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关于配电网建设中配网设备选型的探讨
2018智能电网增刊
张 嵩,刘 洋,王秋筠,周 洁,张 楠,赵 芃,刘 丽
国网冀北电力快乐赛车经济技术研究院,北京 100038
摘要: 我国电能质量问题和停电造成的经济损失及其社会影响越来越大,高可靠性和高质量的电能成为打造高品质产品、吸引国内外资本、促进产业结构优化和升级的重要基础条件。通过对比分析国内大城市与东京巴黎新加坡等国际先进城市在配电网设备技术选型、配置原则、质量保障等方面的差异,结合配电网设备技术升级的发展方向,提出配电网设备水平的提升改进的方向。
中图分类号: TM72
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2018.S1.069
Abstract:
Key words :

0 引言

    经济结构转型和城市化进程对配电网建设提出了新要求。随着我国城市化进程不断推进,《国家新型城镇化规划(2014~2020年)》提出京津冀、长江三角洲等京津沪江浙等大都市的发展“以建设世界级城市群为目标”,“建设区域生态网络”,“发挥其对全国经济社会发展的重要支撑和引领作用”。《国务院关于加强城市基础设施建设的意见》也要求“进一步加强城市配电网建设”。一流城市迫切需要一流配网支撑,配电网作为城市发展基础设施,面临新的发展机遇。

    新能源发展和新技术应用对配电网建设起到了促进作用。随着分布式清洁能源发电的推广,电动汽车、电采暖和储能等多元化负荷发展,配电网由“无源”变为“有源”,潮流由“单向”变为“双向”,需要“源网荷”协调发展,是建设一流配电网的源动力。而伴随“大、云、物、移”、增强现实技术(AR)、人工智能(AI)、虚拟现实技术(VR)、机器人、无人机等技术的发展和进步,配电网智能化发展技术基础日益坚实,是建设一流配电网的助推力。

    本文针对10座大型城市,开展世界一流城市配电网建设,范围覆盖市域10(20)千伏及以下电网。通过对比分析国网十座大型城市与东京巴黎新加坡等国际先进城市在配电网设备技术选型、配置原则、质量保障等方面的差异,结合配电网设备技术升级的发展方向,提出十座大型城市配电网设备水平的提升改进的探讨。

1  现状及差异分析

    通过对国内外配电网装备水平调研,对比分析国内10个重点城市与巴黎、东京、新加坡等世界典型发达城市配电网设备的异同,为一流城市配电网装备水平提升指明方向。

    近年来,配电变压器建设改造力度较大,10个重点城市配变中,运行10年以下的配变占70%,在运配变主要型号有S9、S11、S13、SH15、SCB10和SCB12等。

    据有关资料统计,近20年来干式变压器得到了迅猛发展,随着城市电缆化率的不断提高和配电站房的普及,干式变压器占比愈来愈大,如欧美发达国家已占50%以上;我国起步晚,近年约占到3%-5%,大中城市中约占20%-30%。

    国内配电变压器技术经济指标已与国外处在同等水平,但配电变压器作为电网终端产品,相对主变来说技术含量不高,入网门槛低,价格体系低,竞争激烈,部分厂家质量工艺要求降低或过程控制不到位,导致部分配变存在质量问题。从配电变压器质量监督情况看,配电变压器质量问题主要有:

    (1)未按照设计图纸、技术规范等设计制造,或制造工艺控制不佳,造成组部件尺寸偏差、变压器内部存在异物、线圈存在毛刺、浇筑过程中真空不彻底、本体密封质量不良、绝缘缺陷、噪音偏高等问题。

    (2)组部件或绝缘油材质控制不到位,导致密封件易老化、硅钢片性能差、绝缘液试验不合格、绕组直流电阻不合格、损耗大等问题。

    (3)个别制造商为了节约成本,以次充好,偷工减料,存在以铝代铜、使用二次硅钢片和绝缘油等问题。

    目前,国内配电线路架空绝缘化率较高的城市为厦门、宁波、杭州,分别为100%、94。32%和90。00%;配电线路电缆化率较高的城市为厦门、上海、北京,分别为74。71%、70。42%和57。77%。

    架空绝缘导线主要由导体、绝缘组成,一般采用铝绞线和承载型钢芯铝绞线做导体,常用的绝缘材料有交联聚乙烯、聚氯乙烯和聚乙烯等。

    中压电缆主要由导体、绝缘、外护层组成。中低压电缆生产工艺较成熟,一般采用铜做导体,交联聚乙烯作为绝缘材料。

    架空绝缘导线/电缆生产环节中大量使用的橡胶、聚氯乙烯等高分子化工材料等材料会对环境带来影响,因此采用环境友好型电缆符合环保未来发展趋势。

    架空绝缘导线常见问题如下:

    (1)雷击断线,由于雷击短路故障,破坏绝缘层,造成导体熔断事故;

    (2)绝缘进水,导体氧化。在线路施工的终端、接口及“T”接头处绝缘护层处理不当,水份进入绝缘内部,与导体发生氧化反应,产生氧化物并腐蚀导体。

    (3)架空绝缘导线的质量问题主要为偏心度超标、直流电阻超标、绝缘收缩、绝缘热延伸、导体直流电阻等试验不合格。导致绝缘热收缩不合格的主要原因,一是原材料质量不合格,如一些企业为降低成本,采用普通聚乙烯绝缘料代替交联聚乙烯绝缘料;二是工艺控制不到位,如交联不充分、挤出速度太快、挤出模具大等。导致绝缘热延伸不合格的主要原因,一是原材料质量存在问题,如原材料不合格、混料不均匀、交联剂配比不合适等;二是生产工艺控制不到位,如挤出温度偏低、接枝不充分、温水交联时水温偏低或温度不均匀、交联时间偏短等。导致直流电阻项目不合格主要原因,一是导体原材料材质不纯,造成电阻率偏大;二是导体截面积偏小。

    配电电缆常见问题有:

    (1)电缆终端和中间接头在制作过程中施工工艺不良破坏了电缆绝缘层,在运行过程造成绝缘击穿;

    (2)接头压接工艺不良造成接触电阻增大,导致中间接头过热;接头应力管长度不良,造成屏蔽层断口处电场应力集中导致绝缘击穿;

    (3)接头密封不严进入水气,长期潮湿运行使绝缘发生水树老化。

    (4)电缆生产制造的质量问题主要为偏心度超标、直流电阻超标、绝缘收缩、绝缘热延伸、导体直流电阻等试验不合格。导致绝缘热收缩不合格的主要原因,一是原材料质量不合格,如一些企业为降低成本,采用普通聚乙烯绝缘料代替交联聚乙烯绝缘料;二是工艺控制不到位,如交联不充分、挤出速度太快、挤出模具大等。导致绝缘热延伸不合格的主要原因,一是原材料质量存在问题,如原材料不合格、混料不均匀、交联剂配比不合适等;二是生产工艺控制不到位,如挤出温度偏低、接枝不充分、温水交联时水温偏低或温度不均匀、交联时间偏短等。导致直流电阻项目不合格主要原因,一是导体原材料材质不纯,造成电阻率偏大;二是导体截面积偏小。

    截至2016年底,10个城市配电自动化配置了5.3万台三遥终端、1.2万台二遥终端。其中南京、厦门的配电自动化覆盖率较高,超过90%。

2  国内外差异分析

2.1  配电装备差异分析

2.1.1  配电变压器

    配电变压器方面,使用节能环保型配电变压器是配变发展的新趋势,美国、欧洲、日本等发达国家主要倾向于新型材料、新结构、新型工艺节能配变的研发及应用,相关技术水平较成熟,投运率较高。近年来,国内开始大规模应用非晶合金铁心配电变压器、立体卷铁心配电变压器、有载调容配电变压器、13型及以上系列节能配变,且运行稳定性及经济效益良好。

2.1.2  配电开关

    配电开关技术方面,欧、美、日等发达国家受环境保护和能源政策以及现代新技术的驱动,配电开关技术发展很快。配电开关在国内一直未能得到有效重视,技术改进和研发支撑不够,缺乏相应的技术政策与标准规范。国内大多数配电开关企业仍处于仿制、跟随阶段,缺乏核心技术,产品质量良莠不齐,在稳定性和可靠性方面与国际知名产品存在着较大差距。受成本和技术的双重影响,国内配电开关产品的标准化程度低,互换性差,智能化程度低、一二次融合程度低。

    配电开关应用趋势方面,考虑到环境污染问题,目前国际上使用环保绝缘气体替代SF6是一个发展方向,少维护或免维护的充气柜也成为开关设备新的发展方向。欧美发达国家在户内或运行环境较好的条件下较多使用空气绝缘开关设备,户外较多使用充气式开关设备;日本较多使用固体绝缘或全密封充气式开关设备,且基本已实现全覆盖。近年来,环保型充气柜及固体绝缘开关柜开始在国内试点应用,正在积累应用经验。

2.1.3  配电终端

    在配电终端方面,国外著名电力设备制造厂商(如ABB、GE、ALSTOM、SEL、Schneider等)均生产制造配电终端,但没有统一的标准。国内目前终端已有了一系列的标准,规范了配电自动化终端的有序发展,同时各种新技术也应用于配电终端,提高了终端的运行水平。配电终端可靠性和可维护性有待提高。

2.1.4  配电线缆

    在线缆方面,国内架空绝缘电缆普遍采用单芯型结构或平行集束结构,国外(非洲、南美洲、美国等)多采用多芯拧绞结构。另外国外单芯结构导体多采用铝合金。

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    国内外对比结果来看,公司经营区世界一流城市配电网试点城市目前在运配电设备种类较多,通用性、互换性较差,存在部分配电设备和电缆质量参差不齐、缺陷多发等问题,配电网设备标准化程度与质量水平有待持续加强。

2.2  状态检测差异分析

    法国巴黎和日本东京地区的配电网已经趋于成熟,供电可靠性达到了较高的水平,开关设备也已经趋于标准,因此状态检测技术应用与国内情况差别不大,目前仅检测开关设备的位置及电流电压信号,对于温度、局放等状态数据未大面积进行检测。

    新加坡大范围开展了状态检测工作,并将其作为日常巡检工作中的主要手段,目前已成为世界上状态检测应用最好的电网。新加坡电网虽然拥有比肩乃至超过东京、巴黎的电网架构和自动化策略,但在实施状态检测前平均停电时间也维持在几分钟级。新加坡主要的配网22千伏网架和辅助的6.6千伏网架设备主要采用了振荡波、超声波、地电波、红外热成像等离线状态监测技术,及时监控运行设备的状态,对电缆外护套耐压试验与路径精细定位、进行0.1 Hz余弦方波交流耐压试验和电缆振荡波局放测试。借助全面开展状态检测后,80%采用状态监测,20%采用检修维护,大量缺陷隐患可以被提前发现,将被动故障抢修转变为计划检修,极大提升了供电可靠性,入网设备质量得到了保证,主设备检修停电周期和使用寿命明显加长,用户年平均停电时间发生了数量级的变化,从几分钟降低到了0.5分钟。因此开展状态检测是我们提升供电可靠性的有效手段。

    配网设备的状态检测在国内刚刚起步,在全面推进带电检测的过程中,存在设备配置不全面、设备可靠性低、质量差、故障率高、检验装置无标准、评判标准不完善、历史数据和案例库匮乏,影响状态评价。同时此项工作刚起步,总体的技术水平相较国外仍需加强,日常巡检中也要提升状态检测的比例,转换思维,将被动工作转为更加主动。

    由国外引进的先进检测手段和技术通过国内适应化改进使得国内带电检测的技术手段和类型和国外对比以无明显差异,只是在检测仪器设备的本土化研发、制造水平上差异明显。由于国内外电网运行条件和实际情况有所区别,引进的先进检测手段和技术必须通过国内适应化改进才能正确的反映国内电网实际运行情况的故障分析。例如,一些发达国家电网设备中的开关柜类设备制造工艺、运行条件等要明显优于国内,国外对开关柜暂态地电压检测数据的数值评判标准较为严格,而此标准如果直接应用于国内电网中开关柜类设备的暂态地电压数值评判就显得过于严格,它受制于国内电网运行条件和环境因素。因此,引进国外先进试验技术的同时要定制适用于国内电网实际情况的评判标准。

3  配电网设备新技术

    随着经济社会的发展,新一代智能配电网建设对配电网设备新技术和新产品提供了更高的需求,环保型、免维护、高可靠性、智能化成为新一代配电装备的发展方向,节能型配电变压器、环境友好型开关设备、少维护或免维护开关设备以及一、二次融合智能开关设备成为新的发展热点。

3.1  环境友好型(少/免维护)开关设备

    气体绝缘开关柜因其体积小,高压绝缘不受外界环境的影响,不易老化;所有高压元件密封在充气的金属壳体内,特别适用于高海拔、严寒、潮湿、污秽等恶劣环境,因而适合于满足高可靠性,少/免维护的需求。按绝缘介质分类如下:

    (1)SF6气体绝缘

    主绝缘采用SF6气体,采用真空灭弧,所有高压元件密封在充气的金属壳体内,为微正压力系统,气箱发生漏气故障,仍在零表压时维持足够的绝缘强度不会影响正常运行,气箱防护等级达到IP65,能够有效隔离外界环境的影响。可在高海拔、低温、潮湿、盐雾、污秽等恶劣环境条件下安全使用,环境适应性强,但是需考虑SF6气体检测与防护。

    (2)常压空气绝缘

    主绝缘采用常压空气,开断元件采用真空灭弧室,箱体密封采用带有压力平衡装置常压密封箱体,气箱体防护等级达到IP65。能够有效隔离运行环境的污染,降低气体泄漏风险。因而具有良好的环境适应性,从而可以适用于运行环境复杂,污染、湿热环境地区的应用,但是只适用于2000米以下海拔地区应用。

    (3)干燥空气绝缘

    主绝缘采用微正压干燥空气(气箱的气压不高于0。04MPa表压),开断元件采用真空灭弧室,采用全金属密封结构、辅以少量固体绝缘作支撑件,气箱防护等级达到IP67。高压元器件均密封在可靠接地的气室内,避免了人员触及带电体的可能性;可以大量使用在非独立建筑的配电室;对环保要求和供电可靠性要求高的地区;偏远、交通与运输不便、不易巡视维护的地区;运行环境恶劣的地区(沿海、潮湿、高热、严寒、高海拔、具有腐蚀性化学气体或污秽严重地区等)。

    (4)纯N2气体绝缘

采用N2气体作为绝缘介质,其他技术方案及外形尺寸与SF6绝缘开关柜完全相同,与前者相比较,无温室气体排放绿色环保,配电站设计无需考虑SF6气体检测与防护。

    (5)非SF6混合气体绝缘

    采用新型环保混合气体为主绝缘介质,真空灭弧室作为主开断元件,采用全金属密封结构,辅以少量固体绝缘作支撑件,正常运行时为微正压(气箱的气压不高于0.04 MPa表压),气箱防护等级达到IP65。高压带电体均密封在气室内,外界环境对于开关柜没有任何影响。

    这种新型环保混合气体基于氟化酮,在运输过程中呈液态,在填充到开关设备的过程中蒸发且混合,该混合气体在大气中存在时间很短(大约为15天,而SF6在大气中存在的时间为3200年),全球变暖潜能值(GWP–Global Warming Potential)不到1,不但避免了温室气体SF6的使用,同时还可以将GWP从SF6的22800降低到小于1,从而在全寿命周期的角度减少了产品对环境的影响,另外其绝缘能力、耐电强度等特性指标与SF6相似,是可替代SF6的新型环保气体。

3.2  节能型配电变压器

    (1)S13型平面叠铁心变压器,采用新型绝缘结构,提高了抗短路能力,铁芯由高质量冷轧晶粒取向硅钢片制成;高、低压绕组选用优质无氧铜线并采用多层圆筒式工艺结构;所有紧固件均采用特殊防松处理,机械强度高,空载损耗较S11降低30%。缺点:与S13立体卷铁心比较,磁路不平衡,与非晶合金比较,空载损耗略大。

    (2)S13型立体卷铁心变压器,三相磁路对称,三相空载电流和空载电压平衡对称,减少了空载电流畸变和三次谐波分量,提高供电质量,空载电流、空载损耗和运行噪音相对较低。缺点:加工工艺复杂,生产周期长,出现问题后维修困难,必须整体返厂修理。

    (3)SCB12型干式变压器,机械强度高,抗短路阻抗能力强,过负载能力强,热稳定好,使用寿命长,无油,防火性能高,空载损耗和空载电流小。缺点:不能裸露在户外使用,浇筑后的环氧树脂不能降解。

    (4)SH15型油浸式非晶合金配电变压器,突出优势是空载损耗和空载电流非常小,采用非晶合金做铁心比采用硅钢片做铁心的S9型变压器空载损耗降低70%,空载电流下降约80%。缺点:非晶体无法回收利用,非晶的铁心在制造过程中易产生碎片,控制不当易造成变压器烧毁。

    (5)SCH15型干式非晶合金配电变压器,空载损耗低、无油、阻燃自熄,免维护。缺点:不能裸露在户外使用,浇筑后的环氧树脂不能降解,噪音较同等级硅钢片变压器略大。

    (6)SH17型非晶合金配电变压器,在安全性、稳定性和节能性方面较S13及SH15型变压器有了较大程度的提高, S17型非晶合金配电变压器,空负载性能均优于目前市场主流的SH15型配电变压器(空载损耗及负载损耗在SH15的基础上下降10%),SH17型变压器的大力发展与应用将对配电网的能效提升提供强有力的支撑。缺点:未批量使用,行业内无相关标准。

3.3  电力电缆/架空绝缘线

    电力电缆方面,铝合金电缆相对于铜芯电缆的成本低,但是载流量小,要满足与铜导体电缆相同的载流量,铝导体电缆截面积应上升1~2档,在管孔、开关柜中安装不方便;铝合金的耐高温能力弱,铝的熔融温度为660℃,铝合金电缆不适用于耐火电缆;连接可靠性差,电缆安装过程中连接工艺控制困难。

    架空绝缘导线方面,采用6201系列铝合金导线,机械强度高、电缆拉重比大,架设档距大(档距最大可达200 m),抗腐蚀性、耐热蠕变性能好;但此类型导线较同等截面普铝的导电性能略差。

3.4  配网设备一二次融合

    通过提高配电一、二次设备的标准化、集成化水平,提升配电设备运行水平、运维质量与效率,满足线损管理的技术要求,服务配电网建设改造行动计划。

4  状态检测发展趋势

4.1  停电试验

    由于配电网的设备面广量大,无法定期开展停电检测,以故障事后检测为主。目前国内开展的停电试验尝试主要是在配电电缆方面,但因配电电缆的状态检测手段应用相对较少,传统主网电缆状态检测方法对配网电缆的检测适用性有待验证。因此,应着重探索配网电缆有效的状态检测方法。

    开展阻尼振荡波局放检测等试验工作,评估电缆接头制作质量,对电缆线路工程整体质量进行严格把关。开展配网电缆线路低频介损测量、耐压试验、局放检测工作,评估电缆线路整体老化状态尤其是长期运行电缆寿命,对高水位、潮湿地区电缆绝缘水树状态以及电缆损耗参数进行有效检测。

4.2  带电检测

    近年来,对输变电设备开展了以带电检测为重要技术手段的状态检修工作,取得了很好的效果,避免了大量电力设备故障的发生。然而,配网设备带电检测技术的推广应用一直面临巨大阻力,原因在于:

    (1)配网主设备的带电检测尚缺乏行之有效的实用化技术手段和装备仪器,一些试点的配网带电检测技术只能采用输电网的带电检测设备,灵活性不强、限制条件多、参数设置针对性差,严重阻碍了配网带电检测工作的开展和推广。

    (2)配网设备数量众多,现有的带电检测装备功能单一,缺乏集多功能带电检测于一体的检测装备,检测人员需要携带多种类型检测装备至现场,很难单人完成带电检测工作,且现场操作复杂、工作量大、结果判定技术要求高。

    (3)配网设备的数量数百倍于输变电设备,且种类繁多、型号结构相距甚远、地域覆盖范围广、所处环境条件复杂多变,人员相对而言配置不足,简化对人员的技能要求、提高数据管理效率是推广带电检测的关键之一。

5  结论

    本文以配电设备现状、状态检测现状、质量保障体系现状三个维度,通过对大型城市与世界典型发达城市进行对比分析,有效评估了国内外差距和未来发展趋势,在此基础上提供相应改进措施和建议,相关内容总结如下:配电设备方面,配电设备呈现出以环境友好、节能型、智能化、一二次高效融合为特点的发展趋势;状态检测方面,配网状态检测应充分利用红外测温、局放测试、电缆振荡波等技术,对配电开关、配变、线缆等开展设备定期检测和动态检测;并加强对状态检测数据分析应用,建立配网带电检测典型案例库和信息共享交流平台,准确掌握配网设备状况,提高检测效率。

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张  嵩,刘  洋,王秋筠,周  洁,张  楠,赵  芃,刘  丽

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