CWPE2019:北京国网互联王国刚:高负荷、腐蚀环境下风电设备接头故障分析与可靠性提升_东方风力发电网
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CWPE2019:北京国网互联王国刚:高负荷、腐蚀环境下风电设备接头故障分析与可靠性提升

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-11-28   来源:东方风力发电网  浏览次数:72
核心提示:2019年11月22—23日,第四届中国风电电气装备与微电网技术高峰论坛暨中国电器工业协会风力发电电器设备分会二届四次年会于江苏苏州召开,本次会议的主题是“智慧能源、智能制造、智控微网”。北京国网互联电气技术有限公司教授级高工王国刚在会上为大家带来了题为《高负荷、腐蚀环境下风电设备接头故障分析与可靠性提升》的精彩演讲。
   2019年11月22—23日,第四届中国风电电气装备与微电网技术高峰论坛暨中国电器工业协会风力发电电器设备分会二届四次年会于江苏苏州召开,本次会议的主题是“智慧能源、智能制造、智控微网”。北京国网互联电气技术有限公司教授级高工王国刚在会上为大家带来了题为《高负荷、腐蚀环境下风电设备接头故障分析与可靠性提升》的精彩演讲。


 
  以下为演讲实录:
 
  我给大家汇报的题目其实上午有一些协会的领导和禾望电气的专家都提到了可靠性的问题,我们做的是很小很小的一点,但是这一点让我们国家也遭受了巨大的损失。
 
  随着经济的发展,风电还有特高压,我在国网公司工作了很多年,由于经济的影响,大家希望多发电、快发电,特高压也是多送电,这样原来在经济比较低(不发达)的时候国网发电比较少,接头发热的问题并不严重。2014年的时候我们国家的经济大力发展,从四川三峡大坝还有葛洲坝就出现了大量的接头发热的问题,2014年一共有114次发热现象,被迫停电11次。同样风电还有其他的电力行业也会存在这个隐患,主要的问题是风电现在也是希望小时数多发、负荷满发,这样设计电路的时候能够给大家有所提醒。
 
  我们工作这么多年积累的一些素材,接头如果不注意防护会产生各种烧蚀现象,就有变流器接头烧毁还有风电叶片遭雷击烧毁,还有柱子里面的母线槽烧毁、电缆烧毁等现象。
 
  在电气系统简单说一下,从风电各个设备开始都有接头,无论是风机叶轮、传动、发电、变流器、升压站以及架空线路,所有的设备无不是由接头组成的。我们可以看到端子排、动力电缆、电机接触器、还有可控硅、断路器都是有各种接头组成。风力发电以后送到下面的变电站,然后由并联电容器、电抗器还有其他的母线。
 
  我刚才说过发热的事国网公司也是很头疼的,治理了这么多年,但是也没有完全杜绝,今年6月份有一个电流线烧了,被迫停电,很简单的铝质接头腐蚀的问题,有的是腐蚀氧化,有的是CT变比连板发热引起的,其他发热我们不再说了。但是作为电网公司来说,发热接头有两个办法,一个是经常性地进行检修,经常性的进行发热监测,比如北京地区可能一个月监测一次,中央要开会的时候可能一个月有两次对接头进行监测,现在流行加装测温装置,刚才远景的领导说了如果测温装置无限地装,这些接头无限地多,没有必要装这些东西。
 
  主观原因设计不足、安装工艺以及金具质量的问题。我们的电流经济的面积到底要多大?我们查了大量的标准,没有一个固定标准,只有电科院有一个温升标准,就是一个基本标准,接触电阻不要大于同距离的截面的导线电阻,就是这样的一个说法,但是你设计的时候就不管。现在电网公司推出一个铜接触面0.02A每毫米,铝打85折这样的标准,但是这样的标准我们的设备厂商受不了,按照这样的标准做出来设备厂商需要把零部件做得非常大,以至于国网公司拿这些设备抽检的时候他就按照这个标准做,你的抽检过不了。其次安装工艺现场安装条件比较恶劣,我们又不可能在现场监测,所以有的时候该上四个螺丝上两个螺丝,该频频接触就是两两接触,现在为了节约成本实现铝代铜或者其他的方法,这样都会造成接头出现问题。客观因素就是这个接头肯定要和氧气接触,肯定有腐蚀介质,这样会造成一些裂化。
 
  简单说一下,铜是1.68,接触电阻与什么有关系?简单地说与材料有关系,与接触面积有关系,与螺栓紧固部位有关系。实际上微观是凹凸不平的,只有凸出来的部分电流才能过去,这样形成它的接触电阻。我们在试验的过程中,螺丝紧固部位过的电流量基本上承担了大部分的过流能力,所以我们在设计的时候一定要注意紧固部位足够多,如果螺栓结构非常少,达不到通流效果。
 
  第二个因素是腐蚀因素。我们的设备国网公司要求铜还不行,铜要镀上银,厚度不够还不行,镀了以后后面不管了,但是我们在现场看了以后这些银、这些铜都已经被氧化了,我们必须要对它进行防护,这样才能确保现场运行比较平稳,但是国网公司到现在还没有说防护这个事情。现在常用的电阻就是铜镀锡或者是铜镀银或者是铝镀银的结构。银是0.7,铜是0.3,铝是负的1.66,铁是负的,锡也是负的。镀锡是通过锡在表面生成二氧化锡层,和铝一样,不再被里面氧化,但是这产生一个悖论,铜表面被保护了,但是接头部位要导电,生成氧化锡的高电阻层我就没有办法导电,所以在设计的时候特别注意这一点;还有一点锡如果在低温13.2由白锡变成灰锡形成钻石结构就不怎么导电了。
 
  另外一个是电蚀。由于电流密度会把金属自然腐蚀掉。
 
  还有风电设备、电网设备都是处在振动中下面是使用防护材料和不适用防护材料,铜镀上锡之后尤其是镀银之后一会有就变色了,导电会非常差。还有使用劣质导电膏增大电阻,使你的面很快烧蚀或者发热。我们看到了很多的变流器的这些例子,不针对某一家,反正在现场很多的都有烧蚀和发热的现象,都能看到里面变色或者是劣势导电膏留下的痕迹
 
  原理很简单,金具表面由于过流产生热量,环境中的腐蚀物质介入电阻增大,然后发热增大,最后就是电阻又增大,直到把它烧掉为止。
 
  怎么治理这个事情?怎么把接头和设备,和整个生命周期联合在一起,寿命设计25年,接头也25年。有三个建议:一个是使用优质电力复合脂,还有一个是改变电连接金具结构,还有一个提高材料表面抗腐蚀性。关于监测和感知的问题我就不再讨论了。
 
  1840年以后是一直使用的东西,就是在欧洲的法国,在美国,在日本都在使用电力复合脂,只不过名字不一样,法国叫电接触用油脂,日本叫导电脂。作用就是填充导电接触面的缝隙,然后让它不让外界的腐蚀介质进去。比如标准524里面明确提出来接头压缩的时候使用增加电接触、防辐射、机械保持力的。我们国家的电力标准还有国网公司的标准都有明确的提出要求具体的电力复合脂技术条件,但是现实生活中很说按照这个要求来做,直到出了事了才发现原来还有这个东西可以用。因为这样比较常识的东西在外界未必大家知道这个事。
 
  这个事在国外的无论是施奈德还是ABB还是西门子公司都出现过类似的现象,施耐德的工程师经过大量的实验也得出了这个结论。金属之间就是铜和铝搭建一定要进行防护,否则会出现电化学腐蚀,还有选择脂的时候必须经过严格的实验,否则会有副作用。这个是ACC公司他有说要求使用抗氧化剂脂。
 
  从电力的大规模使用以后,知道这种概念就是一种作坊式的,用一些油脂简单对付一些铁粉,结果就是用还不如不用,产生大量的腐蚀和发热副作用。我们是2008年接到国网上的这个课题,让我们对这个事说清楚,这样的复合脂为什么国外用得这么好,国内屡屡 出现问题,我们针对这样的项目把市面上所有搜集到的国内外电力复合脂和技术资料收集起来,无外乎对于导电条件、具体应用做了几个实验。比如说加速稳定性实验、高温实验、还有接触电阻、大电流、高低温交变、温度循环、盐雾腐蚀实验、握力实验还有户外考核。我们的接头无外乎这几个情况,我们经过市面上的拿到这个脂以后,发现这个脂很多由矿物油勾兑的产品,这样的脂肯定是不合格的,保护不了接触面。优质的脂在长时间高温下没有问题,劣质的脂一个是自己走了,再一个上面产生很多的结痂物。还有铜本身要氧化成硫化铜怎么导电,所以抗氧化性也是很大的指标。我们把它放到200度做12小时高温实验可以观察到劣质脂很快电阻增加80倍或者是30倍以上,优质脂接触电阻变化很低,然后我们做高温状况,因为这个接触我们想用到20年以上或者更高,这样的话自己不能挥发,我们做这个事情发现市面上90%的脂自己已经挥发了40-60%,它是无法保护我们这个接触面的。
 
  还有接触电阻与压力的关系。这是我们在实验中偶尔发现的现象,如果我们用了电流脂,我们用固定的紧固力矩的三分之一的时候发现用脂的电阻很快达到较低的水平,不用脂的电阻较高。紧固力矩的时候还能很好保持我们的接触电流,换句话说如果这个接头松了,运行过程中松了10%,20%,30%,如果脂一直松到60%还能保护你的电阻,尤其对于风机设备是非常有意义的。
 
  我们做了150分钟实验以后效果立见高低,就是温度差10度的温差,所以这个脂对于接触的保护性不光是降电阻还是对于温升的可靠性非常有意义。
 
  我们做了高低温交变。我们的电力设备可能在沿海,也可能在热带,可能在东北的极寒地区,我们把设备在零上40度到零上120度进行交变。做完这个实验的时候我们发现用脂和不用脂电阻差别是巨大的,大概能差到四五倍之多,所以我们在选脂的时候要十分注意。
 
  湿度情况更能说明问题。尤其是铜的时间在湿温底下电阻的增加劣质脂是优质脂的三倍到四倍的,所以沿海放电的时候应该特别注意这个问题,有的时候低温对裂化并不是太明显,但是潮湿和盐雾的影响是巨大的。
 
  这是做了一个小的盐雾试验,我们就不说了。今年7-9月份中车要求我们做了144小时铜加速盐雾试验,一般是中性试验 的8倍,折合下来应该是一万多小时。我们做完试验以后发现一个重大问题,无脂的电阻增加18倍,另外一个铝铝增加了120倍,电阻超过5倍以上已经崩溃了,这个实际上已经崩溃了。有脂的增加2倍和2.5倍。每360个小时又增加了200度×24小时的高温试验,比较有意思的是用了脂以后,高温以后反而电阻倒平稳了,就是高温对接触电阻还有促进作用,我们可以理解为这些铝被高温氧化产生了氧化铝层保护了介质不让进去。
 
  同样我们对风电叶面做的试验,如果没有脂的话这个电阻增加22倍到60倍已经崩溃了,如果有脂的话还是没有变化,保持原来的样子。换句话说这个试验做下来以后,我们这个接触叶片在沿海的时候能够保护这个东西20-30年,不会有任何的问题。
 
  他也同样做的高温试验,有脂和没脂有巨大的差别,无脂电阻到了720小时到1440小时电阻飞速增高,有脂的时候比较稳定。
 
  当然我们也有一个实验到1440小时盐雾实验还是比较稳定的,再做最后一次裸奔的时候电阻剧烈增大,为什么增大?就是有脂,这些盐雾也已经渗透到很多的锡层,我们外面有一个展区。有兴趣可以看一下。
 
  雷击试验。有脂和没脂的试验。
 
  优质的脂在国网公司已经有十多年的运营业绩,从2014年以后的特高压工程都指定的这个优质脂,必须得是经过严格考核的,在现场我们今年又做了一次特高压培训工程,由于现场的送电站公司提供了劣质脂导致四家送电站公司培训试纸不合格。这是一些发热的案例,优质的脂挽救了德国价值上百万的设备。案例就一带而过了。
 
  最后总结一下。
 
  因为我们的金具的东西都是处在自然环境中,它不可避免受到了环境的腐蚀和自身的电流的发热影响还有一些振动的影响,这些电阻增加是必然的,只是快慢的问题。那么措施就是这几,要不由铝变成铜,在铜镀上银,银上面再加一些保护层,节能或者降本的情况下使用这样的复合脂是最经济的一个方式。电力脂是有技术标准的,IEC还有国标还有电力行标,再有一个具有国际共识,刚才说到施耐德、ABB还有西门子等厂家都在使用这个电力脂保护他们的接头。
 
  (内容来自现场速记,未经本人审核)
 
 

 
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