魁北克水电研究所研究能力分析

于春来,刘 洋,朱学成,兰公煜

(黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030)

魁北克水电研究所研究能力分析

于春来,刘 洋,朱学成,兰公煜

(黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030)

为开展低温电力设备研究、建立相应的低温环境试验条件,通过对魁北克水电研究所实验室的调研,梳理了魁北克水电研究所主要的户外试验场和高电压试验室布置概况,分析了魁北克水电研究所在低温研究方面的试验条件和研究能力,为未来黑龙江省低温试验基地的规划和建设提供参考。

高压试验;低温;电力设备

未来高寒地区特高压建设和“一极一道”战略的实施对低温环境下电力设备的可靠性提出了巨大挑战[1]。低温地区电力系统的可靠运行需要依靠低温适应能力强、可靠性高的各种电力设备,因此需在较高技术水平的研究平台上开展有针对性的实证性研究和特定温度下的定性、定量研究以满足未来特高压电网建设和运行的需要。中国在特高压建设初期针对高海拔、直流特高压输电和交流特高压输电特异性技术的研究分别建立了相关的实验基地[2-5]。在特高压电网建设进入东北、蒙东、新疆等低温地区之前,现有实验基地的研究能力已经无法满足低温地区电力发展的需要,亟待建设相应的研究平台。目前国内在低温试验基地的规划、试验布局等方面缺乏参考依据和经验,有必要进行相关内容的调研和分析。

本文通过对加拿大魁北克水电研究所(Hydro-Quebec’s Research Institute,IREQ)的试验条件和研究能力开展调研[6-7],为未来低温电力研究实验室建设提供参考,对建立高水平研究平台和高质量完成相关研究具有借鉴意义。

1 魁北克水电研究所概况

加拿大魁北克省在气候类型和电网结构上与中国的高寒地区电网建设和未来“一极一道”战略实施具有较强的相似性。魁北克省占地广阔,极北地区属极地和副极地气候,气候严寒,省内多数大型水利设施位于北部的拉格朗德河(La Grande River)等大型河流上。人口稠密地区在南部的圣劳伦斯河地区,因此,魁北克的电力系统呈现出北部为电源中心,南部为负荷中心的远距离南北分离的结构(如图1所示)。

魁北克水电研究所是一个世界级的研究中心,2013年共有526名雇员,其中267名研究人员,研究人员中博士学历和硕士学历均达到40%,技术人员为125名。2015年预算达到1.35亿美元,每年同时开展约100个项目的研究开发工作,与全球超过250个单位合作。累计已获得1100项专利,发表了上千篇科学论文。魁北克水电研究所具有较完善的试验装备和先进的高电压实验能力,尤其在电池材料和电力巡检机器人方面处于世界领先,在高寒地区电力研究方面也具有一定的影响力。

图1 魁北克电网概貌

2 魁北克水电研究所实验室

2.1 实验室概况

20上世纪60年代末,魁北克政府授权魁北克水电局建立包括高压试验室在内的水电研究所[6],以满足北美和其他地区在电力工业方面的试验和研究的需要。魁北克水电研究所概貌如图2所示。虽然在当时超高压输电刚刚起步(1965年加拿大首先建成735 kV超高压输电线路),但考虑到将来对远距离输电研究的需要,高压试验大厅设计的最高电压等级达到了1500 kV。在当时的技术和经济条件下建设如此高电压等级的实验室极具挑战性,即便以现今的眼光来看,特别是从目前中国特高压试验的要求角度,这个试验大厅至今仍然能够发挥研究作用,可见当时专家们的远见卓识。虽然在刚开始建设时投资较大,但较高的技术指标能够保证50年后都不过时,实际上节省了大量后期重复建设的投入。

图2 魁北克水电研究所概貌

在建设之初,魁北克水电研究所决定同时建1个户外试验场(包括试验笼和试验线段)和2个室内试验室(高压试验大大厅和环境试验室)。魁北克水电研究所的最初设计和试验大厅如图3和图4所示[6]。

图3 高压试验设施布置图

图4 试验大厅外景

2.2 户外试验场地

魁北克水电研究所的户外线路测试场地主要用来测试高压导线的电晕特性和机械特性。输电线路导线电晕的户外试验设施,由试验线段和2个试验笼组成。除了试验线段和试验笼可用于交流1500 kV系统和直流1200 kV系统的分裂导线的电晕试验外,针对高压输电线路的机械特性,该场地还可以进行微风振动测试、导体舞动测试、动态和静态负载测试、脱冰测试、线路机械疲劳测试等内容。针对魁北克历史上多次冰灾引起的电力事故,研究所还利用该试验场地进行了线路覆冰、线路舞动、线路防振等方面的研究。

试验场地的每基终端塔的横担都是可移动的,能在不同的高度上固定下来,使导线的呼高从18.3 m变到26 m,每调整一次的距离为1.5 m。此外,在横担上布置有多个导线悬挂点,可以变化分裂导线之间的距离,从12 m变到23 m,每次调整也是1.5 m。试验线段是长300 m左右的一档线,在2个终端塔之间可以悬挂1组或2组分裂导线,分别用于研究交流单相试验(直流单极性)或直流双极性试验。测试线路图和测试线路外景图如图5和图6所示。

2.3 高压试验大厅

试验大厅长82 m、宽67 m、高50 m,电磁屏蔽能力达到50～60 dB(1MHz)。试验能力能够达到交流电压最大1 800 kV或直流电压最大1200 kV 、全波或截波雷电脉冲(最大5 400 kV)、操作冲击(2 700 kV)。此外还能进行交流、直流混合雷电或操作冲击、电流脉冲;无线电干扰电压测量;电晕检测;局部放电检测;油、气高压检测;电容损耗角测试;温升测试;损耗测试等试验内容。

图5 测试线路图

图6 测试线路外景图

可进行试验的试品包括:断路器、电缆、线路金具、绝缘子、套管、避雷器、并联电抗器、空心或铁芯电抗器、互感器(电流互感器及电压互感器)、电力变压器、消弧线圈、气体间隙设备、配电电缆、分裂导线、高压测量和测试仪器、带电作业工器具等,如图7所示。

事情是这样的，我们的记者发给戴亚伦的采访提纲里，有一个问题是“在职业生涯中一共尝过多少款葡萄酒？”认真的Darius看到这个问题，他花了整整一个星期去思考和整理他的答案，结果最后梳理出来的数字把他自己也吓到了：“保守估计250万款酒。”侍酒师职业很特殊，“在餐厅当侍酒师时，客人点酒后，我们会按照程序先给客人展示酒标，然后开瓶。为了保证客人尝到的酒的品质，我们会按传统先倒少量的酒进行品尝，没问题后再给客人尝试。”他还严谨地补充，这250万瓶酒包含了同一款葡萄酒的不同年份。审稿时，看到这个数字，我也惊呆了，赶紧求证，但连续两次，同事都很确定地告诉我，没有弄错，的确是250万瓶。

图7 高压试验大厅内景

2.4 环境实验室

魁北克水电研究所环境实验室拥有能够模拟多种气候类型的试验装备,环境实验室参数如表1所示。

能够开展的环境试验包括:低温-高温试验、热循环试验、热循环和可控湿度试验、热冲击试验、淋雨和冻雨环境试验、冰和湿度环境试验、加速老化试验、盐雾试验、力学环境试验、特殊环境下的功率测试、浸水试验、太阳辐射试验、模拟环境下的力学和电学试验等。

表1 环境实验室参数

3 魁北克水电研究所实验室特点分析

3.1 户外试验场地

研究魁北克水电研究所的建设考量,特别是在规划方面的思路和取舍,对于规划高水平低温试验场地具有较大的现实意义。魁北克水电研究所在规划高压试验室时,曾考虑过采用户外试验场代替户内试验室以便减少费用的问题。但通过分析,户外场地具有以下局限性:

1) 效率较低。户外试验场地的起重和支撑设施不像室内大厅完备,户外试验效率比户内试验要低。

2) 受天气影响严重。由于气候条件的影响,如雨、雪、大风等(例如蒙特利尔的一月中日平均气温为-10.4 ℃,平均最低温度达到-14.9 ℃),难以保证试验随时进行。

3) 气候因素对试验结果影响大。由于气候条件引起的变化不可控制,使外绝缘试验的重现性受到影响,难以复现试验过程,所得到的试验数据无法比较,因此试验得到的数据价值较低。

4) 户外试验场地在满足试验要求的情况下,仍然需要相当先进的起重和支撑设备、重件运输所需的基础、压缩空气、水和电力供应等设施和满足要求的接地系统,实际上建设户外试验验收场地的投入并不比建设室内试验场投入低。

未来在规划中国低温试验场地时,户外场地的建设同样可以借鉴上述分析。户外场地难以控制环境因素但是也具有两大优势:一方面是能够实现超大尺寸的试验装置,例如架空导线,特别是大跨越导线振动方面的研究,如此大尺寸的试验对象是难以在实验室中完成的;另一方面,自然环境的实证性研究是任何人工环境室难以替代的,因此非常有必要在与实际环境完全相同的自然环境中运行实验以检验设备的有效性和可靠性。

3.2 高压试验大厅

魁北克水电研究所高压试验大厅在设计之初主要考虑了以下几个方面。

3.2.1 试验环境控制。

试验的气候条件作为一个重要因素,魁北克水电研究所设计之初就做了细致的考量。其出发点是:尽可能使试验条件接近标准状态,即气压1013 mPa,相对湿度约65%,气温20 ℃或25 ℃。考虑到魁北克的气候条件和建设成本的限制,魁北克水电研究所的高压大厅没有对气压进行控制,但是结合自身的气候特点对温度和湿度采取了一定的措施。在设计上主要采用了以下方法:

1) 大尺度空心结构设计。天棚、墙和底板均为空心结构,其中天棚为总厚度8 m的两层空心结构,墙的空心夹层为3.65 m,在墙和天棚外层还分别安装了300 mm的绝热材料层。底板下为深2 m的地下室。大尺寸的空心结构与体量巨大的大厅相适应,最大限度隔绝外部气候的影响[7]。

2) 冬季温度控制。主要依靠大厅夹墙里装有的500 W电热器分七层对空气加热,以减少空气对流;另一部分热源来自天棚顶安装的200 W照明装置。此外考虑到大厅开门后厅内外将有空气交换,在靠近门口的地平面安装了250 kW电热器来加热入侵的冷空气。

3) 在夏季由于阳光照射,外墙与屋顶变得很热。为了防止建筑物内部特别是两墙之间变得过热,安装风机引入室外空气经两墙之间或两层天花板之间循环，虽然不能完全控制大厅内部的温度,但是能够最大限度减弱外部天气的影响。这样在夏天大厅内的温度只随户外气温昼夜平均值变化,而不是随时间发生很大的变化。

4)对于湿度的控制,高压试验大厅的天棚、墙均采用塑料夹层隔绝大厅和外部的水汽交换,夏季可以避免水汽进入大厅,导致大厅内湿度突然增加。在冬季通过加湿方法对干燥的空气进行加温以达到试验要求的湿度。

3.2.2 空间规划

魁北克水电研究所考虑到很多试验并不需要大厅的全部空间,所以用非永久性的栅栏把大厅分成3个独立的较小试区,并各有它自己的控制室。试验厅内有4个控制室,第4个控制室供户外试验场用。户外试验场经过16.7 m×25 m(高)的滑门和大厅相连通。

辅助厅的内部尺寸为72 m×62 m×9.3 m(高)。辅助厅中央的主要部分用来安装被试品,也可用于大型电力变压器的例行试验。厅的一侧是污秽试验室,另一个未作规定的试品区。辅助厅中间在变压器试验区上空有一个附加高度为10 m的箱形空间,这里安装3只高压套管,从外面引来三相电源。

3.2.3 实验室设备运输

实验室内部有气垫转运台和天车用于设备的内部转运。外部通过铁路和公路进行设备的运输,特别是铁路能够便捷地运输设备。外部不远处就是某变压器生产厂,该厂生产的变压器可以便捷地运至魁北克水电研究所进行相关的试验。魁北克方便的外部运输条件,能够大大提高实验室的运行效率,这一点特别值得借鉴。

3.3 环境实验室

拥有多个环境实验室,能够满足大型变压器到小型设备的环境试验。其中大型气候实验室用于大型变压器等大体积设备的机械、密封和电学方面的试验,试验环境基本与运行环境相当,但由于实验室体积的限制,难以实现带电测试。小型实验室由于制冷和加热相对容易,温度范围较宽,能够满足小型设备和部件等对温度试验的要求,试验温度控制范围大,因此能够从更广域的范围进行研究。每个实验室的体积、温度范围和其他实验条件各有侧重,形成了一整套较完备的试验条件。

3.4 实验室运行

魁北克水电研究所对实验室运营采用开放的运行方式,与多个研究机构开展合作并推进了上百项科研项目的开展。魁北克水电研究所的合作方式多样,包括伙伴研发、许可授权等多种形式,并且大量吸纳外部研究人员参与研究。实验室积极进行开放工作模式,例如高压试验大厅就是一个开放实验室,可以为魁北克水电公司之外的研究机构提供高水平的试验服务,充分提高实验室的利用率。

4 结 语

魁北克水电研究所在实验室的设计和建设上非常超前,各项设计指标针对性极强,特别是在大厅的保温设计、温湿度控制措施和试验室运行等方面进行了深入的考虑并取得了较好的建设成果,反映了较高的技术水平。

实验研究能力建设方面有比较健全的试验检测能力(如高压试验大厅、人工环境低温试验室、输配电试验线路等)。魁北克水电研究所在试验室设计和建设上充分考虑未来技术的发展需求,具有较高的前瞻性和设计标准。实验室规划合理,试验设备比较完备,满足主要设备检测的需要,值得借鉴。

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(责任编辑 王小唯)

Overview of experimental ability of IREQ

YU Chunlai,LIU Yang,ZHU Xuecheng,LAN Gongyu

(Heilongjiang Electric Power Research Institute,Harbin 150030,China)

In order to carry out the Research of power equipment at low temperature,the corresponding low temperature environmental test conditions should be set up.through the analysis of the laboratory of IREQ,this paper introduces the high voltage laboratory of IREQ,the experiment and research ability of low temperature are summarized,which provides reference for planning and construction of low temperature test base in Heilongjiang Province in the future.

high voltage lab; low temperature; power equipment

2016-10-12。

于春来(1981—)，男，工程师，从事电力电子与高电压科研。

G322.24

B

2095-6843(2016)06-0505-05