特高壓變電站帶電作業(yè)絕緣平臺探討范文
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《高壓電器雜志》2015年第十一期
摘要：
特高壓變電站對電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的意義，而帶電作業(yè)是確保其運(yùn)行可靠性的重要技術(shù)手段。為了在特高壓變電站開展帶電作業(yè)，文中設(shè)計(jì)了一種可用于1000kV特高壓變電站帶電作業(yè)的絕緣平臺。通過絕緣耐受、濕態(tài)絕緣、抗彎、抗扭、抗機(jī)械老化等試驗(yàn)項(xiàng)目對平臺主體材料的性能參數(shù)進(jìn)行了全面考核，并對平臺整體的電氣性能和機(jī)械性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。另外計(jì)算校核了絕緣平臺的穩(wěn)定性及安全系數(shù)。試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果表明所研制絕緣平臺滿足帶電作業(yè)工器具標(biāo)準(zhǔn)要求，為特高壓變電站管母類帶電作業(yè)項(xiàng)目的安全開展提供了必要的檢修平臺，平臺主體結(jié)構(gòu)簡單、現(xiàn)場組裝方便，有利于進(jìn)一步推動(dòng)特高壓變電站帶電作業(yè)技術(shù)的應(yīng)用推廣。
關(guān)鍵詞：
1000kV變電站；帶電作業(yè)；絕緣平臺；穩(wěn)定性
隨著多項(xiàng)特高壓輸變電工程的建成與投運(yùn)，特高壓網(wǎng)架在中國電網(wǎng)中占據(jù)了越來越重要的地位，其運(yùn)行可靠性也受到電網(wǎng)運(yùn)檢部門的高度重視[1]。變電站設(shè)備在運(yùn)行過程中遭受惡劣的自然環(huán)境、雷擊以及短路等因素的影響而出現(xiàn)不同的故障或缺陷[2-5]，而帶電消缺是提升變電站運(yùn)行可靠性的重要技術(shù)手段。國內(nèi)外在500kV以下電壓等級的變電站帶電作業(yè)方面開展了較多的研究，如帶電作業(yè)間隙的放電特性、帶電清掃、機(jī)器人帶電作業(yè)等[6-16]。中國開展帶電作業(yè)已有60多年的歷史，目前輸配電帶電作業(yè)項(xiàng)目已廣為推廣，變電站帶電作業(yè)項(xiàng)目也正處于積極探索和不斷拓展的階段。然而據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，國內(nèi)外變電站帶電作業(yè)項(xiàng)目主要集中在500kV及以下電壓等級，尚未開展特高壓變電站帶電作業(yè)項(xiàng)目[6]。變電站帶電作業(yè)項(xiàng)目主要分為兩類：一類是分裂軟母線處帶電作業(yè)，包括帶電更換懸式絕緣子(串)、檢修連接金具等；另一類是硬質(zhì)管母線處帶電作業(yè)，包括隔離開關(guān)設(shè)備發(fā)熱處理、支柱絕緣子清掃等。第1類項(xiàng)目作業(yè)方法可借鑒輸電線路帶電作業(yè)方法，而第2類項(xiàng)目則必須利用絕緣升降平臺等運(yùn)載工具才能進(jìn)行。特高壓變電站管母對地凈空距離高達(dá)17.5m[17-18]，絕緣平臺在使用過程中將承受電氣和機(jī)械性能的雙重考驗(yàn)，是能否安全開展特高壓變電站管母類作業(yè)項(xiàng)目的決定因素。
1絕緣平臺結(jié)構(gòu)
絕緣平臺由平臺底座、絕緣梯、工作斗、卷揚(yáng)機(jī)及防風(fēng)控制繩等組成，見圖1。平臺底座由兩根合金鋼固定在地面，通過斜向支撐桿及環(huán)氧面板組裝成整個(gè)平臺的重心基礎(chǔ)；絕緣梯下端安裝在平臺底座內(nèi)，整梯采用多節(jié)結(jié)構(gòu)，單節(jié)梯長6m；工作斗安裝在絕緣梯上，卷揚(yáng)機(jī)為其提供動(dòng)力，以絕緣梯為軌道實(shí)現(xiàn)垂直升降；防風(fēng)控制繩在兩節(jié)單節(jié)梯連接處進(jìn)行固定，采用多級控制，用于控制梯身的穩(wěn)定性。
2主體材料選擇
絕緣平臺主體材料采用環(huán)氧樹脂玻璃鋼管，環(huán)氧樹脂玻璃鋼具有優(yōu)良的電氣、機(jī)械特性，廣泛應(yīng)用于加工帶電作業(yè)硬質(zhì)絕緣工具。為進(jìn)一步驗(yàn)證所選絕緣材料的電氣和機(jī)械性能，對絕緣平臺主體材料的幾種主要性能參數(shù)參照GB13398—2003《帶電作業(yè)用空心絕緣管、泡沫填充絕緣管和實(shí)心絕緣棒》[相關(guān)要求進(jìn)行了測試。
2.1絕緣耐受性能將絕緣平臺主體材料加工成3件直徑70mm，長300mm的絕緣管材試品，在兩端試驗(yàn)電極間施加1min工頻電壓，該試品在100kV工頻電壓下未發(fā)生閃絡(luò)和擊穿，表面沒有明顯溫升。
2.2濕態(tài)絕緣性能加工3件長度1200mm試品，進(jìn)行淋雨試驗(yàn)，校正20℃雨水電阻率為(100±5)Ω•m，平均淋雨率為1.0~1.5mm/min，試品兩端電極間施加100kV工頻電壓，試驗(yàn)無閃絡(luò)、無擊穿、無發(fā)熱現(xiàn)象。
2.3泄漏電流試驗(yàn)絕緣管材泄漏電流試驗(yàn)分為受潮前和受潮后試驗(yàn)。首先將3件長度300mm的試品置于大氣環(huán)境24h以上，在試品兩端電極間施加100kV工頻電壓，測量并記錄1min內(nèi)最大電流I1；然后將試品置于溫度23℃、相對濕度93%的試驗(yàn)箱內(nèi)168h。取出試品后在大氣環(huán)境下同樣施加100kV工頻電壓，測量并記錄1min內(nèi)最大電流I2，試驗(yàn)結(jié)果見表1，結(jié)果顯示受潮后電流明顯增加，但沒有超過干試驗(yàn)電流15μA和受潮后試驗(yàn)電流40μA的標(biāo)準(zhǔn)要求。
2.4彎曲試驗(yàn)制作一組3件直徑70mm，長2500mm絕緣管試品，選定一個(gè)基準(zhǔn)面將試品置于彎曲試驗(yàn)平臺上，選擇初始抗彎負(fù)荷Fd為10kN，分別測量1/3Fd與2/3Fd之間擾度差f1及2/3Fd與Fd之間擾度差f2，然后將試品調(diào)整90°、180°和270°，重復(fù)上述試驗(yàn)過程，結(jié)果見表2。
2.5扭力試驗(yàn)制作一組3件直徑70mm，長1200mm絕緣管試品，將試品安裝在扭力測試平臺，設(shè)置初始扭矩值Cd為480N•m，維持初始扭矩值50min，記錄測得的角偏移度αd，然后去除扭矩，1min后測量殘余角偏移率δ，結(jié)果見表3。
2.6擠壓試驗(yàn)制作一組3件直徑70mm，長210mm絕緣管試品，將試品安置擠壓試驗(yàn)平臺，平臺兩擠壓平板間距以2mm/min勻速減小，當(dāng)?shù)?次失去線性時(shí)，記錄擠壓力的最小值Fmin，繼續(xù)施加擠壓力，使平板間距減少至6mm，記錄試驗(yàn)過程中擠壓力的最大值，結(jié)果見表4。
2.7機(jī)械老化試驗(yàn)按照彎曲試驗(yàn)方法，將3件試品分別安裝至彎曲試驗(yàn)平臺，進(jìn)行0°、90°、180°和270°每個(gè)方向1000次彎曲試驗(yàn)，觀察試品表面是否有損傷，并測量受潮前和受潮后的泄漏電流，結(jié)果見表5。經(jīng)上述電氣和機(jī)械試驗(yàn)，所選用環(huán)氧環(huán)氧樹脂玻璃鋼管材的性能參數(shù)能夠滿足帶電作業(yè)工器具設(shè)計(jì)、加工標(biāo)準(zhǔn)要求[19-20]。
3平臺穩(wěn)定性計(jì)算
按照絕緣平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其力學(xué)模型可以等效為細(xì)長壓桿。理想狀態(tài)壓桿受力時(shí)保持垂直直線度，但實(shí)際壓桿受力時(shí)直線會(huì)發(fā)生偏移。當(dāng)受力小于臨界力，受力消除后壓桿能夠恢復(fù)直線狀態(tài)，受力超過臨界力則不能恢復(fù)，此時(shí)壓桿將喪失其穩(wěn)定性。
3.1柔度λ計(jì)算壓桿柔度可采用式(1)計(jì)算式(1)中：μ為長度系數(shù)，由于平臺每節(jié)6m采用絕緣防風(fēng)控制繩固定，可視為兩端固定，取0.5；L為壓桿長度，取6m；i為截面慣性半徑，取17.5mm，計(jì)算得到λ=171。
3.2臨界柔度λP計(jì)算壓桿臨界柔度λP可采用式(2)計(jì)算
3.3臨界壓力Pcr計(jì)算壓桿臨界壓力Pcr可采用式(3)計(jì)算
4平臺整體性能試驗(yàn)
絕緣平臺整體性能測試包括電氣試驗(yàn)和機(jī)械試驗(yàn)兩部分，在中國電科院特高壓試驗(yàn)場進(jìn)行，試驗(yàn)現(xiàn)場見圖2。
4.1工頻耐壓試驗(yàn)將絕緣平臺分段選取6.3m作為加壓電極間隙距離，施加1150kV工頻試驗(yàn)電壓并持續(xù)3min，試驗(yàn)過程中未發(fā)生閃絡(luò)和擊穿。
4.2操作沖擊耐壓試驗(yàn)同樣選取6.3m試驗(yàn)間隙距離，施加15次1695kV標(biāo)準(zhǔn)操作波進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中未發(fā)生閃絡(luò)和擊穿。
4.3靜荷載試驗(yàn)將絕緣平臺工作斗升至最高設(shè)計(jì)高度20m，在作業(yè)平面加載2.5倍額定荷載(250kN)，持續(xù)5min，試驗(yàn)過程中未發(fā)生異常聲響，無斷裂現(xiàn)象。
4.4動(dòng)荷載試驗(yàn)在絕緣平臺作業(yè)面加載1.5倍額定荷載(150kN)，將工作斗逐步升至最高，反復(fù)升降5次，試驗(yàn)過程中絕緣平臺穩(wěn)固，未發(fā)生異常聲響，無斷裂現(xiàn)象。經(jīng)整體性能試驗(yàn)驗(yàn)證，絕緣平臺的電氣性能和機(jī)械性能均能夠滿足帶電作業(yè)工器具標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。
5結(jié)語
相較于輸電線路帶電作業(yè)技術(shù)及配網(wǎng)不停電作業(yè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，變電站帶電作業(yè)技術(shù)的探索已成為制約中國帶電作業(yè)技術(shù)整體水平提升的重要因素。特別是由于沒有合適的檢修平臺，500kV及以上電壓等級變電站管母類作業(yè)項(xiàng)目難以實(shí)施帶電檢修。該次研制的特高壓變電站帶電作業(yè)絕緣平臺充分考慮了站內(nèi)設(shè)備緊湊、空間間距狹小的特點(diǎn)，選用具有良好電氣和機(jī)械性能的環(huán)氧樹脂玻璃鋼進(jìn)行平臺的主體加工，整體性能滿足帶電作業(yè)工器具標(biāo)準(zhǔn)要求，與現(xiàn)有絕緣平臺相比具有以下3個(gè)顯著特點(diǎn)：1)該平臺是目前國內(nèi)外首個(gè)可用于1000kV特高壓帶電作業(yè)的檢修平臺。2)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡潔、組裝便捷，采用多節(jié)多級模式，便于運(yùn)輸保管，現(xiàn)場可根據(jù)作業(yè)高度需求選擇合適的絕緣梯節(jié)數(shù)，已驗(yàn)證作業(yè)高度達(dá)20m。3)平臺設(shè)計(jì)安全系數(shù)高，設(shè)計(jì)工作荷載100kN，遠(yuǎn)超現(xiàn)場實(shí)際工作需求。
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作者：肖賓 劉凱 陳磊 吳田 劉庭 單位：中國電力科學(xué)研究院 國網(wǎng)陜西省電力公司