提高中压配电开关在恶劣环境条件下的可靠

[摘要]  西门于六氟化硫绝缘环网柜是专门用于在恶劣环境条件下输变电线路的运行而设计的，该设备1983年开发成功。为适应全球各地不同区域、各种不同恶劣环境的使用．2004年7～8月在德国法兰克福中压测试实验室进行了相关研究，进行了各种电气和机械性能检验。检验显示,该开关设备在恶劣环境条件下具有很好的耐用性。

[关键词]  输电线路 中压配电开关 六氟化硫绝缘环网柜 可靠性 耐用性

1 西门子中压绝缘开关设备的特点

　　中压气体绝缘开关设备是现代配电系统不可或缺的部分。这种类型的开关设备具有以下特点：
　　(1)产品与环境和谐、融合；(2)开关设备外形设计小巧、紧凑；(3)不需维护；(4)较长的使用寿命；(5)较小的安装空问。

2  恶劣环境下的环网柜的设计要求

　　长期运行在恶劣环境条件下的环网柜(以下简称RMu)必须经过特殊设计和测试。RMU是根据IEC 62271-200标准，即“适用于额定电压大于1
kV 小于等于52 kV的交流金属外壳开关设备和控制装置”(以前的IEC60298标准)和IGC60694标准，即“高压开关设备和控制装置标准通用条款”设计的。其设计要求是：

　　(1)应使用内在风险较小的正确设计。(2)即使成本较高，也应采用品质精良和久经验证的材料和制造工艺。(3)必须进行一些特殊的测试，特殊测试包括：对水蒸汽渗透绝缘材料和密封材料的能力；在恶劣环境条件下运行数年后．开关设备的露点；对套管和其他绝缘零件进行温度周期测试从而对内部机械应力进行研究；根据IEC 60932标准，即“对于用于恶劣气候条件下电压达到1～72.5 kV的密封开关设备和控制装置的附加要求”，对开关柜进行老化试验；进行高强度温度／湿度周期测试从而对机械零件的耐腐蚀性进行研究。上述特殊测试是为检验开关设备的耐用性，可将测试结果与现场使用值进行对比。(4)对设计和制造工艺进行连续控制和改进。

3  恶劣环境的种类和老化测试的方法

3.1  恶劣环境的种类
　　IEC 60721标准，即“关于环境条件的分级”中，将环境分为几种不同的基本等级。IEC 60068系列标准，即“基本环境测试程序”，对环境测试进行了定义。然而，目前还没有为评估恶劣环境条件下中压开关设备使用性能的测试方法，环境和气候的标准。

　　在变电站，RMC的典型恶劣条件包括：(1)高温、高湿和充满小动物的热带气候；(2)经常结露；(3)海岸地区含盐碱的浓雾。

3.2  恶劣环境条件下开关设备老化的测试方法

　　上述恶劣环境条件的主要影响是加速开关设备的老化。为测试恶劣气候条件下运行的中压开关设备的老化性能．IEC 60932标准提出了2种测试程序：渗透试验和老化试验。

　　根据测试结果，可将开关设备按照“设计等级”进行划分。最高等级为“二级设计”。

　　在温度／湿度周期内，对开关设备通电并施加额定电压，测量其漏电电流。标准规定不应发生故障。在温度／湿度周期前、后，应测量机械特性以评估开
关装置驱动机构的功能特性。

　　如果开关设备经老化或二级渗透试验检测定为“二级设计”，则该开关设备可满足恶劣环境条件的运行。在过去，由于“二级设计”等级的开关设备在设计上存在诸多困难，且这种开关设备的需求量非常有限，因此，很少采用IEC 60932标准。

　　根据客户要求，不同的制造商模拟单一的或合成的环境状态进行各自特殊的环境测试。测试中存在的问题是如何将经加速过的气候或老化试验的测试结果转化为实际的使用寿命期望值。为此，一种好方法是将测试结果与观测的实际老化过程进行对照。

4  中压开关在恶劣环境下存在的问题

4.1  绝缘性能退化

　　从以前使用过程中发现，最严重的问题是绝缘性能的退化。引起绝缘性能退化的因素有：(1)高湿度和重污染引起绝缘材料老化；(2)绝缘零件出现裂纹；(3)导电屏蔽层发生变化；(4)水蒸汽通过密封材料渗人气体容器内。

　　不论是在恶劣环境条件下还是正常运行条件下都需要考虑上述问题。长期存在局部放电和漏电电流将损坏绝缘性能，因此．必须避免出现这种情况。

4.2  影响驱动机构的可靠性

　　开关装置驱动机构的可靠性主要受机械零件的腐蚀和磨损影响，如：弹簧疲劳。统计显示：机械故障是引起开关装置中断运行的主要原因。为将中压开关设备用于恶劣环境，必须采取有效防腐措施。

4.3 影响气体绝缘开关设备的密封性

　　气体绝缘开关设备的密封性根据泄漏率和扩散效应来测定。开关设备的泄漏率必须低。如果开关设备使用垫片，必须考虑密封系统中不同材料间的相互影响；必须避免非常小的裂缝腐蚀。

　　如果使用垫片密封移动零件，必须保证在停止运行若干年后，在移动这些零件时不会泄漏。所有聚合绝缘或密封材料对于不同气体(如水蒸汽)具有某种渗透特陛。这种渗透性由气体容器外部相对较高的水蒸汽压力和容器内部较低水蒸汽压力驱动。为避免在气体容器内部出现结露并导致绝缘性能退化，必须将水的渗透性降至最低。

　　因此．垫片的数量、长度和渗透面积应最低并且六氟化硫(以下简写SF6)容器外壳所有部件使用的材料具有非常低的水蒸汽渗透系数至关重要。

　　经验表明．在引进第1台中压气体绝缘开关设备时，对该问题并不了解。气体容器对于SF6气体是密封的，但已观察到气体容器内部的湿度不断增加。

5  为消除恶劣环境下开关问题的措施

5.1  消除恶劣环境下开关问题的一般措施

　　(1)用经验丰富的工程师并采用通过认证的工艺对开关设备进行设计和测试。(2)采用经验证的材料和制造方法。(3)除例行测试外，对开关柜或部件定期进行重复测试，以确保产品达到最高的质量水准。(4)分析故障以提高开关设备的没计并得出改进方法，避免将来出现故障。(5)通过对全球不同地区运行多年的开关设备在实验室或现场进行检查或测试积累现场地使用经验，如：机械测试或局部放电测试。1台8DJ10型RMU已在法兰克福室外安装的测试实验区域运行近15年，并定期进行电气和机械性能测试。试验和灌充过程完成之后进行焊接。

5.2 加强中压开关设备的绝缘性能

　　除了加强气体容器的密封性和避免水蒸汽渗入外．还将气体绝缘外壳内的部件的内部机械应力降至最低。如果内应力超出正常运行应力，在数年后将出现绝缘部件局部老化和出现裂纹。以后，将出现局部放电、故障和泄漏。

　　为使气体绝缘外壳内的部件内应力降至最低，采取了以下措施：(1)气体容器使用高强度的不锈钢制造；(2)套管部件含有最少的铸塑树脂成分；(3)选用特殊成分的铸塑树脂，采用自动混合工艺制造后进行检测。测试包括：(1)x射线测试．检查裂纹和缩孔；(2)对一定数量的套管进行温度-10～80℃周期测试；(3)局部放电测试。

　　由于在聚合材料内部和表面产生局部放电可引起电气枝状放电及绝缘性能退化及目前对局部放电的影响了解还不够，为了实现标准化，根据正常运行期间不应发生局部放电的基本要求，所以西门子公司已经发布了自己的标准，实行局部放电等级限制。

在1.1 Ur时，对整个开关设备≤20 pC．对部件≤5pC；在1.1 ur／3时．无局部放电(低于接地电平)。测试程序应符台IEC 62271—200标准。

　　西门子公司的丰富经验可以保证上述局部放电标准可使产品满足要求。与其他高压设备(如电力变压器或仪裘变压器)相比，这一标准具有相当高的要求。

5.3  增强驱动机构的可靠性

　　由于相关开关设备标准没有关于恶劣环境条件下耐用性的要求，耐用性必须通过下列测试来验证，目的是找出机械零件最适合的材料和表面。

　　(1)据DIN 50017标准进行冷凝试验；(2)根据DIN EN ISO 6988标准使用二氧化硫(SO2)进行冷凝试验；(3)根据DIN 50021标准进行盐碱浓雾试验；(4)根据IEC 60068—2—30标准进行高强度温度／湿度周期试验。

　　另外，由于安装于不同地点的开关设备的特殊条件．将大负荷、短期腐蚀测试的试验结果转化为开关设备的耐用性不易。在热带和滑海地区、在电缆槽进水的变电站或露天安装下运行若干年后，将RMU返回制造厂．以便进行与腐蚀效应的研究。

　　这些结果与上述腐蚀试验对比后显示：最严厉的气候条件是较高的环境温度下在开关设备内部经常结露引起的腐蚀。一个通用的化学法则假定：温度升高约10K，腐蚀速度加快1倍。

　　为此．西门子公司已经定义一种与IEC 60068系列标准相似的高强度温度／湿度周期测试以进一步提高开关设备的性能：

　　(1)温度周期为-5～+80℃；(2)相对湿度达到93％；(3)进行12个周期测试，每周期为24 h。

5.4  加强气体容器的密封性减少水蒸汽的渗透

　　采用“密封外壳”方案．全焊接不锈钢气包，防止绝缘气体向外扩散，防止水蒸汽进入容器气包内。

　　为确保产品具有高质量．必须采取下列措施：
　　(1)焊接前对所有部件用氦进行100％泄漏试验，检验是否符合700～1 000 Pa/s的泄漏率。(2)使用压力100 Pa的氨对整个气体容器进行泄漏测定，检查是否符合容许的600～1 000 Pa／s的泄漏率；这意味着每年绝缘气体的压力降低幅度低于0.1％。(3)由于压力的日常波动，为确保气体容器的稳定性，在进行泄漏试验后，应对典型布置的容器进行10 000个负载周期压力变化测试。(4)对部件进行渗透率测定，如对套管(部分带有O形环)。为加速渗透速度，将测试对象储存在温度为80℃且相对湿度为85％的人工气候室内。这相当于水蒸汽的局部压力达到40000 Pa。通过小型容器内的压力上升值。可测定渗透率。利用这些测试结果．可计算出热带气候条件下水蒸汽的渗透率。(5)对几台8DJ型负载断路开关设备(在经过多年运行后已返回开关设备制造厂)的开关柜进行露点测定。所有测定的露点都在-30℃以下。测量结果证实上述水蒸汽渗透率的测试和汁算结果完全正确。

6  改进后的产品设计与试验

　　根据技术进步，对设计和制造进行持续改进。

6.1  改进后的产品的基本设计

　　图1为8DJ型RMU的剖视图。

　　开关设备的核心是充满气体、“整个使用寿命期内全密封”的气室，并配有开关装置、母线、电气和机械套管。为解决密封问题．气体容器使用不锈钢制造并采用全焊接工艺．不留任何密封的开孔。

　　金属波纹管做机械套管，用于操作三位开关以及SF6备用指示仪，指示仪可通过气室壁两侧的电磁系统移动。用于电缆连接的电气套管由环氧铸塑树脂制成，并与容器焊接为一体。

　　必须将卸压装置与容器焊接在一起，用于容器抽吸和灌充SF6的管道也必须在密封试验和灌充SF6后进行焊接。

6.2  改进后产品的试验

　　对“正常”和“改进”驱动机构后的开关产品进行测试，得出以下结果：

　　(1)3～5个温度／湿度周期后，出现与非常恶劣环境条件下运行实际情况完全一致的腐蚀效应。(2)在进行12个周期测试后，腐蚀强度超出开关设备的实际观测值。(3)所有零件镀锌并经过特殊表面处理后的改进型驱动机构在进行12个周期测试后，无任何明显的腐蚀效应。(4)在进行温度／湿度周期试验后，所有被的改进型驱动机构运行良好，测试工程师对测试结果满意。

6.3 按照IEC60932标准进行老化试验

　　西门子RMU已通过老化试验，达到“二级设计”，适用于恶劣气候条件的运行。开关装置的驱动机构无任何明显腐蚀；机构的移动性能没有达到任何变化。

6.4 机械功能的测试

　　为检查机械功能是否良好，进行了下列测试：

　　(1)操作机构的开关功能；(2)所有操作机构是否易于制动；(3)使用测试熔断器检查变压器开关是否能正确跳闸：(4)熔断器盖的联锁性；(5)电缆隔室盖的联锁性；(6)所有操作机构的开关时间、速度的测量结果应符合要求。

6.4.1 检查绝缘气体的状态

　　气压应达到O.05 MPa(表压)，相当于新制造开关柜的额定灌充压力。与新制造开关设备相比，露点小于-30℃。
6.4.2 检查电气触点的状态

　　对电气触点进行外观检查，没发现任何腐蚀迹象。三位隔离开关及连接母线无任何老化迹象。

6.4.3 检查SF6容器和机械零件

　　外观检查显示在容器焊接区域的外部零件上有腐蚀迹象。但这只是表层腐蚀。通过对表面进行打磨，可将腐蚀部分完全清除。

6.5 介电强度测试及局部放电测试结果

　　2004年7～8月，在德国法兰克福中压测试实验室进行相关试验。

　　使用工厂新制造开关设备采用80％的测试电压，根据DIN EN 6027I-200标准对未清洁的RMU进行高压测试：

　　(1)相问和相线对地以及跨越三位隔离开关接触间隙进行50 Hz、40 kV／min的工业频率电压测试。(2)在相之间和相线对地以及跨越三位隔离开关接触间隙进行1.2／50μs、100 kV雷电冲击耐受电压测试。(3)此外，在相间和相线对地以及跨越三位隔离开关接触间隙进行50 Hz、50 kV／min的额定工业频率电压测试。

　　所有测试都顺利通过。

　　对污染的RMU进行局部放电测试：在相线对地电压大于18kV时，启动和停止局部放电；即在正常运行条件下开关设备不会局部放电。

7 改进后产品的使用情况

7.1 RMU变电站在挪威的使用

　　1985年在挪威投入使用的24 kV RMU变电站，至2000年一直在该国西南海岸的盐碱环境中使用，2000年以来，一直用于多沙区和车辆往来频繁的施工现场。该变电站的典型特征为：

　　(1)板结构．使用木板防护；(2)无保温的钢板门；(3)在变电站内经常出现冷凝：(4)使用低负载的小型油浸变压器；(5)通过自然开孔进行通风；盐碱浓雾和灰尘可以进入变电站；(6)湿气通过变电站未密封的电缆引入装置进入。

7.2  环网柜在世界其他国家的使用情况

　　RMU目前一直在许多国家，如中国、中东的恶劣环境条件下使用。

　　该变电站被安装在正常的配电网内。在其整个使用寿命周期内，8DJ10型RMU的三位开关只被操作为数极少的几次。通常情况下．只有在电网出现故障之后才对环网馈电线路进行操作，如用于接地故障的选择。为进行变压器的维护工作或对变电站低压隔室进行维护工作．将对变压器的馈电线路进行操作。

　　开关设备在法兰克福西门子开关设备制造厂以及西门子气体绝缘中压开关设备技术中心制造。