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CWPE2019:北京國網互聯王國剛:高負荷、腐蝕環境下風電設備接頭故障分析與可靠性提升_東方風力發電網
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CWPE2019:北京國網互聯王國剛:高負荷、腐蝕環境下風電設備接頭故障分析與可靠性提升

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-11-28   來源:東方風力發電網  瀏覽次數:181
核心提示:2019年11月22—23日,第四屆中國風電電氣裝備與微電網技術高峰論壇暨中國電器工業協會風力發電電器設備分會二屆四次年會于江蘇蘇州召開,本次會議的主題是“智慧能源、智能制造、智控微網”。北京國網互聯電氣技術有限公司教授級高工王國剛在會上為大家帶來了題為《高負荷、腐蝕環境下風電設備接頭故障分析與可靠性提升》的精彩演講。
   2019年11月22—23日,第四屆中國風電電氣裝備與微電網技術高峰論壇暨中國電器工業協會風力發電電器設備分會二屆四次年會于江蘇蘇州召開,本次會議的主題是“智慧能源、智能制造、智控微網”。北京國網互聯電氣技術有限公司教授級高工王國剛在會上為大家帶來了題為《高負荷、腐蝕環境下風電設備接頭故障分析與可靠性提升》的精彩演講。


 
  以下為演講實錄:
 
  我給大家匯報的題目其實上午有一些協會的領導和禾望電氣的專家都提到了可靠性的問題,我們做的是很小很小的一點,但是這一點讓我們國家也遭受了巨大的損失。
 
  隨著經濟的發展,風電還有特高壓,我在國網公司工作了很多年,由于經濟的影響,大家希望多發電、快發電,特高壓也是多送電,這樣原來在經濟比較低(不發達)的時候國網發電比較少,接頭發熱的問題并不嚴重。2014年的時候我們國家的經濟大力發展,從四川三峽大壩還有葛洲壩就出現了大量的接頭發熱的問題,2014年一共有114次發熱現象,被迫停電11次。同樣風電還有其他的電力行業也會存在這個隱患,主要的問題是風電現在也是希望小時數多發、負荷滿發,這樣設計電路的時候能夠給大家有所提醒。
 
  我們工作這么多年積累的一些素材,接頭如果不注意防護會產生各種燒蝕現象,就有變流器接頭燒毀還有風電葉片遭雷擊燒毀,還有柱子里面的母線槽燒毀、電纜燒毀等現象。
 
  在電氣系統簡單說一下,從風電各個設備開始都有接頭,無論是風機葉輪、傳動、發電、變流器、升壓站以及架空線路,所有的設備無不是由接頭組成的。我們可以看到端子排、動力電纜、電機接觸器、還有可控硅、斷路器都是有各種接頭組成。風力發電以后送到下面的變電站,然后由并聯電容器、電抗器還有其他的母線。
 
  我剛才說過發熱的事國網公司也是很頭疼的,治理了這么多年,但是也沒有完全杜絕,今年6月份有一個電流線燒了,被迫停電,很簡單的鋁質接頭腐蝕的問題,有的是腐蝕氧化,有的是CT變比連板發熱引起的,其他發熱我們不再說了。但是作為電網公司來說,發熱接頭有兩個辦法,一個是經常性地進行檢修,經常性的進行發熱監測,比如北京地區可能一個月監測一次,中央要開會的時候可能一個月有兩次對接頭進行監測,現在流行加裝測溫裝置,剛才遠景的領導說了如果測溫裝置無限地裝,這些接頭無限地多,沒有必要裝這些東西。
 
  主觀原因設計不足、安裝工藝以及金具質量的問題。我們的電流經濟的面積到底要多大?我們查了大量的標準,沒有一個固定標準,只有電科院有一個溫升標準,就是一個基本標準,接觸電阻不要大于同距離的截面的導線電阻,就是這樣的一個說法,但是你設計的時候就不管。現在電網公司推出一個銅接觸面0.02A每毫米,鋁打85折這樣的標準,但是這樣的標準我們的設備廠商受不了,按照這樣的標準做出來設備廠商需要把零部件做得非常大,以至于國網公司拿這些設備抽檢的時候他就按照這個標準做,你的抽檢過不了。其次安裝工藝現場安裝條件比較惡劣,我們又不可能在現場監測,所以有的時候該上四個螺絲上兩個螺絲,該頻頻接觸就是兩兩接觸,現在為了節約成本實現鋁代銅或者其他的方法,這樣都會造成接頭出現問題。客觀因素就是這個接頭肯定要和氧氣接觸,肯定有腐蝕介質,這樣會造成一些裂化。
 
  簡單說一下,銅是1.68,接觸電阻與什么有關系?簡單地說與材料有關系,與接觸面積有關系,與螺栓緊固部位有關系。實際上微觀是凹凸不平的,只有凸出來的部分電流才能過去,這樣形成它的接觸電阻。我們在試驗的過程中,螺絲緊固部位過的電流量基本上承擔了大部分的過流能力,所以我們在設計的時候一定要注意緊固部位足夠多,如果螺栓結構非常少,達不到通流效果。
 
  第二個因素是腐蝕因素。我們的設備國網公司要求銅還不行,銅要鍍上銀,厚度不夠還不行,鍍了以后后面不管了,但是我們在現場看了以后這些銀、這些銅都已經被氧化了,我們必須要對它進行防護,這樣才能確保現場運行比較平穩,但是國網公司到現在還沒有說防護這個事情。現在常用的電阻就是銅鍍錫或者是銅鍍銀或者是鋁鍍銀的結構。銀是0.7,銅是0.3,鋁是負的1.66,鐵是負的,錫也是負的。鍍錫是通過錫在表面生成二氧化錫層,和鋁一樣,不再被里面氧化,但是這產生一個悖論,銅表面被保護了,但是接頭部位要導電,生成氧化錫的高電阻層我就沒有辦法導電,所以在設計的時候特別注意這一點;還有一點錫如果在低溫13.2由白錫變成灰錫形成鉆石結構就不怎么導電了。
 
  另外一個是電蝕。由于電流密度會把金屬自然腐蝕掉。
 
  還有風電設備、電網設備都是處在振動中下面是使用防護材料和不適用防護材料,銅鍍上錫之后尤其是鍍銀之后一會有就變色了,導電會非常差。還有使用劣質導電膏增大電阻,使你的面很快燒蝕或者發熱。我們看到了很多的變流器的這些例子,不針對某一家,反正在現場很多的都有燒蝕和發熱的現象,都能看到里面變色或者是劣勢導電膏留下的痕跡
 
  原理很簡單,金具表面由于過流產生熱量,環境中的腐蝕物質介入電阻增大,然后發熱增大,最后就是電阻又增大,直到把它燒掉為止。
 
  怎么治理這個事情?怎么把接頭和設備,和整個生命周期聯合在一起,壽命設計25年,接頭也25年。有三個建議:一個是使用優質電力復合脂,還有一個是改變電連接金具結構,還有一個提高材料表面抗腐蝕性。關于監測和感知的問題我就不再討論了。
 
  1840年以后是一直使用的東西,就是在歐洲的法國,在美國,在日本都在使用電力復合脂,只不過名字不一樣,法國叫電接觸用油脂,日本叫導電脂。作用就是填充導電接觸面的縫隙,然后讓它不讓外界的腐蝕介質進去。比如標準524里面明確提出來接頭壓縮的時候使用增加電接觸、防輻射、機械保持力的。我們國家的電力標準還有國網公司的標準都有明確的提出要求具體的電力復合脂技術條件,但是現實生活中很說按照這個要求來做,直到出了事了才發現原來還有這個東西可以用。因為這樣比較常識的東西在外界未必大家知道這個事。
 
  這個事在國外的無論是施奈德還是ABB還是西門子公司都出現過類似的現象,施耐德的工程師經過大量的實驗也得出了這個結論。金屬之間就是銅和鋁搭建一定要進行防護,否則會出現電化學腐蝕,還有選擇脂的時候必須經過嚴格的實驗,否則會有副作用。這個是ACC公司他有說要求使用抗氧化劑脂。
 
  從電力的大規模使用以后,知道這種概念就是一種作坊式的,用一些油脂簡單對付一些鐵粉,結果就是用還不如不用,產生大量的腐蝕和發熱副作用。我們是2008年接到國網上的這個課題,讓我們對這個事說清楚,這樣的復合脂為什么國外用得這么好,國內屢屢 出現問題,我們針對這樣的項目把市面上所有搜集到的國內外電力復合脂和技術資料收集起來,無外乎對于導電條件、具體應用做了幾個實驗。比如說加速穩定性實驗、高溫實驗、還有接觸電阻、大電流、高低溫交變、溫度循環、鹽霧腐蝕實驗、握力實驗還有戶外考核。我們的接頭無外乎這幾個情況,我們經過市面上的拿到這個脂以后,發現這個脂很多由礦物油勾兌的產品,這樣的脂肯定是不合格的,保護不了接觸面。優質的脂在長時間高溫下沒有問題,劣質的脂一個是自己走了,再一個上面產生很多的結痂物。還有銅本身要氧化成硫化銅怎么導電,所以抗氧化性也是很大的指標。我們把它放到200度做12小時高溫實驗可以觀察到劣質脂很快電阻增加80倍或者是30倍以上,優質脂接觸電阻變化很低,然后我們做高溫狀況,因為這個接觸我們想用到20年以上或者更高,這樣的話自己不能揮發,我們做這個事情發現市面上90%的脂自己已經揮發了40-60%,它是無法保護我們這個接觸面的。
 
  還有接觸電阻與壓力的關系。這是我們在實驗中偶爾發現的現象,如果我們用了電流脂,我們用固定的緊固力矩的三分之一的時候發現用脂的電阻很快達到較低的水平,不用脂的電阻較高。緊固力矩的時候還能很好保持我們的接觸電流,換句話說如果這個接頭松了,運行過程中松了10%,20%,30%,如果脂一直松到60%還能保護你的電阻,尤其對于風機設備是非常有意義的。
 
  我們做了150分鐘實驗以后效果立見高低,就是溫度差10度的溫差,所以這個脂對于接觸的保護性不光是降電阻還是對于溫升的可靠性非常有意義。
 
  我們做了高低溫交變。我們的電力設備可能在沿海,也可能在熱帶,可能在東北的極寒地區,我們把設備在零上40度到零上120度進行交變。做完這個實驗的時候我們發現用脂和不用脂電阻差別是巨大的,大概能差到四五倍之多,所以我們在選脂的時候要十分注意。
 
  濕度情況更能說明問題。尤其是銅的時間在濕溫底下電阻的增加劣質脂是優質脂的三倍到四倍的,所以沿海放電的時候應該特別注意這個問題,有的時候低溫對裂化并不是太明顯,但是潮濕和鹽霧的影響是巨大的。
 
  這是做了一個小的鹽霧試驗,我們就不說了。今年7-9月份中車要求我們做了144小時銅加速鹽霧試驗,一般是中性試驗 的8倍,折合下來應該是一萬多小時。我們做完試驗以后發現一個重大問題,無脂的電阻增加18倍,另外一個鋁鋁增加了120倍,電阻超過5倍以上已經崩潰了,這個實際上已經崩潰了。有脂的增加2倍和2.5倍。每360個小時又增加了200度×24小時的高溫試驗,比較有意思的是用了脂以后,高溫以后反而電阻倒平穩了,就是高溫對接觸電阻還有促進作用,我們可以理解為這些鋁被高溫氧化產生了氧化鋁層保護了介質不讓進去。
 
  同樣我們對風電葉面做的試驗,如果沒有脂的話這個電阻增加22倍到60倍已經崩潰了,如果有脂的話還是沒有變化,保持原來的樣子。換句話說這個試驗做下來以后,我們這個接觸葉片在沿海的時候能夠保護這個東西20-30年,不會有任何的問題。
 
  他也同樣做的高溫試驗,有脂和沒脂有巨大的差別,無脂電阻到了720小時到1440小時電阻飛速增高,有脂的時候比較穩定。
 
  當然我們也有一個實驗到1440小時鹽霧實驗還是比較穩定的,再做最后一次裸奔的時候電阻劇烈增大,為什么增大?就是有脂,這些鹽霧也已經滲透到很多的錫層,我們外面有一個展區。有興趣可以看一下。
 
  雷擊試驗。有脂和沒脂的試驗。
 
  優質的脂在國網公司已經有十多年的運營業績,從2014年以后的特高壓工程都指定的這個優質脂,必須得是經過嚴格考核的,在現場我們今年又做了一次特高壓培訓工程,由于現場的送電站公司提供了劣質脂導致四家送電站公司培訓試紙不合格。這是一些發熱的案例,優質的脂挽救了德國價值上百萬的設備。案例就一帶而過了。
 
  最后總結一下。
 
  因為我們的金具的東西都是處在自然環境中,它不可避免受到了環境的腐蝕和自身的電流的發熱影響還有一些振動的影響,這些電阻增加是必然的,只是快慢的問題。那么措施就是這幾,要不由鋁變成銅,在銅鍍上銀,銀上面再加一些保護層,節能或者降本的情況下使用這樣的復合脂是最經濟的一個方式。電力脂是有技術標準的,IEC還有國標還有電力行標,再有一個具有國際共識,剛才說到施耐德、ABB還有西門子等廠家都在使用這個電力脂保護他們的接頭。
 
  (內容來自現場速記,未經本人審核)
 
 

 
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