,因此分断次数多,电寿命和 机械寿命长,适合频繁操作; ③工作中不产生高压气体和有毒气体。触头被封闭在真空灭弧室中,触头间的电弧和 炽热气体不会向外界喷溅,不会引起火灾及污染环境,真空开关的工作也不受环境条件的 影响; ④真空开关的工作行程和操作功小,操作时,振动轻微,噪声低,适用于城市区域和 要求安静的场所; ⑤灭弧介质为真空,因而与海拔高度无关,同时没有火灾和爆炸的危险。 ⑥在真空灭弧室的使用期限内,触头部分不需要维修、检查,维修工作量小,花费的 时间短; ⑦开断电流小时有截流现象,且有切断高频电流的能力。两者均可能在电感回路中产 生过电压。必要时需用 R-C 回路或氧化锌压敏电阻等加以抑制。 真空断路器的小型化水平和产品可靠性是密不可分的。真空断路器的零部件数量较 SF6 断 路器少,研究和制造部门还在进一步努力减小真空灭弧室直径,以期降低成本,并减小真 空断路器尺寸,提高小型化程度,提高可靠性。

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真空开关

二、真空开关的分类 真空开关的分类见 下表分类方式 基本类型 空气绝缘 复合绝缘 特 点

真空灭弧室外绝缘以空气作为绝缘介质 真空灭弧室外绝缘以其他绝缘材料与空气共同作 为绝缘介质 真空灭弧室外绝缘以非空气的绝缘气体作为绝缘 介质 真空灭弧室外绝缘以固体绝缘材料作为绝缘介质 (固封极柱结构) — — 每极用一个真空灭弧室 每极两个真空灭弧室串联 每极多个真空灭弧室串联

按真空灭弧室 外绝缘方式 分类

气体绝缘

固体绝缘 户 内 型 按工作场所分类 户 外 型 按每极所串联的 真空灭弧室数 分类 单 断 口 双 断 口 多 断 口

三、真空断路器 真空断路器主要用于工矿企业、发电厂及变电站作电气设施的保护和控制之用,用于频 繁操作的场所。 1. 型号 真空断路器的编制原则如下:

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真空开关

2.

基本结构 真空断路器的结构方式主要有落地式、悬挂式、综合式,户外高压真空断路器以柱式

为主。 1)户内真空断路器 A. 落地式真空断路器 在落地式真空断路器中,真空灭弧室主要用与其轴线平行的绝缘体(如绝缘杆、绝缘 筒等)固定在机架上,操动机构通常置于真空灭弧室的下方或后方。 此类真空断路器以 VD4 系列和 ZN85-40.5 系列真空断路器为代表。 B. 悬挂式布置的真空断路器 悬挂式真空断路器的真空灭弧室主要由垂直于其轴线的绝缘件固定在机架上,操动机 构和真空灭弧室通常作前后布置。 此类真空断路器以 ZN65-12 系列真空断路器为代表,特点为结构简洁,装配调试与维 修方便,外形美观。 C. 综合布置的真空断路器 综合式真空断路器是介于悬挂式和落地式布置之间的一种布置方式,真空灭弧室同时在 轴线方向和垂直方向上为绝缘体所固定。 ZN28-12 系列和 ZN63A-12 系列是典型的综合布置真空断路器。 D. 固封极柱真空断路器 固封极柱真空断路器采用固体绝缘介质作为真空灭弧室外绝缘。将真空灭弧室与导电 部分用固体绝缘材料完全或部分封装为一个整体,提高了真空灭弧室环境适应性,真空断 路器尺寸大大减小。目前 ZN96 系列固封极柱真空断路器的技术参数,12kV 电压等级达到
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真空开关

50kA/4000A,40.5kV 电压等级达到 31.5kA/2500A。 E. 气体绝缘真空断路器(C-GIS 用真空断路器) 气体绝缘真空断路器是用 SF6 气体或其他绝缘气体作为真空灭弧室和真空断路器的外 绝缘。利用真空断路器优异的电性能和 SF6 优异的绝缘性能相结合,可以实现 40.5kV 级真 空断路器小型化。 考虑到用于SF6气体绝缘开关设备的特殊使用条件,此类产品真空灭弧室多采用水平放 置以有效利用空间,并使母线进出方便,整机尺寸减小。 2)户外真空断路器 A. 户外柱上真空断路器 户外柱上真空断路器的结构有箱式结构和柱式结构。对于箱式结构,为了防止凝露, 箱体内充油或其他绝缘介质,操动机构安装在箱外,进出线由磁套管引出箱外。典型产品 如 ZW8、ZW33 等。而柱式结构则主要以固封柱为代表产品,如 ZW32、ZW51-12 等。 以SF6气体作为绝缘介质的气体绝缘户外柱上真空断路器以 0~0.5 表压的SF6气体作为绝缘介 质,以真空作为灭弧介质,使用中不会产生SF6气体电弧分解物。如果采用永磁机构置于箱 体内,使机构的各个零部件免受外界大气的污染和锈蚀,该类产品可做成免维护产品。该 类型产品对生产工艺的要求较高。如ZW33—12 等产品。 以固体绝缘材料作为绝缘介质的真空断路器类似于户内产品中的固封极柱真空断路 器。固封技术用于户外产品不需要密封技术,不存在泄露和爆炸的危险,是一种合适的选 择,如 ZW51-12 等产品。 B. 户外瓷柱式真空断路器

① 40.5kV 以下的中压产品 户外真空断路器与户内真空断路器的主要区别在于它直接处于恶劣的户外运行环境。 对此类产品,真空技术主要用于开断和绝缘,不能经济的用作对地、相间绝缘。 油以其良好的绝缘性能可以缩小开关体积,并对箱体内各个零部件有良好的防护作用,如 早期的 ZW1-12 户外真空断路器。 复合绝缘结构的产品以柱式为主,将真空灭弧室安装在绝缘套管(瓷、户外环氧或外 包硅橡胶的复合套管)内,再用硅脂、聚氨酯材料或硅橡胶填充间隙。如 ZW7、ZW32 等。 ② 126kV 以上电压等级真空断路器 126kV以上电压等级真空断路器通常采用柱式结构或罐式结构。 其特点为使用低气压SF6

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真空开关

气体作为真空灭弧室外绝缘以减小真空断路器体积,真空灭弧室作为开断元件。产品兼用 了SF6气体和真空的优点,有很好的市场推广前景。采用串联真空灭弧室结构,也可以发展 成为 252kV真空断路器。 3)发电机真空断路器 近几年,将真空断路器用于发电机保护,特别对于发电机容量在 100MW 以下的场所越 来越普遍。 发电机断路器对于开断能力和恢复电压的要求远高于常规断路器。通常发电机保护断 路 器 使 用 专 用 真 空 灭 弧 室 来 满 足 严 酷 要 求 。 国 内 已 经 研 制 成 功 ZN28-12/4000-63 、 ZN12-12/4000-63 和 ZN12-12/6300-80 发电机断路器。 3. 真空断路器的操动机构 操动机构是真空断路器中机械结构最为复杂、维护工作量最大的部件。国内外统计表 明操动机构的故障(包括辅助电器和控制电器的故障)占断路器总故障的 89.4%。可见操动 机构的故障在断路器故障中占极大的比例。提高操动机构的可靠性,其重要性是不言而喻 的。 真空断路器的操动机构种类有:直流电磁操动机构、弹簧操动机构、永磁机构。 1)直流电磁操动机构 直流电磁操动机构是国内真空断路器使用历史最长的操动机构。电磁机构必须有一个 大功率的直流电源提供合闸能量。 2)弹簧操动机构 弹簧操动机构大多数是针对真空开关的要求专门设计的,其机械寿命和机械可靠性有 很大提高,模块化设计、机构疲劳寿命试验和现场试验经验都有助于提高断路器机构的性 能水平。要使弹簧机构达到高的可靠性,必须与真空断路器实现更好的配合,实现少维护 或免维护。 3)永磁机构 永磁机构是近期用于真空断路器的。永磁机构较其它机构可靠性高。由于只有一个运 动部件与灭弧室或主轴直接连接,零部件较弹簧机构减少了 60%。结构简单,零部件的大幅 减少使开关机械系统可靠性大大提高,从而实现免维护运行。永磁机构的可靠性很大程度 取决于控制单元大的可靠性。

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真空开关

四、真空负荷开关 真空负荷开关是用来关合、开断及承载运行线路正常电流(包括规定的过载电流) ,并 具有一定的关合短路电流能力。适用于频繁操作的场合。真空负荷开关与限流熔断器构成 组合电器,起故障短路电流的一次性保护。 1. 型号 真空负荷开关的编制原则如下:

2.

基本结构 真空负荷开关的总体布置方式有两种:断路器形式、隔离开关形式。户外真空负荷开

关以柱上为主。 1)户内真空负荷开关 A. 断路器形式 真空负荷开关采用与户内断路器的设计布置结构形式,其操作功远小于真空断路器。 通常与隔离开关通过机械连锁更好地完成电力电网的保护和维护的安全功能。 B. 隔离开关形式 真空负荷开关将隔离开关与真空灭弧室进行串联/并联组合,形成可见的明显断口。一 种为真空灭弧室仅在分闸过程中接入,灭弧后退出;另一种为真空灭弧室只承担电寿命功 能,隔离开关承担绝缘的功能。 2)户外真空负荷开关

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真空开关

户外真空负荷开关大多为隔离开关形式的负荷开关。 3. 真空负荷开关—熔断器组合电器 真空负荷开关的行程小,如果采用电动脱口装置,通过熔断器的特性曲线,不仅要考 虑转移电流还要考虑交接电流。 4. 操动机构 真空负荷开关的操动机构采用过中弹簧机构,一种为手动操动机构,另一中为由电动 储能合闸和分闸线圈组成的操动机构。 五、真空接触器 真空接触器是用来关合、承载正常电流及规定的过载电流的开断和关合。适用于控制 操作频繁的回路,用于控制高压电动机、电炉变压器。与熔断器组合作为电动机的控制和 保护。 1. 型号 真空接触器的编制原则如下:

2.

基本结构 真空接触器为户内高压产品,总体布置多为分相落地式,操动机构采用拍合式电磁操

动机构,具有不少于 20 万次的电寿命。3.6kV、7.2kV、12kV 真空接触器覆盖量最大。 3. 带熔断器的真空接触器(F-C 回路) 带熔断器的接触器将回路的控制和保护功能分开, 4. 操动机构

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真空开关

真空接触器采用拍合式电磁操动机构,机构的保持方式分常励磁式和机械锁扣式两种。

六、真空重合器 真空重合器是用来按照预定的开断和重合顺序,在交流配电线路中自动进行开断和重 合操作,其后自动复位、分闸闭锁。 1. 型号 真空重合器的编制原则如下:

2.

基本结构 真空重合器为柱上户外产品,由真空断路器、电子控制系统和快速储能操动机构组成。

七、真空灭弧室 真空灭弧室是真空开关的核心元件。真空灭弧室的技术先进性与可靠性在很大程度上 决定了真空开关的技术水平与性能指标。不同功能的真空开关采用不同真空灭弧室,可靠、 经济地完成真空开关的各项功能。从初期的平板触头到后来发展的横磁场触头、纵磁场触 头,从单元素触头材料到双元、多元触头材料,真空灭弧室技术的研究与发展始终围绕着 大容量、小型化、高可靠、多用途的主题。最近的十几年,真空灭弧室研究手段,设计水 平与工艺技术得到了长足的发展,设计与制造技术日趋完善,材料性能稳定提高,开断技 术与绝缘技术日趋成熟。研究与设计人员努力的方向已不是提高真空灭弧室的基本性能参 数,而是完善和改进其结构和工艺,提高产品可靠性和真空灭弧室小型化程度。 1. 真空断路器用真空灭弧室

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真空开关

2. 3. 4.

真空负荷开关用真空灭弧室 真空接触器用真空灭弧室 真空重合器用真空灭弧室

八、真空开关的机械特性 真空开关的性能不仅与真空灭弧室和操动机构有关,也与整机的机械特性配合有关。 真空开关的负载特性:在触头运动期间,负载不大。触头接触瞬间,负载力有一大的 跃变,跃变值等于触头初压力与触头自闭力之和。在接触行程期间,负载力保持很大的值 且不断增长。 操动机构的输出特性应与真空开关的负载特性相匹配,要求在合闸前期(触头运动期 间)输出较小的力,在接触行程阶段输出较大的力。通过凸轮轮廓线或其它方式使输出特 性与真空开关的负载特性匹配。 电磁操动机构的输出特性与真空开关的负载特性比较接近,特性匹配比较容易。 真空开关机械寿命很长,用于真空开关的操动机构也必须有很长的机械寿命。 影响真空开关性能的主要机械参数如下: 1. 2. 3. 4. 5. 分合闸速度 合闸触头弹跳 分闸过行程和分闸反弹 触头压力与接触行程(超程) 额定触头开距及平均分、合闸速度

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高电压试验技术和绝缘配合

西安高压电器研究所 王建生 崔东

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高电压试验技术和绝缘配合

高电压试验技术和绝缘配合
1. 绝缘配合 考虑所采用的过电压保护措施后,决定设备上可能的作用电压,并根据设备 的绝缘特性及可能影响绝缘特性的因素, 从安全运行和技术经济合理性两个方面 确定设备的绝缘水平。 绝缘配合程序见图 1(IEC71-1) 。

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高电压试验技术和绝缘配合

2. 设备上的作用电压 --持续工频电压(其值不超过设备最高电压Um,持续时间等于设备设计的运 行寿命) ; --暂时过电压(包括工频电压升高、谐振过电压) ; --缓波前(操作)过电压; --快波前(雷电)过电压; --陡波前过电压; --联合过电压(上述任意电压的联合) 。 各类作用电压的典型波形如表 1。

3. 绝缘水平 IEC71-1 给出的标准绝缘水平见表 2、表 3。 GB311.1 给出的标准绝缘水平见表 4、表 5。 这种差异主要体现在工频耐受电压(范围 I) ,主要是运行工况的不同,如 污秽、潮湿等。

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高电压试验技术和绝缘配合

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高电压试验技术和绝缘配合

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高电压试验技术和绝缘配合

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高电压试验技术和绝缘配合

4. 绝缘试验类型 根据绝缘在试验中发生破坏性放电的特征,把绝缘分成自恢复绝缘和非自恢 复绝缘。 事实上, 一台设备的绝缘结构大都是由自恢复绝缘和非自恢复绝缘两种绝缘 组成。因此,一般不能简单地把一台设备的绝缘说成是自恢复和非自恢复型的。 仅当在所有感兴趣的电压范围内, 在一台设备的自恢复绝缘部分发生沿面或贯穿 性放电的概率可以忽略不计时 (此时整台设备的放电概率与其自恢复绝缘部分的 放电概率一致) ,才可以称其绝缘为自恢复型的,或者相反。 (1)非自恢复绝缘 在破坏性放电之后,丧失或不能完全恢复其绝缘特性的绝缘,如油纸绝缘、 环氧浇注绝缘等。 对含有非自恢复和自恢复两种绝缘的一些设备,作为绝缘配合的目的,如果 试验时破坏性放电会对非自恢复绝缘部分产生严重的损坏(如变压器试验时,装 有较高标准冲击耐受电压的套管) ,则对这类设备,应看作为非自恢复绝缘。 (2)自恢复绝缘 在破坏性放电后,完全可恢复其绝缘特性的绝缘,如气体绝缘等。 (3)复合绝缘 对于自恢复绝缘和非自恢复绝缘不能分开试验的设备绝缘,如套管、电缆终 端等。 (4)内绝缘 不受大气和其它外部条件影响的设备绝缘内部的固体,液体或气体部分。 (5)外绝缘 空气间隙及设备固体绝缘外娄在大气中的表面, 它承受作用电压并受大气和
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高电压试验技术和绝缘配合

其它外部条件,如污秽、湿度、虫害等的影响。 绝缘试验主要有: --短时(1min)工频试验; --长时间工频试验; --操作冲击试验; --雷电冲击试验; --陡波前冲击试验; --联合电压试验; --局部放电试验; --介质损耗和电容量测量; --无线电干扰水平测量。 5. 对高电压试验的一般要求 5.1 试品的总体布置 (1)试品 应完整装上对绝缘有影响的所有部件, 并按有关设备标准规定的方法进行处 理。 (2)试品与周围接地体的距离 试品或部件试验时,其电场应尽可能和运行情况相似。 试品与接地体或邻近物体的距离, 一般应不小于试品高压部分与接地部分间 最小距离的 1.5 倍。

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高电压试验技术和绝缘配合

图 2 为交流和正极性操作冲击试验时最高试验电压与试品高压电极对接地 体或外部带电体间最小距离的关系。 5.2 有关修正因数 5.2.1 海拔修正因数 一般的经验数据为:海拔每升高 100m,绝缘强度约降低 1%。 IEC694:Ka=em(H-1000)/8150 IEC71-2:Ka=emH/8150 GB311.1:Ka=1/(1.1-H×10-4)

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高电压试验技术和绝缘配合

图 3 为几种不同修正公式计算结果比较。 5.2.2 大气条件校正 (1)标准参考大气条件 温度:t0=20℃; 压力:b0=101.3kPa; 绝对湿度:h0=11g/m3。 (2)大气校正因数 外绝缘的破坏性放电电压与试验时的大气条件有关。通常,给定空气放电路 径的破坏性放电电压随着空气密度或湿度的增高而升高;但当相对湿度大于 80% 时,破坏性放电会变得不规则(特别是当破坏性放电发生在绝缘表面时) 。
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高电压试验技术和绝缘配合

利用校正因数可将测得的闪络电压值U换算到参考大气条件下的电压值U0; 反之,也可将参考大气条件下规定的试验电压值换算到试验条件下的电压值。 破坏性放电电压值正比于大气校正因数Kt。 Kt=K1K2 K1:空气密度校正因数; K2:湿度校正因数。 U=U0Kt K1=δm δ:相对空气密度 δ=(b/b0) (273+t0)/(273+t) b,t 为实际大气压力(kPa)和温度(℃) 。 K2=Kw K:取决于试验电压类型并是绝对湿度 h 与相对空气密度δ的比率 h/δ的函 数(见图 4) 。

指数 m,w: 校正因数依赖于预放电形式,由此引入特征参数 g: g=UB/500LδK
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高电压试验技术和绝缘配合

式中: B: U 是指实际大气条件时的 50%破坏性放电电压值 (测量或估算) kV。 ; 耐受试验时UB可假定为 1.1 倍 3 试验电压值。 L:试品最小放电路径,mm; δ,K:实际值。 m,w 可由 g 在图 5 曲线中查得(此结果仅适用于海拔小于 2000m) 。

对于包括内、外两种绝缘的设备,应用大气校正因数,如果校正因数在 0.95 和 1.05 之间,则以校正过的电压值进行试验。当校正因数超出此范围时,作为 绝缘配合的目的,下面列举的方法是可接受的。

a) 外绝缘的试验电压高于内绝缘的试验电压(大气校正因数>1.05) 当内绝缘的设计裕度大时,才能对外绝缘进行正确的试验。如果不是这样, 则应当以标准值试验内绝缘,而对外绝缘,可按有关技术设备委员会的规定或协 商考虑下述的替代方法: --只在模型上进行外绝缘的试验; --在已有结果之间内推(插) ; --根据尺寸估算耐受电压。

如果空气间隙距离等于或大于表 17、18 和 19 中给出的值,则一般来说,外 绝缘是不需要试验的。 对立式绝缘子的湿试验,绝缘子的形状应当满足一定的附加要求。已有资料 证明,如果表明绝缘子的形状有关标准要求,则可认为已达到这些要求。 如果间隙大于额定工频耐受电压除以 230kV/m 和绝缘子的形状满足有关标准 的要求,则对于湿条件下的工频试验,不需要另外进行外绝缘试验。

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高电压试验技术和绝缘配合

b) 外绝缘的试验电压低于内绝缘的试验电压(大气校正因数<0.95) 当外绝缘设计裕量大时,才能对内绝缘进行正确的试验。如果不是这样,则 外绝缘应当用校正过的电压值进行试验,而对于内绝缘,可按有关技术设备委员 会或协商考虑下述选择: --仅用一种极性(通常为负极性)冲击对内绝缘进行试验; --通过增加外绝缘的强度,例如,用不同气隙的电晕控制电极对内绝缘进行 试验。加强的措施不影响内绝缘的性能。 5.3 湿试验 该试验旨在模拟自然雨对外绝缘的影响, 并适用于所有类型电压的试验和各类 设备的试验。淋雨条件见表 6。

雨水电阻率按下式校正到 20℃时的值: ρ20=ρtα ρ20,ρt:20℃及温度t下的电阻率; α:温度校正因数(见图 6) 。

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高电压试验技术和绝缘配合

按规定的预淋条件至少预淋 15min。 5.4 人工污秽试验 人工污秽试验是为了得到外绝缘在典型污秽条件下的性能而不必模拟特定 的运行条件。四类典型的污秽等级见表 7。

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高电压试验技术和绝缘配合

(1)试验程序 人工污秽试验包括污秽的涂覆和同时或在其后的电压施加, 通常仅推荐试验 电压至少恒定数分钟的试验方法。 污秽试验程序既可以是确定试品在一定电压下 的最大污秽度;也可以是确定特定污秽度下的耐受电压。 污秽试验分两类:盐雾法,固体污层法。

(a)盐雾法 用压缩空气将配制好的盐水通过喷嘴喷出成盐雾,沉积于试品绝缘表面,同 时对试品施加电压,此时电压应迅速增加至规定值并在规定时间(通常为 1h) 内保持恒定或至闪络发生,这一过程重复数次,在每次试验以前试品须用水充分 清洗以清除盐迹。

(b)固体污层法 试品均匀地涂覆导电悬浮液并干燥,蒸汽雾发生器产生均匀雾使试品湿润。 一种方法是在试品被雾湿润之前就施加电压, 直至闪络或是维持约两倍于达 到最大电导率的时间。另一种方法是仅在电导率达到最大值时施加电压,最大电 导率应在 20—40min 之间出现,在规定的 15min 试验时间内,或闪络发生前,电 压保持恒定。 上述过程重复数次(如 3 次) ,每次试验前,试品应清洗,重复涂覆,随后 干燥。

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直流电压试验
1. 直流电压的产生 直流电压一般由直流电压发生器产生。 7 为最简单的半波整流电路及其输 图 出电压波形。

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图 8 为产生直流高电压的倍压串级发生器。

衡量直流高压试验设备的基本技术参数有三个: --输出的额定直流电压(算术平均值)Ud; --额定输出电流Id; --电压纹波系数δU(小于 3%) 。 对倍压串级回路:δU=n(n+1)Id/4fCUd,其中:n为级数;f为频率;C为主 电容。

2. 试验要求 加在试品上的试验电压应是纹波系数小于 3%的直流电压。 如果试验持续时间不超过 60s,在整个试验过程中试验电压测量值应保持在 规定电压值的±1%以内;当试验持续时间超过 60s,在整个试验过程中试验电压 的测量值则可保持在规定电压值的±3%以内。

3. 试验电压的测量 3.1 对认可测量系统的要求 一般要求是测量试验电压算术平均值的测量总不确定度应不超过±3%。 当存 在纹波时,也不应超过上述总不确定度范围。 (1)刻度因数的稳定性 在性能记录中所列的环境温度和湿度范围内, 转换装置和传输系统的刻度因 数的变化不应超过±1%。 (2)测量上升电压的动态特性 认可测量系统的实验响应时间TN不应大于 0.5s。
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3.2 电阻分压器

图 9 为常用的测量直流电压的分压器原理图。对(a)Ud=I1R1;对(b) d= ,U (1+R1/R2)U2。 不论是用高欧电阻构成电阻分压器还是串接一毫安表来测量直流电压, 其关 键都是要设计一个能在高电压下稳定工作的高阻值电阻R1(通常由许多个电阻元 件串联而成) 。 造成电阻分压器测量误差的主要原因是电阻值不稳定。原因有: (1)电阻本身发热。这种变化取决于电阻的温度系数,应选择: (a)元件容量大于分压器所需的额定功率,以减少温升。 (b)分压器内充变压器油增强散热。

(2)电晕放电造成测量误差 (a)R1的高压端应装上可使整个结构的电场比较均匀的金属屏蔽罩。 (b)分压器内充以高压气体(如SF6)或变压器油。 (c)等电位屏蔽:将电阻元件用金属外壳屏蔽起来,屏蔽的电位可由电阻 分压器本身来提供;也可由辅助分压器供给。

(3)绝缘支架的漏电造成的测量误差 选用绝缘电阻大的结构材料,还可采取充绝缘油(气体)及等电位屏蔽等措 施。

3.3 球隙或棒—棒间隙测量装置

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按 IEC60-1,球隙、棒—棒间隙可作为直流电压的认可测量装置。对棒—棒 间隙,其放电电压: U=2+0.534d U:以 kV 表示; d:间隙距离,mm。

适用范围:250mm≤d≤2500mm;1g/m3≤h/δ≤13g/m3。 不确定度 < ±3%。

交流电压试验
1. 交流电压的产生 1. 1 用试验变压器产生交流电压

图 10 为用变压器产生交流电压的典型试验回路。 目前,单台试验变压器额定电压最高为 750kV。若要产生更高的交流电压, 则可将几台变压器串联起来,常见的称为自耦式串级变压器。图 11 为在西高所 高压大厅的 2250kV(3 台 750kV 串联)试验变压器。
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平衡绕组的作用是减少漏抗。

对试验变压器的要求: (1)短路阻抗越小越好,单台:3%--12%; (2)局放水平越小越好,一般小于 10pC; (3)变压器有足够的容量(短路电流Id) : 短路容量:Sk≥3Qc=942CUT2×10-9(C:负载电容;UT为试品试验电压) 短路电流:固体、液体、复合绝缘:Id≈0.1A; 自恢复外绝缘,干:Id > 0.1A; 湿:Id > 0.5A; 污秽试验:Id > 15A。 (4)变压器的额定电压:UH=(1.3-1.5)UT。

1.2 串联谐振装置产生交流电压

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图 12 为串联谐振产生交流高压的电气原理图。有两种谐振方式: (1)调频率; (2)调电感。 谐振条件:ωL=1/ωC 品质因数:Q=ωL/R 谐振时,Uc=QUs,一般Q=20-80,因此,Uc远大于Us。 变压器容量:Sk=Us2/R,这说明在谐振时,试验所耗之功率仅为电阻上的有 效功率, 故此时电源变压器容量比单独用工频变压器产生相同高电压时的容量要 小得多。 串联谐振装置主要用于现场试验或大电容试品的工频耐压试验(如 GIS,电 缆,电力电容器等) 。 2. 对试验电压的要求 2. 1 电压波形 试验电压一般应是频率为 45-65Hz 的交流电压,通常称为工频试验电压。有 时,可能要求频率低于或高于这一范围。 试验电压的波形为两个半波相同的近似正弦波,且峰值和方均根(有效)值 之比应在√2±0.07 以内。对某些试验回路(含有非线性阻抗特性的试品) ,一 般要求谐波的方均根值不大于基波方均根值的 5%。 一般,对用变压器产生交流电压时,在变压器原边应加装 3 次,5 次滤波装 置(LC)以改善波形。

2.2 容许偏差 如果没特别规定,在整个试验过程中,试验电压的测量值应保持在规定值的 ±1%以内;当试验持续时间超过 60s 时,在整个试验过程中试验电压的测量值可 保持在规定值的±3%以内。 3. 交流电压试验程序
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3.1 耐受电压试验 对试品施加电压时,应当从足够低的数值开始,以防止操作瞬变过程而引起 的过电压的影响。然后应缓慢地升高电压,以便能在仪表上准确读数,但也不能 升得太慢,以免造成在接近试验电压 U 时耐压时间过长。若试验电压值从达到 75%U 起,以 2%U/s 的速率升压,一般可满足上述要求。试验电压应保持规定时 间,然后迅速降压,但不得突然切断,以免可能出现瞬变过程而导致故障或造成 不正确的试验结果。

加压时间一般为 60s,称为短时工频耐受试验;其它时间由产品标准规定, 如 5min(SF6气体绝缘零表压试验) ,15min(污秽试验)等。

若试品在规定的耐压时间内无破坏性放电发生,则认为通过了试验。

3.2 破坏性放电电压试验 在试品上施加电压并连续上升直到试品上发生破坏性放电, 并记录破坏性放 电发生瞬间的试验电压值。 这类试验要重复多次(例如,5 次) 。求取平均值。

4. 交流电压测量 工频高电压测量装置通常有: --测量球隙 --高压静电电压表 --电压互感器 --分压器配相应的低压指示仪表(如峰值表) 。

对试验电压有效值(或峰值)测量的认可测量系统的总不确定度应在±3% 以内;转换装置(分压器、互感器)的刻度因数的变化小于±1%;仪表的准确度 达 0.5 级;峰值表的不确定度小于±1%。

测量系统的幅频响应在 0.7-7 倍试验电压频率范围内的变化不超过±2%。

4.1 测量球隙 见 IEC52 出版物。

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4.2 高压静电电压表 原理:当电压施加于两电极,由于电极上分别充上异性电荷,电极就会受到 静电机械力的作用。测量此静电力的大小或是由静电力产生的某一极板的偏移 (或偏转)来反映所加电压的大小。

低压静电电压表的准确度可达 0.2%;高压静电电压表的准确度可达 1%-2%。

优点:基本上不从电路中吸取功率; 缺点:测量电压有限,对电场有影响。

4.3 电压互感器 用高精度的电场差计和电压表配合精密电磁式电压互感器测量交流电压, 可 -3 -5 获得 10 —10 的测量精度。但是,测量电压不超过 500kV,且装置价格昂贵,一 般只作为角比差测量装置。

4.4 分压器 4.4.1 电阻分压器 一般不使用电阻分压器来测量交流电压。因为容量问题不易解决。电阻分压 器存在对地杂散电容时会产生幅值和相角上的误差(若输入端的电压为U1=Um sin (ωt) ,则低压臂输出的电压为U2=AUmsin(ωt-θ)。且频率越高,电阻越大, ) 杂散电容越大,测量误差也越大。

4.4.2 电容分压器 这是最常用的一种测量交流电压的方法,尤其是配峰值电压表(图 13) 。

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对电容分压器,只造成幅值误差,不引起相角误差: U2=AU1(1-K/6C) 其中:K 为杂散电容;C 为纵向电容(即分压器主电容) 。 幅值误差是可以补偿的: (1)校正,引入校正因数; (2)将分压器电容值(C)取得大一些,即可使误差降低。

电容分压器的高压臂电容可以是特制的电容器(一般为多台电容串联) ,也 可以是标准电容器。其主要要求是: (1)电容值稳定,不能太小,否则受杂散电容影响大;但也不能太大,否 则影响变压器的负载能力。一般为几百 pF(300—800pF) 。 (2)无电晕(局放) 。一般分压器或标准电容的局放水平能达到额定电压下 小于 3pC。

雷电冲击电压试验
1. 雷电冲击电压的产生 在试验室中雷电冲击电压一般由冲击电压发生器(MAXIWELL GENERATOR)利 用对多台电容器并联充电,然后串联放电产生双指数波冲击电压。 图 14 为典型的高效率回路。

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1.1 对所产生的冲击电压的波形可近似估算 波前时间:Tf=(2.3-3.24)nrfC1C2/(C1+C2) 波尾时间:Tt=0.69nrt(C1+C2) 其中:n:级数;C1:主电容;C2:负荷电容;rf:每级波前电阻;rt:每级 波尾电阻。 对波前时间中的系数,在回路存在电感时取较小值,反之,取较大值。

1.2 对冲击发生器的基本要求 (1)同步特性 冲击发生器由并联充电变为串联放电是靠点火球隙g和各级球隙的放电来完 成的,因此保证所有间隙可靠放电(同步) ,对电压的产生十分关键。对一台发 生器的同步特性的衡量指标是同步触发范围,即在某一球距下,若最佳放电电压 为U0,则在U0±ΔU内间隙均能可靠触发同步放电,该范围(U0-ΔU到U0+ΔU)即 为同步范围。显然,该范围越大越好,一般希望在 20%以上。

改善冲击电压发生器同步特性的措施有多种,常见的有: (1)三电极放电球隙; (2)增大级间耦合电容; (3)增加辅助放电间隙。 图 15 为 SIEMENS 结构冲击发生器同步措施。

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(2)减小本体固有电感 冲击回路中有电感, 直接影响发生器效率、 带负荷能力, 还会造成波形振荡。 因此要求发生器回路电感越小越好。本体电感主要取决于: (a) 元件电感(主电容、波前电阻) ; (b) 回路尺寸; (c) 回路元件的合理布置。 对元件,波前电阻采用无感绕法,主电容尽可能采用同轴绕制或多个电容并 联。 回路尺寸要尽可能紧凑。 回路元件布置尽量使互感相互抵消。

(3)效率高 要求主电容大,即发生器要有足够的容量。

2. 对雷电冲击电压的要求 2.1 试验电压值 对于平滑的雷电冲击波,试验电压值即为峰值。

对于某些试验回路,在冲击的峰值处可能会有振荡或过冲,如图 16 所示。
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如果这种振荡频率不小于 0.5MHz 或过冲的持续时间不大于 1μs,应作平均曲线 (图 16a、b) ,测量时可取这条平均曲线的最大幅值作为试验电压值。对图 16c、 d,可取记录波形的峰值作为试验电压值。

2.2 标准雷电冲击 标准雷电冲击是指波前时间T1为 1.2μs,半峰值时间T2为 50μs的雷电冲击 全波(图 17) 。

2.3 标准雷电冲击截波 标准雷电冲击截波是指经过 2-5μs被外部间隙截断的标准雷电冲击(图 18) 。截波过零系数不大于 0.3,截断跌落时间(1.67TCD)一般不大于 0.7μs。

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2.4 标准雷电冲击电压的容许偏差 峰值:±3%; 波前时间:±30%; 半峰值时间:±20%。

3. 试验程序 雷电冲击试验有四种程序: (1) 3/0 冲击耐受电压试验程序(程序 A) 对被试设备施加 3 次额定冲击耐受电压,不允许发生破坏性放电(耐受概率 Pw=100%) 。这种方法适用于非自恢复绝缘为主的设备,如变压器、电容套管等。

(2) 3/9 冲击耐受电压试验程序(程序 B) 对被试设备施加 3 次额定冲击耐受电压, 若在非自恢复绝缘上未出现破坏性 放电,而仅在自恢复绝缘上发生 1 次破坏性放电,则再追加 9 次冲击,如不再发 生破坏性放电,则认为设备通过了试验。该程序适用于复合绝缘的设备。

(3)15/2 冲击耐受电压试验程序(程序 C) 对被试设备绝缘施加 15 次额定冲击耐受电压,如在自恢复绝缘中的破坏性 放电不超过 2 次, 而在非自恢复绝缘中出现破坏性放电, 则认为设备通过了试验。 该程序适用于复合绝缘的设备。

(4)50%破坏性放电试验 本试验是在高于额定冲击耐受电压下进行的。 对被试设备施加一定次数的冲 击电压以得到绝缘的 50%破坏性放电电压U50和变异系数(惯用偏差)z,U50应不 低于额定冲击耐受电压乘以 1/(1-1.3z) 。 对空气绝缘:z=0.03。

确定 50%放电电压值可用两种方法: (a) 多级法 至少取 4 级电压,最低一级电压下放电次数接近于零,最高一级电压的放电 次数接近于全放。每级电压施加 10 次冲击,记录其放电频次。在正态概率纸上 作出相应的回归曲线。如果这些点近似构成一条直线,则分布可认为接近高斯分 布。此直线与概率P=0.5 的交点即为 50%放电电压U50,此直线与概率P=0.16 的交 点即为U16,于是标准偏差:S=(U50-U16)/U50。
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(b)升降法 先估算出绝缘的 50%放电电压Uk,再取一电压级差ΔU=0.03Uk,试验时,先 对绝缘施加电压Uk,如果发生破坏性放电,则下次加压Uk-ΔU,若仍放电,则再 降一个ΔU, k-2ΔU。 即U 如果该电压下不发生破坏性放电, 则下次加压 k-2ΔU) (U +ΔU=Uk-ΔU。总之,如果放电了降一个ΔU,若不放电则升一个ΔU,这样施加n 次,一般n≥20 次(n取决于放电电压的分散性大小) 。于是,绝缘的 实际 50% 放电电压按下列式子计算: U50=ΣUi/n 标准偏差:S=[(Ui-U50)2/(n-1)]1/2

Ui:每一级电压值。

几种试验程序的选择性比较见图 19。

;而当 对某一绝缘,理想情况是:当实际施加电压U>Uw时试验不通过(P=0) U<Uw时试验通过(P=1) ;在U=Uw处突变。但实际绝缘不可能存在这样的特性,另 外,从试验程序来讲,一方面,施加次数不可能无限多(即使是 50%放电程序也
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是如此) ,另一方面,并不总是要求一次放电都不允许,故实际试验程序的特性 曲线是渐变的(如图所示) ,但变化的快慢有差异。前已指出,曲线愈陡,实际 上表示愈接近理想曲线,也就意味着该试验程序较合理。 由图 19 曲线可以看出,以Q=0.1 为界(相应于电压U10=Uw) ,Q<0.1 区域表示 要想提高通过试验的概率P,则应降低施加电压,当外施电压低于U0(即每次电 压下均不放电)时,P≡100%;而对Q>0.1 区域,试验电压的增高,也就是放电 概率增大,通过试验的概率P快速下降。当电压高过U100(即每次电压下均放电) 时,P≡0。 50%放电程序最接近理想曲线,其特性曲线很陡,因此,如条件许可应积极 采用 50%放电程序。另外,在该程序中,多级法和升降法比较接近,差异不大。 对判断试验是否通过来说,升降法已足够。 在计件抽样法中,15/2 程序耐压法最优,Q1=5.5%,Q2=32%均是可接受的; 而 3+9 程序中,Q1=4.6%,Q2=40%也是可接受的。关于这两种程序的选择性比较见 表 2。 对 3/0 程序,Q1太小(Q1=1.8%) ,而Q2太大(Q2=53.5) 。无论对制造者和使用 者来说,试验的有效性均不如上述 15/2 及 3+9 程序。但对Q < 0.1,则这种程序 比 15/2 和 3+9 程序都要严。 4 绝缘类型与试验方法 4.1 非自恢复绝缘 在非自恢复绝缘的情况下,破坏性放电会损坏绝缘的绝缘性能,即使没有引 起破坏性放电的试验电压也可能影响绝缘。例如,工频过电压试验和极性相反的 冲击试验可能在聚合物绝缘内引发树枝形击穿, 在液体和液体浸渍绝缘内产生气 体。由于这些原因,试验非自恢复绝缘时,在标准耐受水平下施加有限次数的试 验电压,即按上述的耐受电压程序 A,每一极性下施加 3 次冲击,如果没有发生 破坏性放电,则试验合格。 作为绝缘配合目的,对于通过此试验的设备应认为具有的设定耐受电压 等于施加的试验电压(即额定耐受电压) 。由于试验的冲击次数有限和不允许故 障发生,所以无法得出关于设备实际耐受电压的有用的统计资料。 对含有非自恢复和自恢复两种绝缘的一些设备,作为绝缘配合的目的,如果 试验时破坏性放电会对非自恢复绝缘部分产生严重的损坏(如变压器试验时,装 有较高标准冲击耐受电压的套管) ,则对这类设备,应看作为非自恢复绝缘。

4.2 自恢复绝缘 在自恢复绝缘的情况下,试验电压可能施加多次,加压次数仅受试验制约而 不受绝缘本身限制,甚至在存在击穿放电的情况下也是如此。施加多次试验电压 的优点在于,可求得绝缘耐受的统计资料。标准化了供选择的三种方法(程序B、
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C、D) ,从而可估算 90%耐受电压。作为绝缘配合的目的,以每组 7 次冲击和至 少 8 组的升降法是确定U50的优先选用的方法。 可用假定的一个惯用偏差推出U10或 用多级水平试验确定U10。

4.3 复合绝缘 对于自恢复绝缘和非自恢复绝缘不能分开试验的设备(如套管、电缆终端和 仪用互感器) ,在所用的方法中必须采取兼顾双方面的要求。这就必须不损害符 合要求的非自恢复绝缘,与此同时,还要试图保证试验适当地鉴别符合要求的和 不符合要求的自恢复绝缘。 一方面非自恢复绝缘部件要求施加有限次数的试验电 压,另一方面,自恢复绝缘需要施加多次试验电压(具有选择性) 。经验表明, 耐受试验程序 B(15 次冲击,在自恢复绝缘部件上允许不超过 2 次破坏性放电) 是可接受的折衷办法。

其选择性可表示为通过试验的概率达 5%和 95%的实际耐受水平之间的差。参 考表 8。

于是,用程序B试验的设备,在其U10时额定的和试验的边线上,可接受的通 过试验的概率为 82%。 好一点的设备所具有的耐受电压U10比标准值Uw高 0.32Z (在 其U5.5下时额定的和试验的) ,通过试验的概率为 95%。差一点的设备所具有的耐 ,通过试验的概率为 受电压U10比标准值Uw低 0.92Z(在其U36下时额定的和试验的) 5%。试验的这种选择性(1.24Z)可用Z的假定值(雷电和操作冲击分别为U50的 3%和 6%)来进一步量化(应注意Z不能由试验确定) 。

耐受程序 C 可以替代上面的程序,这是据美国实践的修改。在这个程序中, 施加 3 次冲击,若在自恢复绝缘上仅 1 次破坏性放电,则再施加 9 次冲击,如果 没有发生破坏性放电则认为满足试验要求。

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5.雷电冲击电压测量 5.1 对认可测量系统的一般要求 a)测量冲击全波峰值的总不确定度为±3%范围内; b)测量冲击截波的总不确定度取决于截断时间Tc: 当 0.5μs≤Tc < 2μs时,总不确定度为±5%范围内; 当Tc≥2μs时,总不确定度为±3%范围内。 c)测量冲击波形时间参数的总不确定度为±10%范围内。 d)测量可能叠加在冲击波上的振荡不应超过 IEC60-1 所列水平。

5.2 测量方法 5.2.1 测量球隙 这是最传统的方法,其测量不确定度可在±(3-5)%以内,详见 IEC52。

5.2.2 冲击分压器 冲击分压器有:电阻分压器,电容分压器,阻容并联分压器,阻容串联分压 器(包括高阻尼分压器和低阻尼分压器) 。 (1) 电阻分压器 测量冲击电压的电阻分压器通常是用电阻丝无感绕制,阻值一般在 10kΩ左 右。 优点:刻度因数比较准确,可作参考分压器 缺点:电压等级不可能很高,一般小于 1000kV。 西高所 300kV 标准测量系统(电阻分压器)参数: 高压臂电阻R1=6.903kΩ; 低压臂电阻R2=50Ω; 阻尼电阻Rd=200Ω; 分压器高度 H=1.1m; 阶跃响应参数: Ta=10.0ns,TN=8.37ns,Ts=72ns,T0 < 0.1ns,β=19.4%; 测量系统不确定度(朔源到 PTB300kV 标准测量系统) : 雷电全波:δu=-0.21%;δf=-0.72%; 雷电截波: Tc=1.5μs:δu=-0.57%;δf=-2.61%; Tc=1.0μs:δu=-0.71%;δf=-1.43%; Tc=1.5μs:δu=-1.07%;δf=-2.38%;

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电阻分压器在测量波长较长的冲击波时,一般只造成波形误差而无幅值误 差;而在测量波长较短的冲击波时,不仅有波形误差还有幅值误差(这些误差主 要是因对地杂散电容引起的) 。 改善电阻分压器的性能: a)加屏蔽环 补偿因对地电容而导致的电压分布不均匀程度,环直径为分压器高度 H 的 60%左右,深度可在 20%左右。 b)缩小分压器尺寸以减小对地杂散电容的影响 将高压臂电阻体浸入绝缘油中可大大缩小电阻体尺寸。 c)高压引线中串入阻尼电阻,阻尼因引线电感和杂散电容产生的振荡。 (2) 电容分压器 纯电容分压器一般只用于测量波形较缓的冲击波,对陡波冲击的测量,宁可 用电阻分压器,而不用电容分压器,因为此时响应达不到要求。但电容分压器不 消耗能量,对波长较长的冲击波,电容分压器比电阻分压器有利,而且,电容分 压器还可供调波用。 (3) 阻容并联分压器 电阻分压器由于对地杂散电容电流的影响,造成电阻上电压分布不均匀,而 且电压变化越快,分布越不均匀。如果增大分压器纵向电容,可以改善电压分布 减少测量误差。图 20 为阻容并联分压器电气原理图。

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波前部分的分压比决定于电容(C1+C2)/C1;而波尾部分的分压比将决定于 电阻(R1+R2)/R2。为使两分压比不变,应满足: C1R1=C2R2 (4) 阻容串联分压器

(a) 高阻尼电容分压器 在电容分压器外部引线中加入阻尼电阻,一般为 400--1200Ω,相应在低压 臂中加入电阻R2,使得(R1+Rd)C1=R2C2。 高阻尼电容分压器的时间常数很大(T=(R1+Rd)C1) ,如试验回路中负荷电 容很小,可能由于高阻尼电容分压器的接入而使产生标准波发生困难。所以高阻 尼电容分压器绝对不能兼作负荷电容使用, 如试品电容较小时。 可另加负荷电容。 (b) 低阻尼电容分压器 低阻尼电容分压器只是把纯电容分压器的外加阻尼电阻分散布置到高压臂 内部。由于高压引线电感和电容器内部电感,电容分压器的响应曲线是振荡的, 包括低频振荡和高频振荡。 低频振荡决定于分压器的电容 C 和分压器及引线的总 电感 L;高频振荡一部分由于引线上流动波来回反射所引起的,另一部分由于分 压器内部流动波来回反射所引起。把阻尼电阻分散布置到高压臂内,对消除低频 振荡来讲,和集中放在引线上的效果是一样的。但对消除高频振荡的效果是不一 样的,把电阻分散布置到分压器的高压臂内,可以调节分压器本身的波阻抗来和 高压引线的波阻抗相匹配,从而消除高压引线上的反射波。分布在分压器内部的 电阻对内部流动波有衰减作用,可见阻尼电阻的作用更有效了。 这种分压器的串联阻尼电阻不大, 它的接入不会使试验回路产生标准波发生 困难,它可兼作负荷电容,是一种通用分压器,可用于测量雷电冲击波、截断冲 击波、操作波和交流电压。测量陡波时,可在低压臂中加R2。且使R1C1=R2C2。

操作冲击电压试验
操作冲击波的产生原理、试验程序均与雷电冲击相似,但此时发生器的效率 远低于雷电冲击。 标准操作波的波形为: 250/2500μs, 特种操作波有: 500/2500 μs 等。

联合电压试验
联合电压试验是以两个单独电源产生的电压分别在试品(例如开关纵绝缘, 见图 21)的两端施加对地电压,在这种试验中可以是雷电冲击、操作冲击、直 流或工频交流电压中任意两个电压的联合。 试验电压以其幅值、时延Δt 以及每个分量的波形、峰值和极性表征。
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试验电压值是指试品两端最大的电位差,图 22a。 时延Δt是两个电压分量到达峰值时刻之间的时间间隔,以负峰值时刻作为 时延计时起点(图 22b) 。Δt的容许偏差为±0.05Tpmax,对于冲击,Tp为到峰值的 时间或波前时间;对交流电压,Tp为四分之一周波时间,Tpmax为两个分量的Tp中的 较大值。当Δt为零时,则认为联合电压试验的两个电压是同步的。 由于两个发生器系统之间的耦合, 联合电压试验时两个分量的波形和幅值不 同于单独使用的同一电源所产生的波形和幅值。 所以在联合电压试验时最好由两 个单独的对地的测量系统进行测量。每个测量系统应适合于测量两个分量的波 形,以免在记录它们时相互影响而出现误差。 注意,在联合电压试验时,要考虑破坏性放电发生的情况,这时如果在回路 中无附加的保护元件(例如电阻或保护间隙) ,则两个电压将直接作用。在任何 情况下当发生破坏性放电时,两个电源之间的电压分布将完全改变。

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高电压测量系统
1. 概述 按 IEC60-2,引入了认可测量系统(approved measuring system)和标准测量 系统(reference measuring system)。认可测量系统指满足 IEC60-2 中有关电压测量 要求的测量系统;而标准测量系统具有足够的准确度和稳定性的测量系统,在进 行特定波形和范围内的电压或电流同时比对时,它被用来认可其它测量系统。表 9 给出了认可测量系统和标准测量系统的差异。 2. 测量系统的试验程序和一般要求 测量系统的转换装置、传输系统、测量仪器的主要要求是在规定的工作条件 范围内应稳定,以保证测量系统的刻度因数在长时间内保持稳定。 2.1 对转换装置 (1) 刻度因数的确定 按下列方法之一确定转换装置的刻度因数: (a)同时测量转换装置的输入和输出量; (b)电桥法,即采用桥式回路使被测转换装置的输出与一个准确可调的标准 转换装置的输出相平衡,这时两者刻度因数相等。 (c) 测量高压臂和低压臂的阻抗值,通过计算求分压比。 (2) 线性度试验 在系统的被认可电压范围内的最大和最小值以及其间三个大致等分值下, 测 量转换装置的刻度因数,测得值的变化不应超过其平均值的±1%。 该试验的标准方法是与标准测量系统比对。 替代方法: (a) 已按标准方法确定了线性度的认可测量系统可用来代替标准测量系 统。 (b) 按 IEC60-2 规定的方法进行。如:对工频,变压器原副边电压比较; 对冲击,与充电电压比较等。 (3) 短期稳定性试验 对转换装置连续地施加电压(对冲击试验则以最大施加次数)持续时间相当 于预期使用时间,在施加电压前和施加电压后(10min 内)分别测量刻度因数。 测得值之差应在±1%范围内。 对直流和交流电压测量系统均应可连续使用, 冲击测量系统的最大施加次数 应为每分钟二次。 (4) 单个元件的长期稳定性 单个元件的稳定性、电压和电流效应、温度效应应由制造厂提供或由型式试 验确定,这些特性不应使转换装置的刻度因数在逐次性能试验之间的变化大于 1%。

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(5) 温度效应 根据制造厂给出的温度系数计算或在不同温度下测定, 刻度因数的变化应≤ ±1%。 (6) 邻近效应 可改变装置对一面接地墙(或一个带电物体)的距离,而其它接地墙或带电 物体的距离保持不变,测量刻度因数的变化应≤±1%。 (7) 动态特性 结合典型使用条件的测量系统进行。 (8) 测定幅—频响应 对被试系统输入一个幅值已知的正弦波信号,测量其输出。在适当频率范围 内,重复进行试验即可测量幅—频特性。 (9) 测定阶跃响应 对被试系统输入阶跃电压, 测量其输出, 有关对响应参数的要求见 IEC60-2。 (10) 耐受电压试验 转换装置应通过 110%的额定电压的干耐受试验。 3.2 测量系统的性能试验 性能试验的目的是确定测量系统的标定刻度因数,对于冲击测量系统,性能 还要证明其动态特性适合规定的要求以及其干扰水平小于规定极限。 (1) 确定测量系统标定刻度因数 (a) 标准方法---比对试验 在最大工作电压下与标准测量系统比对, 由于最高电压的标准测量系统难以 获得, 因而可在低的电压, 20%最高工作电压下进行比对, 如 对于峰值超过 1MV 的雷电冲击,可在 200kV 下进行比对(回路布置见图 23)

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试验时要同时读取两个系统的读数。 由标准测量系统得到的读数通过计算得 到输入量,再除以被试测量系统的仪器读数就得到了系统的标定刻度因数F值。 试验要重复n次(n≥10) ,可得到n个独立的读数Fi,取平均值Fm作为系统的标定 刻度因数。 (b) 替代方法---组件校准 标定刻度因数可以用测量系统的装换装置、传输系统、测量仪器的刻度因数 的乘积来确定。 (2) 动态特性试验(冲击测量系统) (a) 标准方法---与标准测量系统比对 利用比对试验所得的相同记录并评估每个系统所测得的有关冲击的各时间 参数,被试系统应满足以下条件: --两个系统测得的每一时间参数的差值应由标准测量系统测得的相应值的 ±10%的范围内;
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--对于每一时间参数, 被试系统与标准系统相应读数之比值的试验标准偏差 应小于其平均值的 5%。 (b) 替代方法:阶跃响应测量 (3) 干扰试验 试验在测量系统上进行,试验时电缆或传输系统输入端短接,电缆或传输系 统的接地线不变。应施加一个典型的冲击波形使测量系统的输入发生破坏性放 电,试验应在最高电压下进行。 测到的干扰幅值应小于 1%的测量系统测此电压时的输出(但大于 1%也是 允许的,应证明它对测量无影响) 。 各测量系统性能试验一览表见表 10。

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认证实验室的分类

1.认证的校准实验室 具备了对其它实验室的标准测量系统和认可的测量系统进行校准所必要的 标准测量系统和专业人员的实验室。 2.认证的测试实验室 认证系统要求的校准实验室使用的测量装置都应经过可朔源到国家测量标 准的标准,并应满足标准要求。
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开关设备的高电压试验技术
1.概述 1.1 试验类型 按 IEC694,开关设备的绝缘试验有: --工频耐受电压试验; --雷电冲击耐受电压试验; --操作冲击耐受电压试验; --局部放电试验; --无线电干扰试验。 对户外设备还应进行湿试验和污秽试验。 1.2 试验的总体要求 (1) 大气校正因数 对外绝缘应使用校正因数Kt; 仅在干试验时考虑湿度校正因数K2; 对Um小于 52kV,可假定:m=1,w=0,即K2=1。 一般开关设备为复合绝缘(即内绝缘和外绝缘并联) ,此时要考虑: --当 0.95≤Kt≤1.05 时,可正常使用Kt,然而,为了避免内绝缘受到过度的 作用,如果已经证实外绝缘的性能良好,则可不使用Kt。 --当Kt<0.95 时,为了对内绝缘进行试验,可能要求对外绝缘采取措施,如 浸入油中或放在绝缘气体中。 --当Kt>1.05 时,为了不让内绝缘损坏,可用外绝缘的模型来替代设备,单 独对外绝缘试验,而内绝缘仅承受额定耐受电压值即可,另外若认为外绝缘尺寸 足够(见IEC71-2) ,则也可免试。 对于仅有内绝缘(或以内绝缘为主)的设备,可不使用Kt。 对联合电压试验,应以总电压来计算特征参数 g。 1.3 绝缘试验时开关设备的状况 绝缘试验应在和运行时一样装配齐全的开关设备上进行,绝缘件表面清洁, 试验时应按制造厂规定的最小间隙和高度安装。 如果设备在运行时带有支架,则试验时也应在支架上进行。 人工污秽和无线电干扰试验可在单极上进行,对三相开关,若极间距离大于 IEC71-2 中相应电压下的值(表 17、18、19) ,则绝缘试验也可在单极上进行。 当制造厂说明在运行中需要使用绝缘隔板或绝缘套之类的附加绝缘时, 试验 时应装上这类绝缘。

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对使用压缩气体(SF6)为绝缘的开关,绝缘试验应在制造厂规定的最小密 度压力进行,试验报告中应注明试验期间的温度和压力。 对真空开关,应采取预防措施,保证可能的 X 射线处于安全限值内。

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2 耐受试验程序和判据 2.1 短时工频耐受电压试验(1min) 如果没有发生破坏性放电,则认为试验通过。 在湿试验时,如果在自恢复绝缘上发生了破坏性放电,则在同样的条件下重 作此试验,如果不再发生破坏性放电,则试验也算通过。 2.2 冲击电压(雷电、操作)耐受试验 15/2 程序为优选程序。 3+9 程序作为替代程序。 如果已证明,某一极性时的试验可给出最不利的结果,则允许只在该极性下 进行。如:SF6绝缘、油纸绝缘负极性比正极性要严;空气绝缘则正极性较严。 应当注意,有些绝缘材料在冲击试验后仍保持电荷,因此,在变换极性时可 先加 3 次 80%试验电压的反极性冲击电压。 对一些大型开关(如 500kV GIS,包括套管、断路器、隔离开关和母线间隔 等) ,对前面的一些部件可能因后面部件试验要承受很多次的试验,要考虑到随 着电压施加次数的增加造成放电概率的累积, 因此推荐从第一个连接部件开始按 次序对部件进行试验,当按有关试验程序判据该部件已通过试验时,即使在以后 其它部件试验时发生破坏性放电,也不影响该部件的合格性,但会造成时间浪费 和拆装工作量,故可对已通过试验的部件增加气体压力,保证它对后面部件试验 不产生影响。 3 试验电压的施加和试验条件 一般情况下,三极开关电压的施加见表 11。

当纵绝缘的试验电压高于相对地的耐受电压值时,两种方法: (1) 优先采用联合电压试验
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纵绝缘的工频试验条件见表 12。

冲击电压时,在一个端子上施加相对地额定冲击耐受电压,补充电压由另外 的反极性电源提供,施加到对面的端子上,该补充电压可以是冲击电压也可以是 工频电压。若为工频电压则: 对LI:=0.7Ur√2/√3; 对SI:= Ur√2/√3。 由于两个电压回路间的电容耦合,冲击电压会影响工频电压的波形。为了计 及这一影响,应该满足以下试验要求:在工频电压波上的电压降应该限制到这样 的数值, 使得在冲击电压峰值瞬间测得的对地实际试验电压不低于补充电压规定 值的 95%,为此,可以提高工频电压的幅值,但对LI,不得高于Ur√2/√3;对 SI,不得高于 1.2 Ur√2/√3。纵绝缘冲击电压试验情况如表 13。

(2) 替代方法 --总试验电压Ut施加在一个端子和地之间;对面的端子接地; --当在开关支撑绝缘两端的合成电压超过额定相对地耐受电压Uw时,可将底 架对地绝缘起来。底架对地电压为Uf,但Ut-Uf应在Uw的 90%-100%之间。 4 绝缘水平 开关设备的试验电压见表 14 和表 15。

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人工污秽试验 当爬电距离满足有关要求时,可不做。 5 局部放电试验 局部放电的测量见 IEC 270。 对 GIS 局部放电试验程序概述如下: 将施加的工频电压升高到预加电压Up,并至少维持 10s,然后降低到测量局 部放电强度的电压值Ud。 1)单相外壳设备,用于中性点直接接地系统 Up=Ur Ud=1.1Ur/3 2)三相共外壳的设备,用于中性点直接接地系统 试验可采用三相或单相试验回路: 三相试验回路: 外壳连接到电源的中性点。 相间测得的试验电压: Up=1.3Ur Ud=1.1Ur 单相试验回路: a)经制造厂同意,每相主回路导体应轮流接到电压源,其余相的导体连同 外壳在一起接地。 Up=1.3Ur Ud=1.1Ur b)采用共有一个接地端的两个电源进行试验 主电源连接到一相导体,辅助电源接到另一相导体,其电压值的选择应使这 两相的相间电压等于主电源电压的√3 倍。第三相导体接到外壳。主电源应轮流
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接到每一相。 两带电相间测得的试验电压为: Up=1.3Ur Ud=1.1Ur 3)单相外壳的设备,用于中性点非直接接地系统 Up=1.3Ur Ud=1.1Ur 以及 Ud=1.1Ur/√3 4)三相共外壳的设备,用于中性点非直接接地系统 试验可采用三相或单相试验回路。 三相试验回路:相间测量试验电压,将外壳和电源的中性点接地;然后再将 每一相导体和外壳轮流接地。对每一情况:Up=1.3Ur Ud=1.1Ur。 单相试验回路:每相导体轮流接入电源,其余相导体和外壳一起接地。 Up=1.3Ur Ud=1.1Ur 然后 Ud=1.1Ur /√3 注:如有可能,要考虑实际的背景噪音水平,并记录局部放电起始电压和熄 灭电压,作为附加资料。 作为状态检查的电压试验 如果在关合、开断或机械/电气耐受试验后,开关装置断口间的绝缘性能不 能充分可靠地用目测检查来核实,那么,对开关断口做工频电压干试验可能是合 适的。 额定电压 252kV 及以下设备: 对隔离开关和负荷-隔离开关为表 14 栏 3 值的 80%; 对其它设备为栏 2 值的 80%。 额定电压 252kV 以上的设备: 对隔离开关和负荷-隔离开关为表 15 栏 3 值的 100%; 对其它设备为表 15 栏 3 值的 80%。 注: 1)降低电压出于两方面的原因,一是考虑到老化、损耗和其它的正常劣化, 额定试验电压留有安全裕度;二是由于闪络电压的统计特性。 2)对某些类型的封闭开关装置,可能需要做对地绝缘的状态检查,这时, 应当分别以表 14 和表 15 栏 2 值的 80%做工频电压试验。 6 无线电干扰试验 这项试验仅适用于额定电压 126kV 及以上的开关设备和控制设备,且当有 关标准有此规定时才进行。试验电压施加方式如下: 1)在合闸位置端子与接地架之间; 2)在分闸位置,一个端子与和接地架相连的其它端子之间,如果开关装置 不是对称的,要把连接倒换后再试。 箱壳、罐体、底架和其它正常接地的零部件应该接地。 测 量 回 路 的 频 率 最 好 应 该 调 谐 到 0.5MHz ± 10% 的 范 围 内 , 也 可 以 用 0.5-2MHz 范围内的其它频率。 试验回路的背景水平应比给被试开关规定的无线电干扰电平至少低 6dB, 最 好低 10dB。 7 试验程序:
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在开关设备上施加 1.1Ur /√3 的电压,至少维持 5min,Ur是开关设备的额定 电压。随后应该把电压逐级下降至 0.3Ur /√3,再逐级上升至初始值,最后逐级 下降至 0.3Ur /√3。在每级电压上,应该进行无线电干扰的测量,并应该画出最 后一个电压下降过程中记录的无线电干扰电平对外施电压的曲线; 这样得出的曲 线就是开关设备的无线电干扰特性。电压级差约为 0.1Ur /√3。 如果在 1.1Ur /3 下无线电干扰电平不超过 2500μV,则设备通过了试验。

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局部放电测量
1.试验回路和测量系统 1.1 试验回路

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图 24 到图 27 为一些常见的局部放电检测回路。其测量原理为:利用局部放 电电流脉冲在耦合装置Zm(或称检测阻抗)上产生电压信号来测量,通过校准可 以对定量测量,如,视在放电量。这些回路的组成主要有: ·试品。通常看作为一个电容Ca; ·耦合电容器Ck或第二个试品Ca1,Ck应为低电感设计电容,Ca1则类似于试品 Ca。在规定的试验电压下Ck或Ca1均应具有足够低的局部放电水平,以便允许对规 定的局放值进行测量; ·输入阻抗Zm; ·背景噪音足够低的高压电源; ·背景噪音足够低的高压连接线; ·有时在高压端接入一个阻抗或者滤波器,以减小来自供电电源的干扰。

1.2 视在电荷的测量系统 1.2.1 视在电荷 局放的视在电荷是单极性电荷,它等于在规定的试验回路中,如果在非常短 的时间内对试品两端注入使测量仪器上所得读数与局放电流脉冲本身相同得电 荷。

1.2.2 测量系统组成 局部放电测量系统可由耦合装置、传输系统(例如连接电缆和光连接)和测 量仪器组成。

(1)耦合装置 耦合装置是测量系统和试验回路的一个主要部分,其元件是针对特定的试验 回路为达到最高的灵敏度而专门设计的。 耦合装置通常是一个有源或无源四端口网络(R,RC,L,LC) ,它把输入电 流转换成输出电压信号。

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(2)局放仪器 (a)宽带局部放电测量仪 这种仪器与耦合装置联合组成一宽带局部放电测量系统,它用具有固定上下 限频率值f2和f1的传输阻抗Z(f)表征,在低于f1和高于f2时衰减很快,f1、f2和 Δf的推荐值为: 30kHz≤f1≤100kHz; (b)窄带局部放电测量仪 这类仪器的特点是频带Δf很小和带中心频率fm可以在很宽频率范围内变化, 此频率变化范围中局部放电电流脉冲的幅值频谱接近不变。Δf和fm的推荐值为 9kHz≤Δf≤30kHz 50kHz≤fm≤1MHz f2≤500kHz; 100kHz≤Δf≤400kHz。

传输阻抗Z(f)的带通特性总的选择性fm±Δf定在 20dB。 (c)数字化局部放电测量仪 对数字化局放仪最基本的要求是:显示最大重复发生的局部放电值。有时, 数字化局放仪还要记录和计算下列一个或几个参量。 ·瞬时ti内发生的视在电荷qi; ·在离散的视在电荷qi发生的瞬时ti内测量的试验电压瞬时值Ui。 ·局部放电脉冲发生的相位角Φi。

2.完整试验回路中的测量系统的校准 校准的目的是为了验证测量系统能够正确地测量规定的局部放电值。 完整试验回路中测量系统地校准是用来确定视在电荷测量的刻度因数K,因 为试品电容Ca会影响回路的特性,因此要对每一个新试品的电容值分别进行校 准,除非试验用到的一系列试品的电容值都在平均值的±10%以内时。 一个完整试验回路中的测量系统的校准是在试品的两端注入已知放电量q0的 短延迟电流脉冲,如图 27 所示。 2.1 校准程序 用作视在电荷qi测量的测量系统的校准,如图 27 所示。用校准器通过对试品 两端注入电流脉冲。 校准宜在期望值的适当范围内某一个电荷值下进行的以保证 对规定局放值测量的准确度。

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由于校准器电容C0通常为一低压电容器,因此,完整试验布置的校准是在试 品不带电时进行的。而为了使校准可靠,校准电容C0应不大于 0.1Ca,如果校准 器满足要求,则校准脉冲就等效于放电量q0=U0 C0的单个放电脉冲。 试验时,仅将校准器C0移开。回路其它布置不变。对几米高的大试品时,注 入电容C0应靠近试品的高压端。因为杂散电容Cs会导致不可接受的误差。

2.2 校准器 电流脉冲一般由校准器产生,该校准器能产生幅值为U0的阶跃电压,与一电 容C0串联的阶跃电压发生器提供,因此一个校准脉冲等效于一单个局部放电脉冲 的幅值: q0= U0 C0 发生器的电压脉冲的上升时间tr应小于 60ns。

3.试验 3.1 一般要求 局部放电试验中,为了使试验结果可以重复,对所有有关的因数均需仔细加 以控制。测量系统的校正应在试验前进行。

3.2 试品的条件 若无另外规定,应满足以下条件: a)试品外绝缘的表面必须是清洁和干燥的; b)试品试验时应处于环境温度。 在试验之前刚刚受到过机械的、热的和电气的作用会影响局部放电的试验结 果。为了保证好的可重复性,在受作用之后至做局部放电试验之间可能需要停顿 一段时间。 3.3 试验程序的选择 用于特殊试验和试品的程序由有关技术委员会负责规定。应包括预处理过 程、试验电压水平及电压频率、施加电压的上升和下降速率、施加电压的次序和 施加时间的长短以及用局部放电测量试验和其它绝缘试验的关系等。

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3.3.1 局部放电起始和熄灭电压的确定 将一明显低于起始电压期望值的电压加在试品上,逐步增加电压直到放电发 生,或超过局部放电参量规定的低值。处于这一规定值时的试验电压就是局部放 电起始电压Ui。然后将试验电压升至规定的电压,之后再将电压电压降至放电小 于同一规定值时的电压值。 在这一放电限值处的试验电压就是局部放电放电熄灭 电压Ue。要注意,Ui的值可能要受电压上升速度的影响,而Ue 可能会受施加电压 的幅度、持续时间和电压下降速度的影响。
注:某些绝缘在电压第一次升至Ui时只会间歇地放生局部放电;还有一些情况下当Ui从 开始到维持一段时间的同时,放电量会从迅速上升到消失。因此,有关技术委员会应该规定 合适的试验程序。

然而,无论如何试验电压不可超过受试设备所允许施加的额定耐受电压。
注:对于某些高压电器,重复施加接近额定耐受电压时,其有被破坏的危险。

3.3.2 在规定的试验电压下确定局部放电值 1)不预加电压时的测量 从某一低值逐步将电压增加到规定值并保持规定时间。 因为放电值可能随时 间变化,应在规定时间的末尾测量局部放电值。 方便时,也可以在电压正在增加或减小的整个试验中对放电值进行测量或采 样。 2)有预加电压时的测量 将试验电压从低于规定局部放电试验电压的某一值增加到某一超过规定试 验电压的电压规定值。然后将电压保持规定时间,此后逐步降低到局部放电试验 电压。 在这一电压水平下,将电压时间保持规定时间,在这一时间的末尾,按给定 的时间间隔测量局部放电值。 4 测量不确定度及灵敏度 局放脉冲的幅值、 持续时间及脉冲重复率极大程度上受到电压施加时间的影 响。 同时, 比起高压试验中其它测量来说, 局放参量的测量具有较大的不确定度。 因此,很难用重复试验来验证局放试验数据。
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满足 IEC270 要求并按该标准进行校正的测量系统的不确定度可认为为 10% 或±1pC。注意,外界干扰或回路背景噪音会对测量灵敏度和准确度产生影响。

最小局放量的另一限制因素与电容比值Ca/Ck、耦合装置的最佳输入阻抗及 其与所使用的仪器的匹配情况有关。当Ck>>Ca时可以达到最高灵敏度,但因为高 压源的附加负载,这种条件很难满足。

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干扰 测量受到的干扰宜低到满足被检测的局放量的足够的灵敏度和精确度。 由于

干扰可能与局放脉冲相似并且它们往往重叠, 背景噪音水平应低于规定允许局放 幅值的 50%。 已知道明显是由外部干扰引起的高的读数可以忽略。 如果局放信号与干扰同时出现,或被控制在圆周部分之外,则用时间窗控制 信号、极性辨别或类似的方法会造成实际局放信号的遗漏。因此,在交流电压系 统中,用控制方法遮去的信号应不超过电压周期的 2%;直流电压系统中不应超 过累积试验时间 2%。然而,若每个周期内出现几个与电源同步的干扰源时,开 窗控制间隔可增加到试验电压周期的 10%, 因此应在试验电压施加之前提前设置 信号控制且试验中设置不应变动。

气体绝缘开关设备中局部放电的检测技术
1 概 述

气体绝缘开关设备(GIS)局部放电(局放)的在线监测是 GIS 绝缘诊断技 术的重要组成部分,已日益受到制造厂和用户所重视,并将此作为判断 GIS 绝缘 长期可靠性的一种有效手段。由此产生的 GIS 检测技术也迅速发展起来,可分为 电测法和非电测法两大类。电测法包括传统的耦合电容法、高频法、超高频法; 非电测法主要包括声测法、光电法和化学方法等。不论用何种方法,其关键是灵 敏度,即能可靠地将缺陷检测出来,并判断出缺陷的位置。
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2 GIS 中局部放电检测技术 2.1 电测法 电测法根据测量频率可分为三种,即传统的电测法、高频法和超高频法;

2.1.1 传统的电测法 这是 IEC60270 标准推荐的方法,也称耦合电容法,是测量局部放电的最常 用方法,测量频率在 10MHz 以内。这种方法的优点是可通过校准对局部放电进行 定量测量,灵敏度取决于耦合电容与试品等值电容的比值,一般可优于 2pC。但 这种方法要求试验回路中的所有组件包括高压引线均不能产生高于试品本身局 放水平的干扰。

2.1.2 高频法 高频法(<100MHz)是将许多传感器分布在整个 GIS 中,根据频谱分析仪接 受到的最大信号来确定某一缺陷的最大灵敏度。 传感器可以是嵌在绝缘子中的电 极或安装在绝缘法兰上;GIS 通常采用多点接地使得局放的电气检测可在接地回 路中进行,例如采用高灵敏度的脉冲电流互感器,其原理就象罗果夫斯基 (Rogowski)线圈。检测频率可达几十兆赫兹。这种方法的现场检测灵敏度可达 100pC,主要在日本使用[2]。

2.1.3 超高频法(UHF) UHF法是利用预先装设的天线传感器测量由局放脉冲激发的、 在GIS中传播的 超高频电磁波来评价局放的。 这种方法的理论基础是局部放电脉冲激发的超高 频电磁波在同轴波导中传播时,不仅以横向电磁波(TEM)形式,而且还会建立 横电波(TE)和横磁波(TM) 。TEM波为非色散波,它可以任何频率在GIS中传播, 但频率f>100MHz时沿传播方向衰减很快; 而TE和TM波则不同, 它们具有各自的下 一般为 250MHz~300MHz) 当电磁波频率f>fc , 限截止频率f(取决于GIS同轴尺寸, c 时,电磁波基本上无衰减地传播。UHF法的主要优点: a)抗干扰能力强。由于一般空气电晕干扰的频率较低(<100MHz) ,故远低

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于 fc,因此这种干扰已不在 UHF 法的测量范围内了。 b)可以对局部放电源进行定位。合理布置 UHF 传感器,可通过电磁波到达 不同传感器的时差来对局放源进行定位,且具有相当高的定位精度。 c)根据所测电磁波信号频谱,可以区分不同的缺陷类型。 d) 可以进行长期现场监测。 GIS 出厂时就将传感器安装好, 在 由此可对 GIS 进行长期局部放电监测。 e)灵敏度可以满足工程要求。在实验室中灵敏度可达 1pC。

超高频法分为宽频法和窄频法。宽频法加一前置高通滤波器;窄频法利用频 谱分析仪对所要研究的频段进行筛选。它们分别适用于不同的干扰源。如对空气 电晕产生的频率较低的电磁干扰只需加一 500MHz 的高通滤波器,用宽频法即可 完全消除干扰;对 UHF 通讯、电视信号由于其具有中心频率可用窄频法对其与局 部放电信号加以比较后而识别(如图 28) 。

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UHF法的关键技术是传感器、灵敏度。图 29 给出了GIS内部常用的锥形天线 传感器结构。它以圆板电极作为接收电磁波的天线,信号由阻抗与测量电缆波阻 抗相等的锥体引出。这种传感器由安装法兰直接安装在GIS上,故其内介质也为 SF6。

2.2 非电测法 非电测法可分为声测法、光电法和化学方法等。

2.2.1 声测法 GIS 中局部放电声测法是基于被检测缺陷在放电时所激发的超声信号,它是 GIS 中最早采用的绝缘诊断技术之一。这些信号可用安装在 GIS 外面的传感器来 检测。由于这种方法对 GIS 内部没有影响,因此可对任何 GIS 在运行或试验时进 行检测。 测量声信号的传感器主要有加速度和声发射两种。当采用加速度传感器时, 用高通滤波器以消除较低频率的背景干扰;声发射传感器,其原理是利用谐振方 式,因此比较灵敏,其频率特性中已包含了高通特性。 声测法的灵敏度不仅取决于局放产生的能量, 而且更主要取决于信号的传播 路径,声信号在 GIS 中的传播相当复杂,气体、绝缘子、外壳、导体及其它部件 对声信号的传播特性各不相同。

2.2.2 光电法

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从原理上讲,局部放电时产生光子发射,因此可用安装在GIS中的光电传感 器如光电二极管或光电倍增管进行光测量来评价局部放电的强弱。由于SF6气体 的光吸收能力随着气体密度的增大而提高以及局放本身比较弱, 因此这种方法的 灵敏度很低;另外,对实际GIS因有许多气室所以需要大量传感器,故这种方法 对局放监测不实用。但它可用来检测放电的位置,因为放电火花伴随着强烈的光 辐射。这种光电检测系统的优点是不存在抗电磁干扰问题。

2.2.3 化学方法 在电弧和放电的作用下,SF6气体会产生分解物。放电初期,分解物为金属氟 化物粉末、SF4及低氟化硫。SF4及低氟化硫极易与氧发生反应在极短时间内形成 氟氧硫化物, 最稳定的是SOF2和SO2F2。 当放电发生在环氧材料附近时还会产生CF4。 气相色谱法(GC)可对GIS中分解物的特性进行分析。由于SOF2和SO2F2很稳 定, 可用容器将气体样本带到实验室进行分析; 在现场也可用便携式气相色谱仪。 最大灵敏度可达几个 ppm。 最常用也是最经济的分解物检测技术是采用化学检测管 (CDT) 来确定SO2和 HF的浓度。

3 各种检测技术的比较 3.1 灵敏度 灵敏度是 GIS 局放检测中最重要的参数。不同的检测方法对不同缺陷类 型具有不同的灵敏度。

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图 30 为对高压导体上固定突出物(直径 1mm;长 l=10mm;半径 r=50μm)产 生的局放测量灵敏度比较结果,纵坐标表示为信噪比。

3.2 放电模式识别 根据检测到的信号的某些特性可对产生局放的缺陷进行识别。 在声测法中主要使用两个参数。第一,由于不同局放激发机理和信号在其传 播路径中媒质吸收情况不同,因此不同的缺陷测到的信号的频率分量不同,微粒 和接地侧电晕产生的信号比高压侧电晕信号的频谱要宽。第二,由于 GIS 对传播 信号的影响,根据测到的信号的形状可以得到缺陷类型的一些信息。图 31 为自 由微粒放电产生的声信号。 超高频法主要根据所测到的频谱和脉冲出现在工频波形上的位置来判断不 同缺陷类型。图 32 为导电微粒放电信号的频谱。

3.3 局放定位 超高频法和声测法的定位原理类似,也是目前 GIS 中最实用的技术,它们都 是基于信号脉冲的传播特性。对 UHF 法,只要知道电磁波在 GIS 中的传播速度, 而对声测法,在测量前进行传播特性校验,则很容易求出局放源的位置。图 33 为 UHF 法测到的电磁波信号,时延为 10.6ns,计算得距离为 3.18m,与实际距离 3.15m 误差仅 3cm;声测法的检测范围为 1~2 个气室,主要取决于外壳法兰的个

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数。单个法兰对声信号的衰减为 8dB,定位精度对接地侧放电可达 10cm 左右;高 压侧电晕时,这种定位方法对声测法不适用。

传统的电测法无法对 GIS 局放源进行定位; 化学方法只能根据测量结果

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判断出所测气室的情况,其检测范围和精度也只是局限于该气室中。

3.5 各种检测方法的适用性 理论上,除了化学方法外其它各种方法均可用来作为GIS长期监测。化学方 法只能适用于GIS运行一段时间后的局放检测,因为SF6分解物的产生需较长时间 才能达到可检测的灵敏度。 传统的电测法主要适用于实验室测量。其优点是检测范围大,一般一相只需 进行一次测量即可。由于无线电干扰及外部电晕,要求对试验回路采取必要的屏 蔽措施。在现场基本上不采用此法。 超高频法,由于抗干扰能力强、能识别缺陷类型,而且定位精度也较高,现 场经验表明,这种方法具有良好的应用前景。在新修订的 IEC60270“局部放电测 量”标准中,已推荐这种方法专门用于像 GIS 这类具有分布参数的设备。 声测法的优点是可在 GIS 外部进行测量,适用于委托试验和周期性的运行试 验之局放检测。对长期监测不实用,这主要是由于其检测范围有限要求有大量传 感器,测量比较费时。 化学方法只适用于运行过程中的定期检测, 但它可帮助确定委托试验中闪络 放电发生的位置。

绝缘介质的介质损耗和电容量测量
1.绝缘物的介质损耗 实际使用的绝缘物都是非理想的电介质,由于介质的电导,极性介质中偶极 子转动时的摩擦以及包含在介质中空气隙的放电, 处在高电压下的介质是有损耗 的,这种损耗会加速绝缘老化,诱发绝缘故障。因此,介质损耗是绝缘材料和绝 缘设备的重要性能指标。 绝缘材料通常可用串联或并联的电阻电容等值回路来表示(图 34) 。 对串联回路:tgδ=ωRsCs 对并联回路:tgδ=1/ωRpCp。

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一种介质或一个设备,两种等值回路的电阻值和电容值是不同的,对一种性 能良好的介质来说,Rp很大,Rs应很小,tgδ也应很小,Cp与Cs差别不大。另外要 注意tgδ是与外施电压的频率有关的。

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2 西林电桥

西林电桥是测量介质损耗和电容量的最常用方法。电桥的原理见图 35。桥 第一臂由待测介质损耗和电容量的试品Cx组成;第二臂为一“无损耗”的标准电 容CN,两个低压臂处在桥体内,一个是可调电阻R3,另一个是R4和可调电容C4的并 联回路。 电桥的平衡是靠调节R3和C4来获得的。电桥平衡时,B、C两点电位相等,检 流计指零,可以导出: tgδ=ωR4C4 Cx=(R4/R3)CN 对试品电容量较大, 电流较大时, 可在R3上并分流电阻以扩大电桥测量范围。 根据试品接地方式的不同,有两种常见的电桥接线方式:图 35a 为正接法; 图 35b 为反接法。在反接法时,因为试品接地,电桥处在高电位,要注意安全, 使用绝缘手柄或绝缘台。
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3 用西林电桥测 tgδ时应注意的问题 3.1 杂散电容和电桥屏蔽 电桥的高低压臂之间以及它们和地之间是存在杂散电容的, 这些电容虽然很 小,但在交流电压下,尤其是在高电压及高频下,流过这些电容的电流会影响电 桥的平衡,通常用屏蔽的方法来消除杂散电容的影响。 把电桥本体放在一金属箱内,连线采用金属屏蔽线,屏蔽层连在一起,正接 法时屏蔽接地,反接法时接高压。 一般,电桥出厂时均已考虑了屏蔽措施。 3.2 高压引线的影响 高压引线的夹角和导线的粗细对测得的tgδ影响很大,图 36 为高压电容套 管tgδ测量接线示意图,除本身电容外,高压引线对地,套管对地都存在电容, 而引线对套管本身也存在电容C1。C1的大小与夹角a有关。C1的存在对Cx有影响, 当高压引线很细时,在某一电压下产生电晕,从C1注入套管后,Ic1电流要经过桥 体,要求导线粗,在测量电压下不起晕,夹角大于 90°。

2.3 环境温度的影响 不同温度下,tgδ测量值不同,表 16 给出了油纸绝缘介损与温度的变化关 系。应对实际温度下测得的 tgδ进行校正。

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无线电干扰水平测量
1 无线电干扰的产生 高压电器如在运行中存在较严重的电晕或存在某个小间隙放电时, 它就是一 台干扰发射机, 把架空线路作为天线, 沿线路向两侧发射。 这些干扰会影响广播、 电视和通讯。为此,必须对电器产生的干扰值进行必要的限制。 2 无线电干扰水平的测量 2.1 试验条件 试验通常应在足够大的屏蔽实验室内进行, 以防止邻近物体对试品电场有明 显的影响和避免测试受外部噪音的影响。 试验也允许在任何地方进行, 但应保证未施加试验电压时的试验回路背景噪 音电平至少比试品干扰电平低 10dB。 试品的布置应尽可能符合运行时的实际条件。 试品应带有对测试有影响的全 部部件。 基准测试频率为 0.5MHz,推荐在 0.5MHz±10%范围内进行,也允许采用
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0.5-2 MHz 之间的某一频率下测试。 2.2 测试原理 图 37 为无线电干扰测试原理。 试品Cx所产生的无线电干扰电流IR通过Z2和R构成回路。阻塞阻抗Z1用于阻 止试验电压端和试品Cx之间的射频电流流通。理想状态下,Z1在测试频率时,阻 抗为无穷大,Z2阻抗为零。 检测阻抗 R 等于试品运行时的无线电干扰的负载阻抗。即架空线的波阻抗。 R 规定为 300Ω。

2.3 测试回路 根据测试原理图,标准测试回路采用图 38 所示接线方式。也允许采用经过
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校正的稍有改变的其它等效回路。 高压试验变压器 B 提供交流试验电压。 阻塞阻抗L1C1, 在测试频率上呈高阻抗, 300Ω负载至少能提供 35dB的衰 对 减。 测试回路布置,应使阻塞阻抗尽可能接近测试回路的高频部分。 耦合串联谐振回路L2C2,电容C2应能耐受试品最大交流试验电压,并且自身 不产生无线电干扰。也可以采用耦合电容C3代替耦合串联谐振回路。无论哪种情 况,都应保证L2C2(或C3)与 300Ω串联后,在测试频率上合成阻抗值为 300±40 Ω,相角不超过 200。 匹配电阻R1,为了清除测量回路内的射频信号反射,R1的阻值应等于测量电 缆波阻抗和测量仪器的输入阻抗Rm。 串联电阻R2,应满足试品Cx的无线电干扰负载阻抗为 300Ω的要求,R2=300 Ω--0.5R1。 电感L3对工频电流提供一个低阻抗的通路。为减小测量误差,在测试频率上 L3的电感值不应小于 1mH。 G 为过电压保护放电管。 M 为无线电干扰电压测量仪。 3 测试回路背景噪音 测试回路背景噪音应保证在交流试验电压下, 至少比试品的最低干扰电平低 6dB。 测试回路衰减系数的测定 当测试回路布置之后, 进行首次测试或更换不同类型不同等值电容的试品之 前,都应测定测试回路的衰减系数,以 dB 表示。 切断高压试验变压器的电源,将内阻大于 20kΩ的高频信号发生器并联到试 品两端,高频信号发生器在测试频率上送出 1V的信号。记下仪器的读数B1。 4

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按图 39 接线,保持高频信号发生器输出电平不变,记下仪器读数B2。 两次仪器读数之差即为回路衰减系数Bc,即Bc=B2-B1。 允许用其它测试方法测定回路衰减系数。 电阻网络衰减系数 测量结果是以试品在 300Ω负载上的干扰电平来表示的。电阻网络衰减系数 BR可由下式求出: BR=20lg(300/R1/2) 5 6 无线电干扰电平测量结果 试品的无线电干扰电平B为仪器读数Bm、 回路衰减系数Bc及电阻网络衰减系数 BR之和。

西高所高电压试验室简介

1. 高压大厅 尺寸:72m×36m×30m(长×宽×高) 设备: 2250kVA/2250kV(750kV×3)工频试验变压器; 1200kV 标准电容器(Tettex)61.94pF; 4800kV/480kJ 冲击电压发生器; 4800kV(LI)/2300kV(SI)低阻尼分压器。 测量仪器: 51 型工频峰值表; TYPE561 局部放电仪; 64M 冲击峰值表; TDS360 数字示波器。 2. 高压小厅 I 尺寸:30m×24m×17m(长×宽×高) 。 设备: 1000kVA/1000kV(500kV×2)工频试验变压器 2500kV 冲击电压发生器。 3. 高压小厅 II 尺寸:30m×24m×17m(长×宽×高) 。 设备: 500kVA/500kV 工频试验变压器; 600kVA/150kV 工频试验变压器。 3000kV 冲击电压发生器。 φ8m×8m(高)人工气候试验室; 低温试验室; 污秽试验室。
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高电压试验技术和绝缘配合

4. 直流试验厅 尺寸:30m×24m×17m(长×宽×高) 。 设备:1500kV/100mA 直流电压发生器。 5. 保护电器试验厅 尺寸:30m×24m×17m(长×宽×高) 。 设备:250kA/200kV 冲击电流发生器; 500kV 冲击电压发生器; 150kV 工频试验变压器。

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中压气体绝缘金属封闭开关设备的 设 计
王 平

西安高压电器研究所

2006 年高压开关技术信息培训讲义(四)

中压气体绝缘金属封闭开关设备的设计

随着我国电力事业的不断发展,尤其是我国城乡电网改造对电器产品的品种、性能、 合理配置等提出了更高的要求。产品的性能和质量取决于设计和制造。现代新产品的设计 充分利用先进的分析、计算、设计手段更多地融合现代科技发展的最新研究成果和试验成 果,产品制造是通过现代制造装备、制造工艺来实现设计目标。中压气体绝缘金属封闭开 关设备是体现了新的设计理念、新的制造工艺的一类产品,主要包括二大类, C-GIS 和气 体绝缘二次配电开关设备,与常规开关柜有许多不同之处,发展的时间有限,需要进一步 去探索设计、制造、检验、生产管理等诸多方面,增加产品品种、提高产品质量、降低成 本。 1. 中压气体绝缘金属封闭开关设备的主要技术基础 中压气体绝缘金属封闭开关设备的基本原理是利用低压力的气体介质、固体绝缘材料 以及特定的绝缘结构将高压导体或高压元件密封或金属封闭,达到耐受额定绝缘水平的要 求;利用连接导体、开关元件、电缆承载电流;利用真空开断技术对线路的负荷电流、过 载电流、短路电流进行控制、开断和对线路、设备进行保护;利用负荷开关开断技术对线 路的负荷电流进行控制、开断和对线路进行隔离、分段;利用现代的传感技术、数字技术 及通讯技术进行控制、保护、监视、显示、记录等智能化管理。 1.1 1.1.1 低压力SF6气体或混合气体的绝缘技术 SF6气体或混合气体的绝缘特性

高压电器中绝缘件的设计和绝缘距离的确定是以绝缘件表面、内部,电极表面,或气 体间隙的许用场强为依据的。理想的SF6气体临界击穿场强为 88.5kV/mm.MPa,而空气临界 击穿场强为 29.4 kV/mm.MPa。 由此推论在均匀电场下SF6气体的击穿场强大约是空气的三倍。 但生产实际中SF6绝缘结构主要使用的是稍不均匀场,击穿场强总是低于这一数值,当间隙 内最大场强达到某一击穿场强Eb时,间隙即被击穿。 影响击穿电压的因素较多,如气体压力、电压形式和极性、间隙长度、电场不均匀程 度、电极表面粗糙度、电极材料和电极面积等,与间隙中的最大场强密切有关,要精确计 算只能借助机算软件来完成。 电场不均匀程度对SF6气体击穿电压的影响远比空气为大。因此,在绝缘结构设计时应 采取各种措施使之避免。SF6电器设备中要使电场设计的完全均匀几乎是不可能的,因而在 设计中大多采用稍不均匀的电场结构。需要指出的是: ⑴ 随着间隙距离的增加,电场不均匀程度亦增加,击穿电压的增加愈来愈慢,电压

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中压气体绝缘金属封闭开关设备的设计

增加出现饱和现象。因此SF6电器设备中不能单纯依靠加大间隙距离来提高击穿电压,改善 电场分布更为重要。 ⑵ 提高SF6气体的压力是提高击穿电压的有效措施,但会受到箱形密封壳体的强度、

刚度、密封性的制约。 ⑶ ⑷ ⑸ 稍不均匀电场中存在极性效应,负极性的击穿电压低于正极性。 不均匀电场中正极性的击穿电压低于负极性。 根据空气中的结果,并假设SF6和空气间的绝缘强度的某一倍数去设计SF6气体系统

不会得出满意的结果。 ⑹ 不均匀电场的情况下,在冲击中,由于形成空间电荷所需的时间几乎是没有的,

所以不取决于气体压力,在可选用的范围内即使让压力上升闪络电压也不上升。 研究者门通过大量试验总结出一系列经验公式。 对于同轴圆柱电场,当 P=0.1~0.4MPa(绝对值) 、内电极直径 d=38~200mm、电极表 面粗糙不超过 30μm 时,击穿场强有如下经验公式: Eb=A×P+B P─SF6气体压力,MPa,绝对值。 A、B─与施加电压极性有关的系数,见表 2.1。 表 施加电压 雷电 极性 + - 2.1 A(kV/mm.Mpa) 80 63 44 1.1.2 SF6气体绝缘性能与浓度的关系 B(kV/mm) 1.5 2.4 3.5

在空气、SF6混合气体中,球对板间隙(均匀电场)和棒对板间隙(不均匀电场)上施 加正极性雷电冲击,闪络电压随空气、SF6混合比而变化,见图 2.1。

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中压气体绝缘金属封闭开关设备的设计

图 2.1 雷电冲击耐压SF6随气体浓度的变化 SF6与N2、 CO2、空气等的混合气体中SF6与空气的混合气体绝缘特性为最佳。SF6、空气 混合气体比起同一气压下的纯SF6来说有着对杂质的影响不敏感的优点。40:60 的SF6、空气 混合气体达到同样的绝缘水平,要运行于稍高的气压(10%) 。 1.1.3 SF6气体绝缘性能与压力的关系

SF6气体压力在 0.10~0.15MPa(绝对值)范围内变化时,球对板间隙(均匀电场)和 棒对板间隙(不均匀电场)上施加雷电冲击,闪络电压与SF6气体压力的关系见图 2.2。由 图可知,按均匀电场考虑的球对板间隙随着气体压力的升高,闪络电压同时也成比例地上 升;而按不均匀电场考虑的棒对板间隙随着气体压力的升高,闪络电压几乎没有变化,也 就是说提高气体压力对不均匀电场耐受电压的提高没有太大作用。由此表明设计中压气体 绝缘金属封闭开关设备时,充分利用该特性效果会很显著。耐受电压并不仅仅取决于充气 压力,按接近大气压的充气压力设计气体绝缘金属封闭开关设备时,解决密封壳体的强度、 刚度、密封性等问题时就要经济得多。

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中压气体绝缘金属封闭开关设备的设计

图 2.2 雷电冲击耐压SF6随气体压力的变化 1.1.4 三种物质接触点的作用

三种物质接触是指金属电极与固体绝缘子接触时,其周围的绝缘介质是SF6气体,而在 金属电极与固体绝缘子接触线(点)上也与SF6相接触,称为三物质接触。 由于SF6气体的介电常数比固体绝缘材料的小,在三种物质接触点上介电常数小的一侧 电场强度升高,容易出现碰撞电离并发展成沿面闪络,是绝缘上的薄弱环节。 电极与固体绝缘子接触时会形成楔形的微小间隙,使得电场升高。 实际结构中一方面应修改电极形状和绝缘件表面形状,改善电场分布;另一方面应设 置屏蔽以防止绝缘子与电极接触处电场集中。 1.1.5 支柱绝缘子的设计

由固体—气体绝缘组成的复合绝缘与单独气体绝缘相比,其绝缘强度随气压之增加得 较少。在较高气压下的绝缘强度受绝缘子的影响比受气体的影响要大得多,而在低气压下 绝缘强度没有明显下降。设计中应以冲击击穿判据作为设计依据。 对支柱绝缘子和绝缘拉杆的基本要求是: ⑴ 有足够的绝缘强度,能够长期承受运行电压作用,无明显局部放电和老化现象,

并能短时耐受绝缘水平规定的工频电压和冲击电压。 ⑵ 有足够的机械强度,能承受开关操作的作用力,装配中与运输中的冲击力,以及

短路电流的电动力等。
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中压气体绝缘金属封闭开关设备的设计

当SF6沿面绝缘结构中最大场强达到某一数值Eft时发生沿面闪络。影响Eft的因数很多, 更为复杂。一般情况下,绝缘子在SF6气体中沿面闪络电压可按下式估算: Ubt=β×Eft×d 式中:d—绝缘间隔距离(即绝缘子高度) Eft–绝缘子沿面闪络场强。 负极性雷电冲击电压工程闪络场强Eft=5.6×(10P)0.66 工频电压工程闪络场强 Eft=4.5×(10P)0.64 P 的单位为 MPa,绝对值。 β—考虑有绝缘子存在时,电极间隙的综合利用系数,主要取决于绝缘子形状和绝缘 子高度与直径的比值,β=0.5~0.9。 支柱绝缘子和绝缘拉杆的形状、尺寸需由试验来验证。 1.2 低压力压缩空气绝缘技术 由于压缩空气的获得、处理要比SF6气体经济得多,也没有SF6气体的温室效应问题,用 其作绝缘介质对社会和用户都有益。各种电极形状在压缩空气中的绝缘特性有一些参考文 献报导过,但是能在设计中直接应用的数据还很少,需对各种电极形状的绝缘特性做一些 实验研究。国外的 7.2~24 kV C—GIS中采用压缩空气、N2绝缘已经很多了;在 36 kV也有 过采用压缩空气的报道;在 40.5kV产品中仍然采用SF6气体绝缘。在中压C—GIS中采用压缩 空气作绝缘介质是发展方向之一。 kV/mm kV/mm

图 2.3 压缩空气中棒板间隙的直流闪络电压

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中压气体绝缘金属封闭开关设备的设计

1.3

低压力气体中的载流与散热 中压金属封闭开关设备中散热的主要途径是对流、传导、辐射。同等压力下,SF6的分

子量大、粘度小(比空气、N2小)比空气、N2形成更加广泛的气体环境,使之通过对流传热 比一般的气体更为有效。当中压C—GIS压力越高,在对流散热方面越有利; 在绝缘上因导 体与壳体间的距离较远,或采用不锈钢壳体,壳体内流过的涡流损耗较小,这是有利因素。 对于小电流 C—GIS,在温升方面不存在问题。大电流 C—GIS 温升是难点。解决温升主 要是通过降低发热量、降低电流密度、增强辐射和传导来解决,可采取的措施: ⑴ ⑵ ⑶ ⑷ ⑸ ⑹ 1.4 降低导体损耗,控制导体电阻率,降低电流密度,降低回路电阻,提高接触压力; 降低涡流损耗; 提高辐射率; 增大散热表面积以及使用散热器; 提高耐热性能; 采用冷却技术。

真空断路器的开断技术发展 经过十多年的发展,真空断路器的开断技术有了较大提高,开断能力强、电寿命长、

可靠性高,灭弧室部分免维护,允许开合额定短路开断电流的次数多在 20 次以上,特别适 合于要求频繁操作的场所。这些优点是其它断路器无法比拟的,特别适合在中压 C—GIS 中 配置。 2. 2.1 2.1.1 中压 C-GIS 的特点及设计 概述 C─GIS 的发展简史及特点

柜式气体绝缘金属封闭开关设备, 国际上简称 C-GIS或有称GIS, 是一种用于 10~35 kV 或更高电压输配电系统以接受或分配电能并能对电力系统正常运行和故障情况下实行控 制、保护、测量、监视、通讯等功能的新型开关设备。把GIS的SF6的绝缘技术、密封技术与 空气绝缘的金属封闭开关设备制造技术有机地相结合,将各高压元件设置在箱形的金属密 封容器内,使之充入较低压力的绝缘气体,利用现代加工手段而制成的成套系列化产品称 之 为 柜 式 气 体 绝 缘 金 属 封 闭 开 关 设 备 , 简 称 C-GIS ( Cubicle type Gas Insulated Switchgear) ,俗称的充气柜往往指的是C-GIS与充气环网柜的统称。 在上世纪 70 年代末、80 年代初日本首先开发了 84 kV C-GIS ,当时采用厚钢板焊接的

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2006 年高压开关技术信息培训讲义(四)

中压气体绝缘金属封闭开

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