李 勇,辛道越,趙 順,張海波,胡連厚
(廣東明陽(yáng)電氣股份有限公司,廣東 中山 528451)
某企業(yè)在對(duì)一批35 kV電壓等級(jí)MYS10型充氣環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行出廠前的例行局部放電檢測(cè)時(shí),發(fā)現(xiàn)10臺(tái)產(chǎn)品之中有4臺(tái)的測(cè)試結(jié)果異常,一次檢驗(yàn)不合格率達(dá)到40%。不合格的形式有兩種,一種是產(chǎn)品出現(xiàn)一相或兩相的局部放電值超過(guò)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)(30 pC),另一種是局部放電的起始電壓低于內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)(35 kV)。眾所周知,局部放電作為中壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備絕緣缺陷排查和事故預(yù)防的一種重要檢測(cè)手段,已經(jīng)引起越來(lái)越多設(shè)備制造廠家的重視。鑒于該產(chǎn)品是海上風(fēng)力發(fā)電升壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,直接關(guān)系到整個(gè)升壓系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性,以及能否實(shí)現(xiàn)對(duì)升壓變壓器的有效短路保護(hù),該企業(yè)從一開(kāi)始就將局部放電的檢測(cè)作為出廠前的必檢項(xiàng)目,高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3906作為協(xié)商可選項(xiàng)次的規(guī)定。
針對(duì)此次異常的出現(xiàn),本文逐一對(duì)可能造成局部放電超標(biāo)的多種原因予以分析,對(duì)每種原因的影響效果及優(yōu)化方案都制作了相關(guān)實(shí)物或有限元模型,進(jìn)行反復(fù)的測(cè)試、驗(yàn)證和再優(yōu)化,歷時(shí)將近一個(gè)半月的時(shí)間,該問(wèn)題最終得以妥善解決,不僅實(shí)現(xiàn)了10臺(tái)產(chǎn)品的局部放電完全滿足出廠測(cè)試要求,同時(shí)還根據(jù)實(shí)測(cè)效果將產(chǎn)品局部放電的出廠內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了升級(jí)(相比之前更為嚴(yán)格),保障產(chǎn)品可靠交付的同時(shí),也為產(chǎn)品后續(xù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化及其他類似產(chǎn)品的研發(fā)和故障分析,提供了值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和參考思路。
MYS10型35 kV充氣環(huán)網(wǎng)柜是專門針對(duì)大容量海上風(fēng)力發(fā)電升壓系統(tǒng)自主開(kāi)發(fā)的新一代高可靠性的中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備,它以微正壓力(20℃絕對(duì)值0.13 MPa)SF6氣體作為主絕緣介質(zhì),將真空斷路器、真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)、三工位隔離/接地開(kāi)關(guān)、分支母線等一次元件完全封閉在一個(gè)獨(dú)立的3 mm厚不銹鋼焊接而成的氣箱內(nèi),不受外部濕熱、鹽霧等惡劣環(huán)境的影響。布置于氣箱之外的開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)、保護(hù)及儀表、鈑金柜體等,各自采取了有針對(duì)性的“多維度”防腐處理措施,確保了系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性和實(shí)際上的免維護(hù),預(yù)期適用30年以上[1]。MYS10的主要技術(shù)參數(shù)如下:
(1)額定電壓:40.5 kV;
(2)額定頻率:50 Hz;
(3)額定電流:1250 A;
(4)額定工頻耐受電壓:95 kV;
(5)雷電沖擊耐受電壓:185 kV;
(6)額定短時(shí)耐受電流:25 kA、31.5 kA;
(7)額定短路持續(xù)時(shí)間:4 s;
(8)額定峰值耐受電流:63 kA、80 kA;
(9)額定機(jī)械操作壽命:10000次(斷路器、負(fù)荷開(kāi)關(guān));
(10)額定局部放電水平:≤30 pC;
(11)額定氣體充入壓力:0.13 MPa(20℃,絕對(duì)值);
(12)標(biāo)準(zhǔn)柜體寬度尺寸:500 mm、550 mm。
MYS10型充氣環(huán)網(wǎng)柜典型饋線方案的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,在廣東陽(yáng)江某海上風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置如圖2所示。
圖1 MYS10典型方案結(jié)構(gòu)示意
圖2 MYS10在某海上風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)
采用常規(guī)的脈沖電流法,模擬產(chǎn)品實(shí)際通電運(yùn)行的狀態(tài),即斷路器合閘,三工位開(kāi)關(guān)處于“連通”位置。測(cè)試時(shí)通過(guò)專用的無(wú)局放測(cè)試電纜和產(chǎn)品出線接口(C型套管)連接,頂擴(kuò)母線的環(huán)氧出線套管由專用的絕緣帽封堵,測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)及接線方式如圖3所示[2]。
圖3 MYS10局放測(cè)試
按照GB/T 3906的要求,測(cè)量電壓為額定電壓的1.1倍(即40.5 kV×1.1),并規(guī)定了企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)為單柜局放值不大于30 pC??紤]到產(chǎn)品緊湊布置、復(fù)合絕緣設(shè)計(jì)的特點(diǎn),為了更好地保證運(yùn)行可靠性,局放出廠檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)表中增加了對(duì)“局放起始電壓”的記錄,且該值應(yīng)不低于35 kV,相對(duì)于產(chǎn)品實(shí)際承受的相電壓(35/3 kV)已經(jīng)考慮了一定的裕度[3]。
10臺(tái)中有4臺(tái)產(chǎn)品局放異常,其中一臺(tái)的A相局放值大于30 pC,A、C兩相的起始電壓低于35 kV;一臺(tái)的B兩相的起始電壓低于35 kV;一臺(tái)的A、B相局放值大于30 pC,A兩相的起始電壓低于35 kV;一臺(tái)的B、C相局放值大于30 pC,C兩相的起始電壓低于35 kV。具體數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 MYS10局放測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表
首先,排查檢測(cè)設(shè)備是否存在故障或失準(zhǔn)。問(wèn)題發(fā)現(xiàn)后,利用前批次庫(kù)存合格產(chǎn)品和聯(lián)系其他同行企業(yè)的檢測(cè)設(shè)備,分別組織對(duì)相關(guān)的測(cè)試設(shè)備和手段進(jìn)行了復(fù)測(cè)、校核,證實(shí)了設(shè)備本身無(wú)故障,得出該批次產(chǎn)品的局放異?,F(xiàn)象確實(shí)存在[4]。
其次,利用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的便利特點(diǎn)和實(shí)際測(cè)試條件,通過(guò)對(duì)斷路器、三工位隔離開(kāi)關(guān)的依次合分操作,以及對(duì)調(diào)加壓方向,對(duì)故障產(chǎn)品的局部放電進(jìn)行分段、分區(qū)域測(cè)試,通過(guò)排查,期望能初步判定局放異常是否存在于相對(duì)固定的區(qū)域位置[5]。
為滿足用戶的使用和維護(hù)習(xí)慣,該產(chǎn)品采用的是線路側(cè)三工位隔離開(kāi)關(guān)(俗稱“下隔離”)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。并柜絕緣母線采用頂擴(kuò)方案,為實(shí)現(xiàn)單柜局放測(cè)試提供了便利,且測(cè)試加壓接口通用(均為標(biāo)準(zhǔn)的“C”型套管)。為了縮小排查范圍,第一步先把斷路器分閘,頂部母線套接地,從電纜室加壓測(cè)試并記錄局放值,數(shù)據(jù)顯示局放值較大。第二步將測(cè)試電壓調(diào)轉(zhuǎn)加到滅弧室靜端,從頂部套管加壓,測(cè)量結(jié)果顯示基本無(wú)局放。由此說(shuō)明本次局放異常的產(chǎn)生集中在斷路器動(dòng)端、三工位開(kāi)關(guān)、下分支母線、出線套管之間的區(qū)域,如圖4中的框選位置。
圖4 局放存在的區(qū)域位置
技術(shù)小組主要成員具備較長(zhǎng)期的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)積累,同時(shí)翻閱和參考了部分文獻(xiàn),并結(jié)合MYS10產(chǎn)品自身的結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn),經(jīng)過(guò)多次討論,分析認(rèn)為有可能導(dǎo)致在上述區(qū)域的局部放電超標(biāo)的要素大致可以概括為4個(gè),逐一對(duì)其進(jìn)行了排查分析和測(cè)試驗(yàn)證。
(1)電極形狀及表面質(zhì)量
就本產(chǎn)品而言,電極主要是指三工位隔離開(kāi)關(guān)的動(dòng)、靜觸頭,包括接地觸頭,如圖5所示。
圖5 三工位開(kāi)關(guān)觸頭結(jié)構(gòu)
拆開(kāi)故障產(chǎn)品,發(fā)現(xiàn)相關(guān)觸頭的最小過(guò)渡圓角半徑偏?。≧≤1 mm),且個(gè)別圓角表面存在粗糙打磨痕跡(手工返工處理),表面質(zhì)量也達(dá)不到要求,如圖6所示。顯然,該部分電極表面的小尖角和凹凸不平,造成局部電場(chǎng)的不均勻和電極表面的電暈起始電壓的較大幅度下降,從而導(dǎo)致了因電極表面電暈放電造成的測(cè)量局放值增加。
圖6 三工位開(kāi)關(guān)靜觸頭表面示例
選擇3臺(tái)問(wèn)題產(chǎn)品,分別對(duì)圖5中的每相裸露電極表面進(jìn)行表面和圓角修整,加大圓角半徑R≥2 mm,表面粗糙度不低于1.6~3.2 μm,并再次進(jìn)行表面處理。重新裝配后的復(fù)測(cè)結(jié)果顯示,其中有1臺(tái)的三相局放分別降至9 pC、4 pC、4 pC,達(dá)到了出廠要求,另外兩臺(tái)的數(shù)據(jù)略有改善但不明顯。需要說(shuō)明的是,該部分電極形狀及表面質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品的局放水平會(huì)產(chǎn)生一定的影響,電極過(guò)渡圓角的半徑加大,表面粗糙度減小,會(huì)導(dǎo)致局部放電值在一定程度上的減小。但就此次問(wèn)題來(lái)說(shuō),它并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大幅度改善,應(yīng)該不是最主要的原因[6]。
(2)絕緣件內(nèi)部缺陷
MYS10型充氣柜的三工位開(kāi)關(guān)采用的是絕緣主軸設(shè)計(jì),由3個(gè)獨(dú)立的絕緣分節(jié)軸(圖7)分別實(shí)現(xiàn)三相隔離觸頭的組合布置,是本產(chǎn)品內(nèi)部關(guān)鍵的絕緣部件之一。絕緣分節(jié)軸內(nèi)部安裝有兩個(gè)隔離刀片,三工位的操作通過(guò)分節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)3個(gè)位置的切換。絕緣分節(jié)軸的材料,選用的是熱塑性材料(尼龍加玻纖),形狀較復(fù)雜。很顯然,其材料配方和注塑工藝如果控制不嚴(yán)格,內(nèi)部比較容易出現(xiàn)氣泡、縮孔等缺陷,從而產(chǎn)生典型的絕緣材料內(nèi)部缺陷所導(dǎo)致的局部放電[7]。產(chǎn)生氣泡、縮孔等缺陷的主要原因大致有兩個(gè):一是材料本身的流動(dòng)性好壞,流動(dòng)性不好就容易造成一些拐角和尖端位置無(wú)法完全填充;二是注射壓力的大小,壓力如果不夠,同樣容易造成局部的材料缺失。
圖7 三工位開(kāi)關(guān)絕緣分節(jié)軸
從問(wèn)題產(chǎn)品上拆解了2個(gè)絕緣分節(jié)軸,先用普通工業(yè)用X光探傷儀進(jìn)行檢測(cè),未能發(fā)現(xiàn)明顯異常,懷疑其精度可能達(dá)不到要求,后來(lái)通過(guò)專門的醫(yī)用X光透視儀器對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行影像分析,果然發(fā)現(xiàn)了有幾個(gè)微小氣泡的存在(圖8中的數(shù)個(gè)細(xì)微黑點(diǎn))。
圖8 三工位開(kāi)關(guān)絕緣分節(jié)軸X光照片
聯(lián)系絕緣分節(jié)軸的供應(yīng)商,要求其通過(guò)優(yōu)化零件澆注口結(jié)構(gòu),加大澆注壓力,更換材料局部配方以提高澆注過(guò)程中的流動(dòng)性,嚴(yán)格執(zhí)行注塑后的溫度處理等整改措施。短時(shí)間內(nèi)重新制作了幾批絕緣軸,內(nèi)部氣泡的數(shù)量出現(xiàn)減少的趨勢(shì)(因?yàn)樽⑺芄に嚨牟牧锨疤幚頉](méi)有抽真空的要求,所以理論上無(wú)法完全避免)。挑選幾個(gè)氣泡數(shù)量少的絕緣分節(jié)軸,更換后重新裝配,測(cè)試,其局部放電有所改善(測(cè)試了3臺(tái),局放數(shù)據(jù)大致下降0~4 pC)。顯然,其改善的幅度并不明顯,應(yīng)該也不是本批產(chǎn)品局放異常最主要的原因[8]。
(3)電極和絕緣件的接觸間隙
如圖9所示,三工位開(kāi)關(guān)動(dòng)觸頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)絕緣分節(jié)軸的驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,所以觸頭側(cè)表面和絕緣分節(jié)軸之間是直接接觸的。顯然,這兩個(gè)面的接觸(圖9中藍(lán)色線所示)從微觀上來(lái)說(shuō)是點(diǎn)接觸,也就是說(shuō)這兩個(gè)面之間不可避免地存在多個(gè)乃至無(wú)數(shù)個(gè)氣體小間隙[9]。
圖9 絕緣軸與隔離觸頭的傳動(dòng)接觸面
為了提高仿真軟件的網(wǎng)格化速度,技術(shù)小組對(duì)該部分結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化。首先假設(shè)隔離動(dòng)觸頭和絕緣件表面存在1個(gè)氣體間隙(為了云圖觀察的效果,放大至肉眼可見(jiàn)的1×3 mm),該部分結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)仿真簡(jiǎn)化模型如圖10所示,利用軟件(QUICKFIELD)對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行了分析,所關(guān)注的電場(chǎng)分布結(jié)果如圖11所示,局部放大如圖12所示。根據(jù)圖示結(jié)果,該氣隙附近的電場(chǎng)強(qiáng)度(呈淡藍(lán)色)低于絕緣件的其他位置(呈深棕色),且變化梯度相對(duì)小,不具備一般情況下局部放電的明顯特點(diǎn)。隨后又將1個(gè)氣隙增加到3個(gè),得到的仿真分析結(jié)果基本類似,得出該位置的電極和絕緣件的小接觸間隙對(duì)局部放電值的影響可能并不十分突出。
圖10 絕緣軸與隔離觸頭接觸面的簡(jiǎn)化模型(1個(gè)氣孔)
圖11 絕緣軸與隔離觸頭接觸面的電場(chǎng)仿真
圖12 電場(chǎng)仿真結(jié)果的局部放大
選取4臺(tái)故障開(kāi)關(guān)中的1臺(tái)問(wèn)題開(kāi)關(guān)進(jìn)行了拆解,然后采用專門的涂料對(duì)絕緣分節(jié)軸對(duì)應(yīng)與銅觸頭接觸的表面進(jìn)行了局部半導(dǎo)體材料刷涂,目的是為了實(shí)現(xiàn)該區(qū)域絕緣表面以及小氣體間隙的等電位處理,因?yàn)橹苓叺牡入娢?,從而消除了微觀小氣隙可能對(duì)電場(chǎng)分布的影響(氣隙的外圍由銅導(dǎo)體和半導(dǎo)電材料表面所環(huán)繞,兩者均不存在電位差)。因?yàn)樾怏w間隙的邊界條件的等電位,其內(nèi)部的局部電場(chǎng)被均勻分布,失去了產(chǎn)生局部放電的重要誘因[10]。
對(duì)該臺(tái)開(kāi)關(guān)的零部件重新裝配后再測(cè)試,發(fā)現(xiàn)局部放電的測(cè)量值和之前的記錄基本沒(méi)有明顯的變化。因此得出,該位置的電極和絕緣件之間的傳遞動(dòng)力式接觸面的結(jié)構(gòu),理論上的小氣隙不可避免,局部電場(chǎng)分布存在不均勻,但該區(qū)域內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度較小,產(chǎn)生電暈放電的可能性也很小。就本批次的產(chǎn)品質(zhì)量異常來(lái)說(shuō),該因素可以不予考慮。
(4)電極和絕緣件間的小間隙及電場(chǎng)優(yōu)化
電極和絕緣件間的小間隙,一般來(lái)說(shuō)是中壓SF6充氣產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)比較約定俗成的絕緣設(shè)計(jì)隱患。矛盾的是為了要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的整體小型化設(shè)計(jì),這種電極和絕緣件間的小間隙又不可避免。
就MYS10產(chǎn)品現(xiàn)有結(jié)構(gòu)而言,三工位隔離開(kāi)關(guān)的每相傳動(dòng)鏈都存在一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副(圖13),其動(dòng)、靜觸頭通過(guò)專門的銷軸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式動(dòng)作。銷軸采取中間軸套配合,一端螺母實(shí)現(xiàn)軸向緊固。為了實(shí)現(xiàn)隔離觸頭相對(duì)地、相間的基本絕緣要求,該銷軸的螺紋末端和絕緣分節(jié)軸之間不可避免存在一個(gè)結(jié)構(gòu)性氣隙(距離尺寸定義為d)。這也是經(jīng)過(guò)幾輪排查后需要重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)環(huán)節(jié)。先后拆開(kāi)3臺(tái)故障產(chǎn)品和2臺(tái)局放合格產(chǎn)品的分節(jié)軸,一致發(fā)現(xiàn)該氣隙對(duì)應(yīng)的絕緣材料的另外一面,均有比較明顯的放電痕跡(圖14)。也就是說(shuō),該電極和絕緣件間的小間隙處存在不同程度放電的證據(jù)明顯[11]。
圖13 隔離開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)示意
圖14 隔離開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)銷軸對(duì)應(yīng)的分節(jié)軸另一側(cè)
分析認(rèn)為,因?yàn)樵摎庀冻叽巛^小,且螺紋末端沒(méi)有按要求作倒圓角處理,二者的疊加效應(yīng)造成該部位的局部電場(chǎng)分布極不均勻,且場(chǎng)強(qiáng)值相對(duì)較大,很有可能是產(chǎn)生較大局部放電的一個(gè)大概率要素。
對(duì)該連接銷結(jié)構(gòu)的零件采用機(jī)加工再處理,同時(shí)考慮到螺母緊固的可靠性要求,將該緊固螺栓的總長(zhǎng)度減小了3 mm(相當(dāng)于氣隙尺寸d加大了3 mm),同時(shí)對(duì)其末端采取倒圓角R1.5 mm的處理,其目的就是要減小該氣隙處的電場(chǎng)強(qiáng)度,同時(shí)優(yōu)化該氣隙處的局部電場(chǎng)的均勻分布(相對(duì)來(lái)說(shuō))。處理后之后對(duì)5臺(tái)開(kāi)關(guān)進(jìn)行了重新裝配,發(fā)現(xiàn)局放測(cè)試的結(jié)果非常明顯地得到了改善,產(chǎn)品整體局放值均在5 pC以下,且局放起始電壓提高至42 kV及以上(最高超過(guò)54 kV),完全滿足產(chǎn)品內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)(不大于30 pC)要求[12]。由此說(shuō)明,該因素是造成本次產(chǎn)品局放問(wèn)題的核心因素。
將這個(gè)環(huán)節(jié)的改進(jìn)措施復(fù)制到本批次其他之前局放測(cè)試合格的產(chǎn)品,改善效果同樣顯著。再綜合了一定批量后續(xù)產(chǎn)品的跟蹤驗(yàn)證,決定將MYS10的出廠局放測(cè)試內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)提高到10 pC以內(nèi)。
通過(guò)對(duì)可能造成本批次35 kV充氣環(huán)網(wǎng)柜局部放電量增大的原因進(jìn)行逐一分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,通過(guò)采取以下3種措施并舉,最終將局放檢測(cè)數(shù)據(jù)控制在合格范圍之內(nèi),同時(shí)將產(chǎn)品局放的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)由不大于30 pC提升到10 pC以內(nèi)。
(1)對(duì)三工位隔離開(kāi)關(guān)的動(dòng)、靜觸頭,包括接地觸頭等電極形狀及其表面質(zhì)量按圖紙要求嚴(yán)格控制,保證圓角半徑R≥2 mm,表面粗糙度不低于1.6~3.2μm。
(2)對(duì)三工位隔離開(kāi)關(guān)的絕緣分節(jié)軸的材料進(jìn)行更換以提高其流動(dòng)性,優(yōu)化澆注工藝,控制內(nèi)部缺陷(氣泡)的生成。
(3)縮短三工位隔離開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副的緊固件長(zhǎng)度(減小3 mm),并對(duì)端部增加圓角處理,以增大電極和絕緣件間的氣體間隙并優(yōu)化局部電場(chǎng)[13]。
伴隨著10 kV~35 kV中壓充氣柜的應(yīng)用越來(lái)越普及,對(duì)產(chǎn)品的局放控制作為影響長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo),也越來(lái)越受到各制造廠和運(yùn)行單位的高度關(guān)注。不同廠家的產(chǎn)品可能在結(jié)構(gòu)上或多或少存在一些差異,但也存在一些共性要素。電極形狀及其表面質(zhì)量、絕緣件內(nèi)部缺陷、電極和絕緣件間的小間隙及電場(chǎng)優(yōu)化等是可能會(huì)影響產(chǎn)品局放性能的幾個(gè)重要因素。針對(duì)不同的電壓等級(jí),不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu),各因素的影響程度會(huì)有所不同,就本文所涉及的MYS10型海上風(fēng)電專用35 kV充氣環(huán)網(wǎng)柜來(lái)說(shuō),盡可能地加大電極和絕緣件間的小間隙及優(yōu)化該區(qū)域的局部電場(chǎng)分布,是上述幾個(gè)影響局放因素中的最核心因素。