800 kV罐式斷路器平移檢修及試驗(yàn)技術(shù)研究

馬飛越，劉博，黎煒，楊佳睿，李剛，怡愷

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院， 寧夏 銀川 750011；2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司， 寧夏 銀川 750011；3.寧夏電力能源科技有限公司， 寧夏 銀川 750011)

0 引 言

高壓直流輸電系統(tǒng)中換流站內(nèi)換流閥等非線性元件工作時(shí)會(huì)消耗大量無(wú)功，占直流輸送功率的30%～60%，并且對(duì)于交流系統(tǒng)來說，換流站在消耗功率的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一系列諧波，導(dǎo)致交流系統(tǒng)的電壓、電流波形產(chǎn)生畸變，因此，換流站內(nèi)必須裝有大容量的交流濾波器組來補(bǔ)充無(wú)功，同時(shí)濾除諧波分量，濾波器組用SF6斷路器需要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行工況的變化進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，完成濾波器組的投入和切除工作[1-3]。截至2020年，800 kV直流線路總數(shù)達(dá)到11回，包括21座直流換流站，而換流站濾波器場(chǎng)主要包括330，550，750 kV 3個(gè)電壓等級(jí)。

特高壓換流站交流濾波器及并聯(lián)電容器由無(wú)源的電容、電感和電阻組成。根據(jù)交流濾波、無(wú)功總?cè)萘啃枨笠约靶〗M最大投切容量的限制，交流濾波場(chǎng)設(shè)備一般分為多個(gè)大組，每大組由若干小組組成，每大組接入交流母線。國(guó)內(nèi)換流站交流濾波器場(chǎng)布置基本采用“一”字形和“田”字形布置型式：“一”字形布置型式具有濾波器大組分區(qū)明顯，設(shè)備費(fèi)用較小但占地及綜合費(fèi)用高的特點(diǎn)；“田”字形布置方式是目前特高壓換流站普遍采用的方式，具有占地面積小、綜合投入較少的特點(diǎn)[4-6]。當(dāng)換流站濾波器場(chǎng)設(shè)備需要缺陷處理、檢修及交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，由于濾波器場(chǎng)設(shè)備布置較為緊湊，大型設(shè)備檢修及試驗(yàn)設(shè)備組裝空間安全距離難以滿足要求，需要陪停濾波器大組母線，嚴(yán)重影響了直流輸送可靠性。

1 濾波器場(chǎng)斷路器檢修現(xiàn)狀分析

2020年5月，某±800 kV特高壓換流站750 kV交流濾波器場(chǎng)7633斷路器需要進(jìn)行滅弧室更換檢修作業(yè)及交流耐壓試驗(yàn)[8]。為確保特高壓換流站直流輸送功率正常，將7633故障斷路器進(jìn)行隔離，大組交流濾波場(chǎng)750 kV 63號(hào)母線仍帶電運(yùn)行。由于該換流站直流輸電功率穩(wěn)定，如采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行更換檢修作業(yè)，則第三大組中四小組容量為295 Mvar的7631 SC并聯(lián)電容器、7632 BP11/BP13交流濾波器、7633 HP24/36交流濾波器及7634 HP3交流濾波器將停運(yùn)，因此，對(duì)在大組母線不停電條件下開展檢修工作進(jìn)行探索，并對(duì)檢修現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行分析，具體作業(yè)現(xiàn)狀分析如圖1所示。

圖1中，濾波器場(chǎng)斷路器正常布置時(shí)，斷路器非機(jī)構(gòu)側(cè)套管頂部均壓環(huán)距上方母線距離為15.01 m，距引流線距離為15.5 m。當(dāng)在斷路器原有位置進(jìn)行檢修作業(yè)，需要實(shí)施拆裝套管工序，按吊帶尺寸3 m、套管吊出2.5 m計(jì)算，作業(yè)時(shí)吊車作業(yè)頂端距母線距離僅為9.6 m，距引流線距離為11 m，無(wú)法滿足吊車作業(yè)安全距離要求，不能在斷路器原位置進(jìn)行斷路器檢修作業(yè)。斷路器機(jī)構(gòu)側(cè)為濾波器電容器組，將斷路器向電容器組方向平移后，如圖2所示，按斷路器平移6 m計(jì)算，此時(shí)吊車作業(yè)面頂端距離母線為12.3 m，在不停第三大組母線情況下，滿足滅弧室更換檢修作業(yè)安全要求。

(a)斷路器正常布置距離

(b)斷路器套管更換作業(yè)時(shí)距離

圖2 斷路器平移后檢修作業(yè)

2 斷路器多維移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

經(jīng)檢修作業(yè)現(xiàn)狀分析，800 kV罐式斷路器需進(jìn)行平移后方可在大組母線不停電條件下進(jìn)行檢修作業(yè)，為確保斷路器平穩(wěn)移動(dòng)，設(shè)計(jì)了大型斷路器多維移動(dòng)平臺(tái)，并經(jīng)安全校核及仿真驗(yàn)證。

2.1 多維移動(dòng)平臺(tái)安全校核

斷路器整體重量為16 t，經(jīng)測(cè)算重心位于滅弧室罐體上方空間處，斷路器整體高度為13.232 m，平移過程中存在側(cè)方傾倒風(fēng)險(xiǎn)。多維移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)將平移框架工裝與斷路器設(shè)備本體通過連接板緊固連接，同時(shí)將繩套與平移框架工裝拴住緊固，增加平移框架工裝與斷路器本體之間的連接強(qiáng)度。使用4根繩套、8根倒鏈將斷路器罐體牢牢拴住(之間設(shè)置EVA保護(hù)襯墊)，掛于平移框架工裝6個(gè)預(yù)制錨點(diǎn)，以增加平移框架工裝與斷路器本體之間的連接強(qiáng)度。6個(gè)預(yù)制錨點(diǎn)、4根繩套及8根倒鏈構(gòu)成拉筋的方式，俯視如圖3所示。

圖3 斷路器平移框架及連接

將斷路器基礎(chǔ)以外磚地均鋪設(shè)200 cm×200 cm×20 mm鋼板，以防止路面下陷造成危險(xiǎn)。整體抬升斷路器之前在其兩側(cè)套管端部接線板上安裝2臺(tái)三維沖撞記錄儀，確保整個(gè)頂升、移動(dòng)過程中的沖撞記錄數(shù)據(jù)滿足要求，不對(duì)斷路器部件造成影響。

采用圖3工裝，經(jīng)過頂升、穿軌、推進(jìn)、落位4個(gè)步驟將斷路器平移至檢修位置，執(zhí)行套管拔出、電流互感器拆除等工序。套管拔出過程中吊車距母線距離為12.3 m，滿足750 kV吊車作業(yè)安全距離11.00 m。拆除電流互感器工序時(shí)，50 t吊車站于斷路器西側(cè)的硬質(zhì)路面，支腿全伸，I缸伸至0%，側(cè)前方作業(yè)模式。經(jīng)核算，安全起重質(zhì)量為14 500 kg，滿足安全起重要求。拆除斷路器本體時(shí)，吊車距離最近帶電部位超過60 m，且并無(wú)任何遮擋物。罐體質(zhì)量7 000 kg，現(xiàn)場(chǎng)最長(zhǎng)出臂在15 m以內(nèi)(此處按最大裕度18 m考慮)。采用50 t吊車站于斷路器西側(cè)的硬質(zhì)路面，回轉(zhuǎn)中心距離設(shè)備重心約5 m(此處按最大裕度6 m考慮)，采用支腿全伸，I缸伸至0%，側(cè)前方作業(yè)模式。斷路器平移后檢修作業(yè)面俯視如圖4所示。

圖4 斷路器平移后檢修作業(yè)面俯視

2.2 多維移動(dòng)平臺(tái)仿真

基于以上平移方案，重點(diǎn)對(duì)多維移動(dòng)平臺(tái)中可實(shí)現(xiàn)斷路器整體降低重心、穩(wěn)定側(cè)方受力、提高整體剛性的底盤工裝進(jìn)行力學(xué)仿真校核。斷路器平移底座框架如圖5所示。

在個(gè)體層面，不少證據(jù)表明高智商個(gè)體中的自殺率比普通人更高。對(duì)一項(xiàng)天才兒童的追蹤研究數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有研究者發(fā)現(xiàn)，對(duì)于那些平均智商為151的孩子來說，他們?cè)谝簧凶詺⑸硗龅奈ｋU(xiǎn)是普通人(智商是100)的4倍(Voracek, 2004)。包括小說家、文學(xué)家、劇作家和詩(shī)人在內(nèi)的其他高智商者，死于自殺的可能性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通人(Preti & Miotto, 1999; cited by Voracek, 2004)。這一關(guān)系對(duì)于某些臨床群體同樣適用：自殺而死的精神分裂癥病人比未自殺的同類病人擁有更高的智力水平(Siris, 2001)。

圖5 斷路器平移框架模型

圖5中各部件材質(zhì)主要由H型鋼(200 mm×200 mm×12 mm×8 mm，Q235B)及連接板(Q345B，厚度16 mm)組成。圖中：① 2件焊接橫梁；② 1件焊接橫梁；③ 4件焊接縱梁與2件連接板焊接而成；④ 4件焊接縱梁與2件連接板焊接而成，焊接縱梁③、④與焊接橫梁①、②采用螺栓連接；⑤ 6件連接板與各個(gè)焊接橫梁通過螺栓連接，用于直接支撐斷路器；⑥ 導(dǎo)向塊，在焊接縱梁下方通過螺栓連接，用于平移框架在導(dǎo)軌上的導(dǎo)向。

斷路器整體質(zhì)量16 200 kg，質(zhì)心位于焊接橫梁2中心上方x=-484 mm，y=0，z=3 710 mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)平移斷路器實(shí)際動(dòng)作，仿真分析設(shè)置3種不同工況：

1)框架在導(dǎo)軌上放置；

2)框架在導(dǎo)軌上慢慢平移；

3)利用千斤頂將框架提升。

根據(jù)以上3種工況，對(duì)框架施加約束與載荷。圖6(a)所示為工況1，斷路器重力C，導(dǎo)軌與框架接觸區(qū)域施加固定約束B，A為斷路器質(zhì)心。圖6(b)所示為工況2，斷路器重力B，導(dǎo)軌與框架接觸區(qū)域施加位移約束C，導(dǎo)向塊與導(dǎo)軌接觸區(qū)域施加位移約束D,A為斷路器質(zhì)心。圖6(c)所示為工況3，斷路器重力B，千斤頂與框架接觸區(qū)域施加固定約束C，A為斷路器質(zhì)心。圖7所示為斷路器重力在框架上的分布。

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3

圖7 斷路器重力在框架上的分布情況

焊接橫梁與焊接縱梁之間，連接板與焊接橫梁之間，導(dǎo)向塊與焊接橫梁支架的螺栓連接采用綁定接觸模擬，對(duì)上述模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元力學(xué)分析。斷路器平移框架關(guān)鍵部件靜力學(xué)分析結(jié)果如表1所示。

表1 平移框架仿真分析安全系數(shù)

經(jīng)過有限元力學(xué)分析計(jì)算，在現(xiàn)場(chǎng)工況下，斷路器平移框架整體安全可用。當(dāng)在工況3時(shí)，千斤頂與焊接橫梁接觸點(diǎn)的邊緣出現(xiàn)了局部的峰值應(yīng)力，但局部的峰值應(yīng)力不會(huì)對(duì)整體強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。針對(duì)工況3在千斤頂?shù)淖饔脜^(qū)域，對(duì)橫梁進(jìn)一步采取加強(qiáng)措施，在橫梁與千斤頂?shù)慕佑|點(diǎn)增加過渡連接板，H型鋼的側(cè)面焊接加強(qiáng)筋，避免局部峰值應(yīng)力影響。

3 交流耐壓自立式分壓器設(shè)計(jì)

由于該±800 kV特高壓換流站7633斷路器檢修后需要進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，按照文獻(xiàn)[9]中的要求，800 kV罐式斷路器檢修后交流試驗(yàn)電壓按耐受電壓的80%進(jìn)行，即試驗(yàn)電壓值為768 kV。試驗(yàn)時(shí)分別在合閘狀態(tài)及分閘狀態(tài)進(jìn)行，分閘耐壓時(shí)被試斷路器斷開，斷口一端施加試驗(yàn)電壓，另一端接地，斷路器器身可靠接地，試驗(yàn)接線見圖8。交流耐壓試驗(yàn)采用串聯(lián)諧振方法進(jìn)行，電壓測(cè)量裝置見圖8中分壓器所示。

圖8 斷路器斷口交流耐壓

以往在大組母線停電條件下進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，采用單節(jié)250 kV的電抗器及電容分壓器單元進(jìn)行組裝，組裝時(shí)試驗(yàn)設(shè)備空間滿足2臺(tái)吊車同時(shí)配合作業(yè)需求。當(dāng)采用大組母線不停電作業(yè)時(shí)，組裝分壓器設(shè)備吊車作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較大，本文設(shè)計(jì)1 000 kV自立式分壓器，避免了原有的現(xiàn)場(chǎng)組裝式電容分壓器組裝耗費(fèi)的人力、時(shí)間及安全性無(wú)法保證的問題。自立式分壓器主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)等三部分，如圖9所示。

圖9 自立式分壓器組成

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自立式分壓器的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由底架、底座、支架、液壓站、液壓缸等5部分構(gòu)成。

1)底架。底架長(zhǎng)10 m，寬2.2 m，由100 mm方管焊接而成，上部有4個(gè)吊耳，便于吊裝，在左端上下邊緣部位，固定了2個(gè)支腿，當(dāng)分壓器要展開前，將2個(gè)支腿旋轉(zhuǎn)90度，防止分壓器豎起后側(cè)向翻倒。在距離左端1 m位置，安裝有鉸鏈裝置，將分壓器的底座和輔助支架通過鉸鏈固定于底架上，分壓器的翻轉(zhuǎn)圍繞此鉸鏈動(dòng)作。底架上下兩個(gè)側(cè)邊，在不影響電場(chǎng)范圍情況下有高出500 mm的加強(qiáng)邊緣，增加底架長(zhǎng)度方向的剛度。

2)底座。底座用于安裝分壓器，將分壓器最下一級(jí)電容柱與底架連接。當(dāng)?shù)鬃D(zhuǎn)后處于水平狀態(tài)時(shí)，將底座與底架使用螺栓固定，防止使用時(shí)翻轉(zhuǎn)。

3)支架。支架用于輔助分壓器立柱豎起，并負(fù)載分壓器在水平放置的重量，防止分壓器平放和豎起狀態(tài)時(shí)彎曲變形。支架上安裝有手動(dòng)的分壓器法蘭抱箍裝置，在運(yùn)輸、存放、以及豎起期間，抱箍裝置都牢牢地將分壓器柱與支架固定在一起。當(dāng)豎起動(dòng)作完成，手動(dòng)將抱箍裝置松開，將分壓器柱與支架脫離，然后將支架放倒，便于開始試驗(yàn)工作。

4)液壓站和液壓缸。通過電機(jī)作為液壓泵的控制使液壓站和液壓缸處于不同的工作狀態(tài)，使分壓器豎起與放倒。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)接收到操作人員下發(fā)自立式分壓器豎起與放倒的指令后，處理器通過對(duì)電機(jī)的間接控制使其實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作；同時(shí)，該控制系統(tǒng)可以保證在液壓管路出現(xiàn)故障時(shí)，液壓缸立即停止動(dòng)作，防止自立式分壓器出現(xiàn)傾覆。

3.3 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)由3節(jié)分壓器組合而成，標(biāo)稱電容量1 000 pF；額定工頻交流電壓1 000 kV；介質(zhì)損耗因數(shù)tan δ≤0.2%；測(cè)量精度≤±1% ；絕緣水平，工頻耐壓1 320 kV/1 min ； 變比 4 000∶1； 局部放電量在(1 000 kV)下小于10 pC；運(yùn)行時(shí)間，在100%額定電壓下允許連續(xù)運(yùn)行60 min，在80%額定電壓下允許連續(xù)運(yùn)行。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成效

4.1 罐式斷路器平移現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

使用1組2個(gè)100噸級(jí)(行程5 cm)千斤頂從斷路器縱向一側(cè)依次緩慢頂起5 cm，然后使用枕木墊實(shí)、墊平，放穩(wěn)后取下所有千斤頂，構(gòu)架底盤工裝預(yù)設(shè)6個(gè)100噸級(jí)稱重頂點(diǎn)。將鋼軌穿入斷路器底座下方，將4個(gè)推頂?shù)蔫F鞋安裝于構(gòu)架底盤4個(gè)支點(diǎn)與鋼軌之間，推進(jìn)油缸安裝并檢查無(wú)誤后，進(jìn)行緩慢推頂。解體前安裝配重，確保斷路器一側(cè)套管拆除之后，斷路器整體重心不發(fā)生巨大改變，以防止發(fā)生傾倒事故，實(shí)施成效如圖10所示。

圖10 罐式斷路器平移現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施成效

4.2 1 000 kV自立式分壓器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

750 kV設(shè)備交流耐壓所使用的分壓器由4節(jié)250 kV分壓器組裝而成。該組裝過程需要5名工作人員2.5 h的組裝時(shí)間，本文設(shè)計(jì)的750 kV設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)用自立式電壓測(cè)量裝置只需在地面完成組裝，通過手動(dòng)按鈕對(duì)電機(jī)的控制來間接對(duì)液壓站和液壓缸進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)分壓器的豎起與放倒。組裝時(shí)間縮減到20 min，大幅度提升了800 kV罐式斷路器檢修試驗(yàn)的工作效率。

5 結(jié) 論

1)通過仿真建模、受力分析設(shè)計(jì)出組裝式鋼梁底盤穩(wěn)固裝置，及多組同步液壓頂推裝置配合預(yù)制式承重道軌，設(shè)計(jì)了斷路器多維移動(dòng)平臺(tái)，提出了一套大型斷路器多維移動(dòng)通用解決方案。

2)通過斷路器多維移動(dòng)平臺(tái)及自立式分壓器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施應(yīng)用，在特高壓換流站濾波器場(chǎng)完成800 kV罐式斷路器的平移檢修及試驗(yàn)，做到不陪停濾波器母線、不降低換流站負(fù)荷、不增加檢修工期，可有效減少停電頻次。