国网电力科学研究院(南瑞集团)、北京国网互联电气技术有限公司教授级高工王国刚:《恶劣环境下叶片避雷线故障分析与可靠性提升》

2019-08-26 东方风力发电网 点击:321
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2019年8月21日上午,由东方风力发电网主办的2019中国风电叶片运维技术专题研讨会(CWPM2019)在无锡市锦江大酒店隆重开幕。会议期间,国网电力科学研究院(南瑞集团)、北京国网互联电气技术有限公司教授级高工王国刚发表了题为《恶劣环境下叶片避雷线故障分析与可靠性提升》的精彩演讲。

 

以下为演讲实录:

其实我讲的是很小众很小众的东西,它虽然小,但是如果你不注意的话它可能会引起避雷系统的失效,所以我就这个问题和大家汇报交流。

首先是我们收集一些案例,进行机理分析还有我们做了一些方案的提升。叶片在空旷的山里或者是海上遭受雷击是家常便饭,经过我们的收集发现避雷线被烧掉,还有被损坏的叶片,紧接着是避雷线的烧毁。所以避雷系统、风电设备及配套设备,有很多很多,但是以叶片开始,以叶片结束,中间穿插一些主机设备的连接还有一些配备设备的连接。

 叶片实际上很简单,在我看来,我是外行,在顶部有一个接闪器,在侧端有接闪期,还有汇流线,通过端子把它压在一起,现场观看一些东西,有的大概还在使用进行端子(音)的保护,有的端没有使用。

(公司)公开发表一篇论文,他们发过接闪器的材料选择对于接闪器的性能优巨大的影响,他们发现不同的材质的抗腐蚀能力或者是导电能力有巨大的影响。当雷击下来的时候你的接闪器本质是已经失效了。

这个是我们电气系统,有发电机、变流器、升压器还有变压器、端子排、连接管、可控硅、断路器等等,都是有N多的连接器件连接起来的,这些连接器件如果稍有不注意就有可能产生过热、烧蚀或者是产生火灾的情况。这是我们变电站常用的设备,并联电容器、电抗器等等。

这个是我们电力系统接头发热的现象,这种事发电系统以前根本不重视,但是直到2015年我们国家特高压工程也就是风电发热电基本内蒙往华东送的时候它必须停运了,因为它发热的,要不然就会爆炸,这样国网才重视接头发热的事情,2014年停运了11次。不仅是这样的电压,还有超高压一样可以发热,发热以后没有什么好办法,只有停电或者是再去维修,这是一些案例,电抗器发热,还有连板发热,还有线路接头发热,晶体管发热,还有一个现象如果我们在山上的时候管里面没有防护介质的话还可能爆裂。

发热的原理主观因素是当时设计得不足,还有考虑的一些密度或者是尺寸的原因,还有安装工艺的问题,现场不按照设计去做地第三个是金具质量的问题。客观因素一切都是完美的,但是连接寿命就是有限的。所以在这种影响比如表面氧化、自松动、微振、保护材料问题就会发现发热的现象。

 首先看看电接触的机理。这个事很简单,就是两个片两个螺丝把它拧起来形成一个通路,实际上在我们做工作的过程中,这个电流大部分是通过螺栓下边那个部分过,其他部分非常少,90%以上的电往这过的。我们通过微观观察,这里面实际上电流是通过不足1%把这个电送过去,其他部分都是大酱油的。然后与接触面积、接触压力、硬度、收缩电阻、电阻率、直径有关系。第二个风电的连接器件处在腐蚀环境里面,刚才前面的专家已经说了,还有盐雾还有大浪的腐蚀,我们的铜、铝在这里面很容易被腐蚀,如果不做保护的话。这里面还有一个电偶腐蚀,可以看到银、通、铝、铁锡只要连接在一起,在盐雾环节马上把低电解的东西腐蚀掉。还有锡这个东西不是电的连导体,锡有两个问题低于13.2由原来导电变成灰锡不导电,零下13.2度锡的导电大幅度降低,就是原来导电停好了,可能马上导电大幅度降低,再有一个锡长时间运行,氧化成二氧化锡以后变成半导体,我说的还是自损伤。还有不管是什么电力,都存在振动,尤其是风电,振动是我们风电的主题,如果不振了,我就没法发电的,但是振动又是我们连接的弱点,你要是导振连接错了会容易被振松或者是振垮然后失效。还有保护材料问题主要是未使用保护材料,一个是稍微时间一长就容易发热,第二个是雷击来的时候雷击产生打火现象。

 解决方案最快的就是使用优质电力复合酯,改进电连接金具结构或者是提高材料表面抗腐蚀性。为什么要镀银,镀银就是好于铜,就是远远大于好于铝,就是我们保护材料的性能。再一个监测就不提了。

讨论一下电力复合酯。电力复合酯实际上电只要在全世界大规模应用以后,这个东西马上就开始用,不是什么新鲜东西,但是这个东西在我们电力系统是普遍地常用的东西,在风电相对于整个电子系统,风电还属于新生行业,很多的接头处不管是叶片还有动力电还有后面的设备好少有人注意这个东西或者是随便买点就行的,无论是法国、日本、中国、美国现在都在用这个东西,它的本质就是要在接头的部位产生一层膜,然后使外面的腐蚀介质不要进去,保持它导电的完整性,因为这个导电一旦开始导电的话,这里面就非常容易产生氧化,尤其是铝氧化特别快,所以这种保护膜是非常有必要的。

这个是美国电力工程师协会的推荐标准,就是一定要使用导电质,然后增强电阻性、包裹性。这是我们国电王公司开展,这是施耐德公司的一个专家可以说把市面上几十种导电质做的试验,然后讲异金属之间一定会产生化学腐蚀,我们一定要使用电解质(音),但是一定要仔细选择,否则的话不但没有作用,还会有负作用。

我们做了一些研究,当时是国网公司给了我一个课题,然后我们经过大概一年多的研究把这些东西弄出来,给大家汇报一下。首先越是导电膏越是有机油和其他的油勾兑的,你稍微一用就分层下来,零下20度左右已经成块了,他在现场尤其是东北或者是西北是无法使用的。其有一个在高温的时候这些电解质一个是它自己干裂,然后导电性非常差,根本无法保护我们的电接处。有的导电膏拿上来以后自体被氧化,无法被保护。再一个是电阻的可靠性,我们拿一些市面导电膏进行对比实验,发现经过12小时的实验,它的电阻增加的80倍,相当于你原来选了120然后除以80,我们在不知不觉中被人下了手脚,当雷来的时候,我们的设备被击坏了,我们不知道是劣质导电膏在这里面使了坏。还有高温蒸发损失,它如果自己坏了怎么保护其他的设备?优秀导电膏很稳定,自己的蒸发非常小。再一个是接触电阻与应力的关系,时间关系不给大家讲。还有一个电流的关系,同样的接触面,不同的电解质,同样的电解质,到150分钟的时间能差大概10度的温度,当大量的风波的时候表面内部氧化是非常剧烈的,有电解质保护以后能够很好地抑制这种氧化的发生,但是铝的氧化是不可逆,一旦氧化之后只能往下走。下面是高低温交变的实验,比如说我们的风场有夏天,有冬天、有白天,有晚上,也可能夏天最高到80,90,到冬天山上的时候零下40,50,所以我们做这个实验验证导电膏的可靠性,经过实验可以发现如果优质的导电膏可以很好的保护我们的接触面,但是劣质和不用导电膏一样。这个是湿度循环实验,我们的接触面在潮湿环境里,我们的连接器件是受到严重威胁的,需要导电膏进行保护。这个是盐雾腐蚀实验,我们现在做了十天的盐雾实验,效果很明显。现在我们做1440小时的侧端避雷线的实验。这个是雷击试验,前段时间有领导给我们提出来让我们做雷击试验,我们自己不懂没有标准,就跟着我们的厂商帮忙做这些试验,段买的GLPS实验室用他们的导电膏做的是200项完了以后发生了打火,然后我们自己的导电膏通过这个实验,没有任何地损伤和导火的现象。户外长期稳定性,用完以后就在很多的部门或者是现场使用,一旦用了以后,到现在10年,5年或者是几年再也没有出现过接头的故障问题。

做一个简单的总结,如果我们使用导电膏一定要选择优质的导电膏,使用之前电阻供应一定要降低或者是持平,不能增加,第二低温零下40度不能裂,裂了冬天不能用导电颗粒本身不会氧化,普通导电膏大家都用了很多的,又分层又有段,这个东西用还是不用对我们的风机叶片会产生巨大恶劣的影响。

案例机身避雷系统还有叶片叶片避雷系统很多厂家都在用。需要强调的一点就是我们现在很多表面是镀锡的,镀锡这个事情可以防止铜不被氧化,但是镀锡在连接的时候要不就把它打掉,要不这个涂层优质导电膏也能够把它保护得很好。德国的一个设备五年的,2017年发热,它就是镀锡的层,然后氧化成白色或者是黑色,我们把它打掉重新涂上导电膏到现在平稳地运行,没有任何的问题。

最后总结一下,叶片的恶劣环境、雷击、潮湿进水还有腐蚀、盐雾、氮化物对于叶片产生恶劣影响,再一个是振动金属材质,如果是工艺的其他部位还有大电量还有电蚀、潮湿(进水)、腐蚀介质、振动、铝材质。提升措施就是你要是用铜带铝能提升3倍导电性,镀层银又能提升3倍,但是大家知道要降本再降本,很多地方用铝替代铜,所以这个事就使不通了,经济结构你不能做到无限大,这个也行不通,所以最简单的就是使用优质电力酯,抗腐蚀、防水、降电阻,增握力,然后稳当地运行25年,不出现任何的问题。

最后感谢我们的合作伙伴:金风、龙源、双瑞、湘电等公司。谢谢大家。

(内容来自现场速记,未经本人审核,如有不妥请联系修改)


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