4 研制总结报告.docx
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4研制总结报告
Y20WF-444/1106
500kV交流无间隙罐式金属氧化物避雷器
研制总结报告
JG07.500YZ
南阳金冠电气有限公司
二○○九年七月
南阳金冠电气有限公司
二○○八年八月
设计文件名称
研制总结报告
JG07.500YZ
产品型号、名称
Y20WF-444/1106罐式金属氧化物避雷器
共10页
第1页
1前言
随着我国经济建设的发展以及人民生活水平的提高，对电力的需求大幅增长，有力地促进了电力工业的不断进步，使得输变电设备向着小型化、大容量、安全可靠性高等方向发展。
六氟化硫气体绝缘金属全封闭组合电器（以下简称GIS）正是为适应这一需要而研制、开发的。
GIS是输变电行业的新技术，是当今世界上最为先进的电器设备。
在现代工业发展中，GIS以绝缘强度高，开关室灭弧能力强，断路器断口承受电压高，体积小、占地少，传输容量大，运行条件不受限制，运行安全，可靠性高，检修周期长，产品性能稳定，特别适用于高海拔地区及重盐雾地区等优点,在电力系统中得到广泛的应用。
随着GIS的大力发展，它的重要保护电器——六氟化硫罐式避雷器（以下简称GIS避雷器）必须提供优良的保护性能极可靠的安全运行性能，使GIS免受操作过电压及大气过电压的损坏。
因此，开发性能优异的GIS避雷器对GIS的发展是有力地推动
南阳金冠电气有限公司是我国最大的金属氧化物避雷器制造商之一。
自上个世纪70年代开始金属氧化物避雷器研发、制造，已有近40年的历史，公司拥有丰富的避雷器技术经验和强大的科研开发平台。
公司自2000年，在GIS避雷器技术方面投入了大量的研究，目前已有完成66kV～220kV各类型号GIS避雷器的产品开发，并有数百相GIS避雷器在线安全运行。
2009年2月，公司把500kVGIS避雷器列入年度研制开发项目计划，专门成立500kVGIS避雷器研制项目组。
500kVGIS避雷器研制项目组根据设计开发程序积极开展工作，经过产品技术调研、设计计算、试验验证和样机试验等阶段，已经完成该项目。
现将研制情况总结如下。
2产品主要技术参数
2.1运行条件
2.1.1安装场所：
户内外；
2.1.2环境温度：
不高于＋40℃，不低于－40℃；
2.1.3耐震能力：
水平加速度0.4g,垂直加速度0.2g；
2.1.4电源额定频率：
（48～62）Hz；
2.1.5海拔不超过1000m；
2.1.6太阳光的辐射：
太阳最大照射（1.1kW/m2）；
2.1.7长期施加在避雷器端子间的工频电压应不超过避雷器的持续运行电压；
2.1.8地震烈度8度及以下地区；
2.1.9最大风速不超过35m/s；
资料来源
编制
雷鸣
2009.07.25
提出部门
审定
赵冬一
2009.07.26
标记
处数
更改文件号
签字
日期
批准
徐学亭
2009.07.27
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Y20WF-444/1106罐式金属氧化物避雷器雷
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其它的使用环境条件应符合JB/T7617—1994六氟化硫罐式无间隙金属氧化物避雷器的要求。
2.1.10异常运行条件
在异常运行条件下，本标准的使用需经供需双方协商。
2.2产品外形图
产品外形如图1所示。
图1Y20WF-444/1106500kVGIS避雷器外形图
2.3主要技术参数：
产品的主要技术参数见表l。
2.4产品结构特点
本产品主要由芯体、圆盘绝缘子、罐体等组成，芯体封装在罐体内，罐体内充以绝缘强度很高的六氟化硫气体，使得相地之间的绝缘距离大大缩小，减小了占地，并且产品本身不受外界环境的影响，保证了产品性能的稳定可靠。
由于采用了非线性伏安特性十分优异的金属氧化物电阻片，使得避雷器的保护特性大为提高，特别是陡波残压的降低，对于伏安特性比较平坦的GIS特别有利。
在产品芯体部簧装置，有效地消除了冷热情况下的内部应力，并且使得避雷器具有较高的抗震能力。
内部所有的金属件均具有粗糙度很低的表面，使得内部电场分布对称、均匀、合理，而且内部各个零部件均为有效连接，避免了小间隙的存在，使得避雷器内部局部放电很低。
外部采用屈服强度很高、密封性能良好的金属罐体，有效隔离了外部环境对避雷器芯体的影响，从而保证了产品的运行稳定。
图1YH20CX-396/1050线路型复合外套避雷器外形图
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表1Y20WF-444/1106500kVGIS避雷器技术参数表
序号
项目
单位
技术参数
备注
1
系统电压
kVr.m.s
500
2
系统最高电压
kVr.m.s
550
3
避雷器额定电压
kVr.m.s
444
4
标称放电电流8/20μS
kAP
20
5
避雷器持续运行电压
kVr.m.s
324
6
参考电压
直流参考电压DC1mA≥
kV
597
工频参考电压AC3mA峰值/√2≥
kV
444
7
0.751mA直流参考电压下漏电流≤
μA
30
8
残压试验
陡波冲击残压试验1/5μS≤
kAP
1238
雷电冲击残压试验8/20μS≤
1106
操作冲击残压试验30/80μS≤
907
9
大电流冲击耐受4/10μS
kAP
100
10
长持续时间
电流冲击试验
2ms方波电流冲击耐受18次
kAP
2500
线路放电等级
4
5
11
局部放电量1.05倍Uc下≤
pC
10
12
无线电干扰电压1.05倍Uc下≤
μV
500
13
绝缘性能
工频耐受试验1min≥
kVr.m.s
740
操作冲击耐受±各15次≥
kVP
1250
雷电冲击耐受±各15次≥
kVP
1675
14
SF6气体年泄漏率≤
%
0.5
15
SF6气体水分含量年泄漏率
交接值≤
ppm（V/V）
150
运行值≤
250
16
零表压下耐受电压（5min）
kV
17
SF6气体额定压力（20℃）
MPa
0.4
18
SF6气体最低工作压力（20℃）
MPa
0.35
19
执行标准
GB11032-2000交流系统用无间隙金属氧化物避雷器
JB/T7617-1994六氟化硫罐式无间隙金属氧化物避雷器
3试制过程及关键技术问题的解决
本项目自2008年12月开始，首先进行技术协议的讨论和技术方案的协商，开始进行产品的初步设计。
研发组与用户多次沟通后，双方确定产品外形结构，然后进行内部结构及电场研究；在2009年2月完成全部图样设计并完成了内部电场的计算；于2009年3月完成了产品全部零部件的加工，在此期间还对试验方法进行了研究，并设计加工了试验工装；在2009年4月进行了样机试制和厂内试验；在2009年5月进行了全部型式试验，并顺利通过。
下面对避雷器产品试制过程中的关键问题及解决措施进行论述。
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3.1技术条件的制定
试制的500kVGIS用六氟化硫罐式避雷器要满足电力系统中组合电器的使用并可靠运行，这就需要考虑该避雷器的技术条件、运行状况及电气性能。
研制组经过多方调研、收集资料、参考国内外先进的结构和技术要求，依据标准规定，在与用户多次沟通的基础上，依据《GB7674-199772.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备》、《GB8905-1988六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则》、《GB11022-1989高压开关设备通用技术条件》、《GB11023-1989高压开关设备六氟化硫气体密封试验导则》等标准，制定出了避雷器的技术条件（Q/JG015-2009）。
在技术条件中，对500kVGIS罐式避雷器的主要技术参数、试验方法以及试验程序等方面进行了明确规定。
3.2避雷器结构的研究
500kVGIS用避雷器为单相单罐式结构。
外壳采用铸钢或铸铝合金材料，具有足够的强度，内部芯体采用电阻片与绝缘杆三柱螺旋固定方式，芯体上部采用均压罩改善避雷器电位分布，避雷器低压出线端子和压力释放装置位于壳体底部。
由于避雷器电压等级高,所需的电阻片数量大，而避雷器高度又有限制，因此在电阻片的连接上采取了3柱串联的结构。
各柱电阻片以避雷器中心为圆点平均分布，每柱有12组电阻片，每组由4片电阻片组成，共36组。
每组之间用铜质导电带依次串联连接。
采用这种结构可以有效地降低了避雷器的高度，利于电场的分布。
避雷器整体高度：
2830mm，直径：
φ987mm，重量约：
700kg。
3.3金属氧化物电阻片的研究
非线性金属氧化物电阻片是避雷器的核心部件，其性能的好坏直接影响避雷器的性能。
为此，专门成立了电阻片研制小组，对电阻片的电气性能进行研究。
借鉴我厂多年电阻片的生产经验和制造能力，依据技术条件，确定电阻片的尺寸为φ115/φ42×21。
经过试验，其电气性能达到规定要求。
如表2所示。
3.4关键零部件的研究
3.4.l盆式绝缘子
盆式绝缘子由用户提供成型产品，其电气和机械性能达到规定要求，为本产品的对接和密封提供了可靠的保证。
盆式绝缘是子真空浇铸件，设计时重点考虑有三项：
1）高压电气性能设计及电场计算；2）嵌件浇铸应力计算；3）盆式绝缘子受气压作用时主应力计算及变形计算。
3.4.2绝缘棒的研究
绝缘件分为真空浸渍件和真空浇铸件。
使用在SF6罐式避雷器中的绝缘件必须具有以下特点：
1）耐SF6气体及其分解物，必须进行一定的表面处理；2）、绝缘强度高；3）、局部放电量小；4）、泄漏电流小；
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5）、足够的机械强度。
综合各厂家生产经验及多年的运行经验，选择环氧真空浸渍棒进行试制生产，并制定了绝缘件的技术规范。
3.4.3罐体的研究
罐体是避雷器的主要部件，其质量的好坏直接影响产品性能，所以罐体的尺寸和强度是经过计算和试验后确定的。
罐体的材质和加工必须符合产品规定的要求，特别是密封面和内部粗糙度。
同时对罐体加工单位的加工能力进行控制。
罐体的加工单位必须具备以下几点要求：
（1）由于罐体属于压力容器，因此加工单位必须具有压力容器生产许可证；
（2）焊接水平高，确保焊接质量；（3）机加工能力强，能保证罐体达到要求的机加精度。
GIS金属壳体有焊接壳体及铸造壳体。
我们采用焊接壳体。
我们的主要工作有：
1）壳体直径设计和计算（详见设计计算书）；2）板材滚筒焊接壳体的内表面，要求磨光焊缝，残留焊缝高小于2mm，磨去鱼鳞纹，手感无毛刺尖角，目视光滑，并按产品表面处理工艺规程进行表面处理。
3）加工质量监控：
强度监控和气密性监控。
强度监控主要是进行水压试验，例行水压：
0.75MPa/30min；破坏水压试验：
1.8MPa/30min。
气密性监控主要是进行检漏试验：
年漏率小于0.5%/年。
3.4.4SF6气体
SF6气体应符合GB/T12022-1989《工业六氟化硫》的规定。
在使用、检查过程中按GB3723《工业用化学产品采样安全通则》、GB/T5832.2-1996《气体中微量水份的测定露点法》、GB/T12022-1989工业六氟化硫《气瓶安全监察规程》等标准的各项规定执行。
针对我公司试制中的情况，我们制定了《避雷器用六氟化硫气体技术规范》。
3.4.5吸附剂
运行中的GIS避雷器受潮后，其绝缘强度下降，需要在避雷器壳体内设置吸附剂，保持内腔干燥。
F-03吸附剂为φ4～φ6mm球状颗粒，饱和吸水量（25℃）≥22%。
因为避雷器壳体内基本属于无电弧分解物的气室，仅考虑吸附水分的用量即可，原则上吸附剂用量为充气重量的6%左右。
3.5压力释放装置的研究
压力释放装置能有效的释放因避雷器内部各种原因引起的过高压力，该装置安装在避雷器下部，远离
监测器的观察处，从而保证其动作时，避免了误伤工作人员。
爆破片采用不锈钢带凹型沟槽产品，它具有以下优点：
1）材质为不锈钢，动作稳定，不会因材质本身特性造成误动作；2）形状为内凹型，具有较大张力，不会因轻微碰撞或压力略微上升（属正常范围内的压力上升）时造成误动作；3）带沟槽能确保爆破片在
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其动作时有有效的薄弱点，利于爆破片的破损，及时有效的释放压力。
以上优点确保了压力释放装置工作的稳定性、安全性和及时性要求。
另外，在压力释放装置的泄放口径上，我们也进行了研究，由于避雷器体积大，SF6气体多，因而泄放口径选取了φ50mm，从而保证了气体在释放时能顺畅通过，不至于引起极高压力过久停留在罐体内而造成的不必要的损害。
3.6密封结构的研究
密封性能的优劣对六氟化硫GIS避雷器来说是十分重要的。
一般来说，泄漏有两种：
穿透O形橡胶密封圈的泄漏和通过密封面的泄漏。
在设计中要考虑可能出现由于密封面设计不当或密封圈压缩变形量设计不合理，而造成的密封圈在某点（或某段）出现泄漏。
因此在密封性能设计时，我们综合考虑以下几点因素：
1）密封圈的压缩率密封圈永久变形，使其使用寿命下降。
因而，根据对各种密封圈试品的密封试验表明：
在金属—金属法兰密封的情况下，密封圈的压缩率在25％左右比较合理。
2）密封槽的影响密封槽一般选取O形。
槽深要保证密封圈合理的压缩率，槽宽则要保证密封圈压缩变形后，有足够的伸缩空间。
3）密封圈材质的影响通过参照我公司SF6电流互感器用密封圈，确定其材质为三元乙丙胶，并选择适中硬度确保密封圈与密封面之间保持较好的弥合性。
3.7避雷器内部微水分的保证
由于避雷器内部的绝缘介质是六氟化硫气体，因此在避雷器运行过程中其绝缘性能的好坏直接关系到避雷器能否正常运行。
而六氟化硫气体在水份增加的情况下，绝缘强度会大大降低，对正常运行造成危险，因而避雷器内部六氟化硫气体对水份要求十分严格。
根据经验，我们选取了FO3干燥剂对水份进行控制。
这种干燥剂具有吸附能力强、吸附速度快的优点，且其在装配前可进行活化处理。
同时，我们依据避雷器内部六氟化硫气体的含量对其进行了计算，选取干燥剂重量为内部所充气体重量的6％，约为2.04kg。
另外，根据六氟化硫气体物理特性，其分子量较大，气体比较重，因而我们将干燥装置设计在了避雷器的底部，对六氟化硫气体中含有的水份进行有效的吸收，确保避雷器正常运行时，六氟化硫气体水份小于25Oppm。
3.8电位分布研究
罐式避雷器对其内部电场要求非常严格，这也是产品研制的关键问题。
为了改善电场分布，研发组借鉴国内外先进结构方式，采取均压罩均压措施，改善产品电位分布。
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我公司委托西安交通大学高压教研室分别对Y20WF-444/1106500kVGIS避雷器三维静电场的模拟计算。
采用ANSYS12.0作为分析软件，经多次计算，500kVGIS用避雷器的电位分布情况如下。
1）设计的Y20WF-444/1106500kVGIS避雷器电阻片柱的最大电位分布不均匀系数k为电阻片的电压偏差在-0.00%～+0.00%之间。
其中最大偏差位于No.22电阻片组（Ⅱ柱，均压罩下方），最小偏差位于No.2电阻片组（Ⅱ柱，均压罩下方）。
2）均压罩表面最大场强出现在下均压罩表面，其值为66.403kV/cm，低于起晕电压，因此在最高运行电压下不会电晕。
3）盆式绝缘子的最大表面场强出现在下表面内紧靠导体侧，其值为36.302kV/cm，小于许用场强。
4）相同条件下，沿电阻片柱最大电位分布不均匀系数计算值高于实测值，计算所得最大电位分布不均匀系数为14.5%，实测为13.5%。
3.9试验工装的研究
GIS用避雷器由于其特殊的使用环境，如果在不使用充入六氟化硫气体的引线套管的情况下是不能进行任何电气试验的，所以我们为其设计了型式试验和出厂试验共用的试验工装。
工装最主要的部分就是一只耐六氟化硫气体的复合外套空心套管，其本身的电气性能要求不低于避雷器的电气性能要求，以保证其能够安全地为避雷器进行试验。
另外，由于复合外套空心套管的法兰和避雷器上的安装尺寸不一样，所以我们又设计了一个便于和空心套管的法兰与避雷器高压侧法兰之间过渡的过渡板，整个工装与避雷器竖直装配。
设计出线试验套管必须满足：
1）在各种规定的试验电压下不发生闪络或击穿；2）在规定的工频试验电压下，无局部放电；3）安全；4）便于安装、拆卸；5）使用与多种出线方式。
基于上述考虑，我们参考相关资料，严格计算，设计的出线试验套管，外形美观大方，经试验验证，完全可以满足GIS避雷器试验需要。
3.10关键组装工艺研究
为方便样机的组装，我们特制了装配工装底座，使整个芯体和罐体的装配方便灵活。
3.10.1绝缘特性试验
实际运行证明，GIS的绝缘特性最重要的是表面粗糙度和杂质的危害。
SF6气体对电极表面缺陷引起的微观电场不均匀度十分敏感，有资料显示：
当微粒长度为1mm时，击穿电压已降到七成，100mm时降到三成。
放电实践表明，微粒通常容易积存在罐的底部，特别容易在垂直罐体和管道的水平盆式绝缘子的上表面处，这是法拉第笼效应的表现。
在高电压的加压过程中，导电物质在电场的作用下立起，在电场力超过微粒重力时，微粒开始漂浮，由于带电后的下沉电压要比起始电压的电压值低得多，故杂质一旦
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立起就不容易倒置，在交流电场中导致了微粒处于震动和上浮的过程，是在不断上下振动中又逐渐上浮，处在“蹦蹦跳”的状态，微粒往往被驱赶到电场较弱处，特别是迁移到罐体边缘和盆式绝缘子的边缘。
在避雷器总装后，我们进行了10min的电压“老练”，对消除微粒非常有效。
3.10.2密封性能检查
密封主要取决于罐体焊接质量，密封槽及密封面的加工水平；其次是密封圈的制造、安装调整状况。
我们对罐体的验收要求很严格：
罐体的设计压力为0.4MPa，例行试验压为0.75MPa，破坏压力为1.75MPa。
具体试验数据参见罐体试验报告。
避雷器样机总装后，采用聚乙烯塑料布包扎积累法测定SF6气体的漏率，测量仪器的灵敏度为1×10-11MPa.cm3.s-1，经检测年漏率为：
0.014%。
3.10.3真空度及含水量控制
真空度是继清洁度、密封性之后的第三个控制关键，是控制SF6气体含水量的重要保证措施，它不仅能减少SF6气体本身的水份，也减少了罐内其它物质（绝缘体、密封体）内所含的水分。
固体绝缘介质表面吸附水膜时会使沿面电压分布不均匀，因而使闪络电压低于纯空气间隙的击穿电压，介质表面粗糙，也会使电场分布畸变，从而使闪络电压降低，在高压时易发生凝露现象。
水分对避雷器影响的关键是在于把SF6气体露点必须控制在0℃以下，以防止温度变化造成绝缘体表面上凝露，所附着的水珠和SF6电弧产生物发生反应生成HF、SF4等低氟化物，这就是沿面的绝缘材料的主要原因。
通常允许值把露点控制在-5℃以下，此时绝缘体表面凝结的不会是水珠而是冰晶，他对绝缘性能能的使用几乎没有影响。
真空度一般要求在133Pa（即1mmHg）再继续抽真空30min，然后才能充SF6气体，我们要求真空度小于20Pa，从而保证了避雷器优良的电气性能。
3.10．4装配环境的要求
对装配环境我们也提出了一定的要求：
1）场地应干净无尘，相对封闭、隔离：
降尘控制：
≤0.1mg/m2·24h；游尘颗粒直径：
≤0.5μm，数量：
≤100万个/立方分米。
2）安装环境:
相对湿度≤45%；环境温度：
20℃±5℃；
3）安装人员应经过培训上岗，进入场地应换鞋，穿工作服，戴工作帽及手套。
3.10.5避雷器的生产要求
零部件验收：
严格按照图纸、规范及外购外协件检验规程（JG07.500GWJ）进行进厂验收，对机加工进行工艺和过程的控制和检查，确保满足产品要求。
装配：
严格按照装配图纸及装配工艺规程（JG07.500GZP）的要求进行装配，确保产品的性能符合要求。
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4型式试验结果
根据《Y20WF-444/1065气体绝缘金属封闭无间隙金属氧化物避雷器型式试验大纲》的要求,对试品进行了型式试验,各项性能均满足大纲的要求，型式试验合格。
试验项目均由电力工业电气设备质量检测中心承担并出具型式试验报告［型式试验报告〔2009〕检字第JBL041号］。
现将型式试验报告摘录如下（表4）：
表4Y20WF-444/1106500kVGIS用避雷器型式试验结果汇总表
序号
试验项目名称
标准要求
试验结果
评价
1
直流1mA参考电压试验
597≤U1mADC≤612kV
610.3kV
合格
2
0.75倍直流1mA参考电压下漏电流试验
≤50μA
21.0μA
合格
3
持续电流
持续运行电压324kV下：
IX≤3500μAIR≤650μA
最大持续运行电压324kV下：
IX≤4000μAIR≤700μA
持续运行电压324kV下：
IX≤1780μAIR≤260μA
最大持续运行电压324kV下：
IX≤1910μAIR≤340μA
合格
4
工频参考电压试验
U5mA.Ac≥444kV（峰值/
）
458.3kV
合格
5
局部放电与无线电干扰试验
PD≤10pC,RIV≤500μV
PD≤4.0pC,RIV≤300μV
合格
6
残压试验
陡波冲击残压试验
≤1238kV
1181kV
合格
雷电冲击残压试验
≤1106kV
1085kV
操作冲击残压试验
≤907kV
867kV
7
SF6气体水份试验
SF6气体水份≤250ppm
11ppm
合格
8
操作动作负载试验
加速老化试验
115℃，1000h
Kct（max）=0.68
合格
操作冲击动作负载试验
通过规定程序的操作动作负载试验，2次长持续时间电流冲击预注入比能量不小于：
1
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