液壓傳動技術在電力系統中的應用及展望
作者簡介：范明豪（1975-），男，安徽合肥人，高級工程師，博士，主要從事電力火災與安全防護、電網滅弧用六氟化硫氣體的回收回充及處理循環再利用等方面的科研與管理。
0 簡介
電力系統指由發電、輸電、變電、配電和用電等環節組成的電能生產與消費系統，其功能是將自然界的一次能源如煤炭、石油、天然氣、風能、太陽能、地熱能、水能、潮汐能、核能、生物質能等通過發電裝置轉化為電能，經過輸電、變電及配電後供應到各負荷中心——用戶，再通過各種設備將電能轉化為動力、熱、光等不同形式的能源。電力是經濟發展的先行部門，從1910年到2010年的100年中，美國電力裝機、用電量、電網規模一直位居世界第一。隨著經濟的發展，我國的電力規模也在快速增長，據中國電力企業聯合會數據，截止2013年底，我國電力工業規模全面超過美國：12.4億kW左右的發電裝機，110萬km的110kV及以上輸電線路，5.245萬億kWh的年用電量，9家電力企業進入世界500強，構成了世界最大的電力工業體量。
液體傳動的基礎是帕斯卡原理。狹義的液壓傳動技術指以礦物油作為工作介質，利用液壓泵將原動機的機械能轉換為液體的壓力能，經過各種控制閥和管路來傳遞與控制液體壓力能，藉助缸或馬達等液壓執行元件轉換為機械能來驅動工作機構，實現直線往複運動或迴轉運動。具有功率大、速度低、平穩等優點，在工業生產特別是在機械驅動中被廣泛應用。但礦物型液壓油存在容易泄漏導致環境污染的問題，同時，礦物油在一定環境下會燃燒。
水壓傳動技術以過濾後的水作為工作介質，具有來源廣泛、價格低廉、環境友好等優點。隨著新型材料的應用、精密加工的進步和新結構液壓元件的研製成功，在世界範圍內的化石及石油能源日益枯竭的背景下，其應用前景越顯廣闊，是新型綠色傳動技術。
電能的生產過程和消費過程同時進行，既不能中斷也不能儲存，因此電力生產是安全性要求極高的資金密集型高技術產業。本文簡介油壓傳動技術在電力系統中的一些應用實例，並展望水壓傳動技術在電力系統一些場合的應用。
1 油壓傳動技術在電力系統中的應用案例
1.1汽輪發電機的油潤滑系統
汽輪發電機組是高速運轉的大型機械，其支撐軸承和推力軸承需要大量的油來潤滑和冷卻，供油的任何中斷即使是短時間的中斷，都將會引起嚴重的設備損壞。供油系統由油箱、主油泵、注油器、輔助油泵、冷油器、頂軸油泵、凈油系統、除油霧系統、電加熱器、遠傳液位指示器等組成[1]。其主要任務有兩點：向汽輪機發電機組的各軸承提供足量的、壓力和溫度合格的潤滑油，起潤滑、循環換熱及一些輔助作用；在機組停機或啟動時，向盤車裝置和頂軸裝置供油以建立油膜托起軸頸[2]。汽輪機潤滑油系統如參考文獻[2]的P31所示。
常用的32#油符合GB11120-2011《渦輪機油》要求，目前主流機型的300MW、600MW機組正常運行時用油量在28～36t之間。潤滑油箱通常布置在汽輪發電機組運行層以下；主油泵是雙吸離心油泵，吸油壓力在0.098～0.147MPa之間，裝在汽輪機前軸承座中轉子延伸端部，機組轉速達到2900r·min-1以上時向系統供油，保證軸承進油管處0.137～0.176MPa的壓力。
注油器安裝在油箱內，當機組接近額定轉速後，交流電動油泵停止運行時，分別向主油泵和潤滑油系統供油；輔助油泵包括交流軸承潤滑油泵和事故油泵，交流軸承潤滑油泵在機組啟動和停機時，向潤滑油系統供油，並通過一節流孔板向主油泵供油，事故油泵由蓄電池供電，是前者的緊急備用泵；板式冷油器通過水冷保證軸承的進油溫度在40℃～46℃之間；發電機組設置2台柱塞式頂軸油泵，在啟動盤車前，先啟動頂軸油泵，利用其10～12MPa的高壓油將軸頸頂離軸瓦，避免兩者間的干摩擦，也可以減少盤車的啟動力矩進而減小盤車馬達的功率；凈油系統除去潤滑油中的水、固體顆粒和其他雜質；機組配有互為備用的兩套除油霧系統，它將油箱內的油氣抽出，使油箱、軸承座和回油管道中形成微負壓；浸沒式管狀電加熱器供冬季機組啟動前加熱油。
1.2汽輪發電機的抗燃油液壓系統
隨著汽輪發電機組容量的增大、蒸汽參數的提高，油動機開啟蒸汽閥門的提升力也增大，對機組的安全性、經濟性及其自動控制水平的要求也越來越高。汽輪機油的閃點在135～150℃，燃點在165～195℃，自燃點約332℃，易蒸發、燃燒，同空氣混合能構成爆炸混合物。而高壓蒸汽溫度可達550℃以上，據資料統計：20世紀50年代中期，在世界範圍內由於礦物型液壓油噴泄到熱表面上而引發的火災事故不斷發生，火災事故占電廠事故總數的75%以上。用熱板法測量的自燃溫度達700℃～800℃的抗燃油成功取代透平油作為機組調節汽門系統的工作介質，大大減少了火災的可能性和造成的損失。
汽輪機數字電液控制系統(DEH，Digital Electric Hydraulic Control System)，由計算機控制部分和EH液壓執行機構組成。通過控制高壓主汽門、高壓調門、中壓主汽門、中壓調門、系統中的各電磁閥和EH油泵、通風閥及倒暖閥等，貫穿汽輪機從掛閘、沖轉、暖機、同期併網、帶初始負荷至帶滿負荷的全過程，控制機組的轉速和功率，提高調門控制精度[3]。
抗燃油EH液壓系統是DEH的一個重要部分，由供油系統、執行機構和危急遮斷系統組成：供油系統由油箱、油泵-電機組件、控制塊、濾油器、磁性過濾器、溢流閥、壓力保持在8.8～9.2 MPa的氮氣蓄能器、自循環冷卻系統、抗燃油再生過濾系統、油箱加熱器等組成。DEH系統的原理圖見文獻[3]的P73。其功能是由恆壓變數柱塞泵提供12.42～14.47MPa的高壓抗燃油，供驅動伺服執行機構；執行機構由伺服放大器、電液轉換器和具有快關、隔離和逆止裝置的單側油動機等組成，負責帶動高壓主汽閥、高壓調節汽閥和中壓主汽閥、中壓調節汽閥。響應從DEH送來的電指令信號，調節各汽門開度；當運行參數超限時，危急遮斷系統就關閉全部進汽門或只關閉調速汽門，保證汽輪機正常安全運行。單台機組的抗燃油用量在700～1000L之間。
1.3大型電力變壓器的排油注氮消防系統
發電廠所發的、電壓一般低於30 kV的電能要輸送到遠方，必須先升壓為高壓電經輸電線路輸送到用戶附近後再按需要降壓，升、降電壓均靠變電站來完成。作為輸電和配電集結點的變電站，其作用是變換電壓等級、彙集和配送電能、控制電力流向。由進行電壓變換所需相應的電氣設備、控制設備和保護設備以及建築物等組成，是電氣主接線、變壓器、高壓開關、互感器、避雷設備、母線設備、無功補償裝置、自動裝置、繼電保護裝置及狀態檢測設備等，按照功能和規定的有機組合。
變壓器通過電磁感應在兩個系統中轉換電壓和電流，是變電站的核心設施。它由鐵芯和套於其上的兩個或多個繞組組成，內部浸滿大量絕緣油，油符合GB 2536-2011《電工流體 變壓器和開關用的未使用過的礦物絕緣油》要求。變壓器著火一般因內部絕緣被破壞而引起，包括過負荷操作、過電壓或雷擊過電壓、油位下降、潮濕或油酸解以及絕緣套管破裂等。無論是鐵芯產生的持續高溫，還是由於短路、過電壓等內部電弧產生的高能放電引起的突發性短暫高溫，油溫只要超過400℃就會分解出各種可燃氣體，使變壓器箱體內部壓力增大，若超壓則會使油及可燃氣體從薄弱部位如瓷套管、器身焊縫、防爆口等破裂處噴出，與空氣接觸摩擦後起火甚至爆炸，造成嚴重損失。
變壓器的消防防護在電力系統中十分重要。排油注氮裝置即是目前較常見的變壓器滅火設施，由控制和滅火兩部分組成：控制部分主要是控制屏或控制箱；滅火部分由滅火櫃、注氮管路、排油管路、探測器、壓力控制器、斷流閥組成，滅火櫃內有氮氣瓶、減壓器、氮氣釋放閥、排氣閥、單向閥、快速排油閥等[4]。
其工作過程：一旦變壓器內發生嚴重故障即會分解出大量氣體，使瓦斯繼電器動作；瓦斯繼電器和溫度探測器動作作為啟動的充要條件上傳到控制屏或控制器，瞬時打開排油閥排出變壓器頂層燃燒的熱油，防止變壓器箱體過熱破裂；同時，安裝在油枕與變壓器間的斷流閥因流量超過給定值而關閉，隔離油枕防止溢油；延時約3～5s後脫扣裝置打開注氮閥，公稱壓力15MPa的氮氣瓶向變壓器箱體內持續注入0.5～0.8MPa壓力的氮氣約10min，攪動內部油液使頂部油溫降到燃點以下；同時，氮氣上升後覆蓋在油表面，減少了著火面的氧含量起到抑制火勢和防爆的作用。GA 835-2009《油浸變壓器排油注氮滅火裝置》中，對其部件的性能要求、試驗方法、檢驗規則、使用說明書編寫要求等均給出明確規定。
1.4 GIS液壓操動機構
氣體絕緣金屬封閉電器(GIS，Gas Insulated Metal-enclosed Switchgear)，利用六氟化硫氣體良好的絕緣性能，將斷路器、隔離開關、接地開關、負荷開關、電壓互感器、電流互感器、氧化鋅避雷器、母線、進出線套管、電纜終端等封閉地組裝在一起[5]。具有佔地面積小(相比敞開式，110kV的GIS佔地面積約為1/10，220kV的GIS僅約1/20)、維護工作量小、運行可靠性高的優點。
液壓傳動具有功率與質量比大、力與質量比大，響應快、時滯小、運動平穩和負載特性配合好、速度可調性好等優點，因此斷路器配用三極液壓操動機構進行分合閘操作。液壓機構由儲能部分(儲壓器、油泵和電動機等)、執行元件(工作缸)、控制元件(閥門)和輔助元件等組成，其性能優劣對斷路器的工作性能和可靠性影響很大[6]，GIS液壓操動機構原理圖見文獻[6]的P47。但由於工作壓力大、液壓油的可壓縮性和溫敏性，且高壓斷路器動作次數少(平均2次/年)，容易出現內外滲漏、頻繁打壓、儲壓器漏氣及電器元件損壞等故障，且發生故障時難以迅速查找原因及檢修，會威脅變電站的安全運行。
2 水壓傳動技術在電力系統的應用展望
2.1 EH液壓系統的抗燃油替代
EH系統採用的三芳基磷酸酯型抗燃油，其揮發性低、抗磨性好、熱氧化穩定性高、物理性能穩定，在極高溫度下雖也能燃燒，但不傳播火焰或著火後能很快自滅。但因其固有的理化特性，使得在應用過程中存在以下一些問題：
（1）具有輕微毒性。大量接觸後神經、肌肉器官受損，呈現出四肢麻痹，此外對皮膚、眼睛和呼吸道有一定刺激作用。
（2）密度一般為1.11～1.17t/m3，有可能使管道中的污染物懸浮在液面而在系統中循環，造成某些部件堵塞與磨損。
（3）使用過程中不能混入水。水會浮在液面上排除較困難，不但會影響油的潤滑性能，更嚴重的是會導致油的水解劣化、酸值升高而造成系統部件腐蝕。
（4）運行中產生的泡沫會影響機組的安全運行，同時會加速油質劣化。
EH油目前大都依賴進口，價格昂貴，且在使用過程中會有少量異味尤其是在濕熱天氣里異味更濃；檢修及運行均不方便；更換後的EH油的無害化環保處理也較困難。如果採用水作為工作介質，則可使運行維護程序大大簡化、維護成本大為降低，但在替代過程中應考慮以下問題：
（1）電液伺服閥的研製。作為DEH系統核心和關鍵的電液伺服閥既是電流轉換元件又是功率放大元件，其性能優劣對DEH系統影響很大。它接收計算機運行處理後的開大或關小調節閥的電氣信號，將電信號轉換為液壓信號，驅動伺服閥主閥移動，並經放大後控制高壓油通道：使高壓油進入油動機下腔，油動機活塞上移經傳動機構帶動調節閥開啟；或使壓力油自活塞下腔泄出，在油動機彈簧的作用下活塞下移關閉調節閥。油動機活塞移動的同時帶動線性位移感測器，將活塞的機械位移轉變為電氣信號，作為反饋信號與前述經計算機運行處理的電氣信號疊加，直至疊加後的電氣信號數值為零時，調節閥停止移動，停留在一個新的平衡位置上，實現調節閥開口的自動跟隨控制[7]。文獻[7]的P92圖示為典型電液伺服閥結構。
（2）系統工作穩定性及工作壓力。電力系統格外強調性能穩定，為此關鍵設備均一用一備，以防故障而影響整體運行。因此，元件及系統的無故障運行壽命要有保證；可以通過降低系統工作壓力(比如8～10MPa)來解決目前水壓元件在這方面存在的問題，前提是考慮相應措施避免EH系統的響應誤差，致使各汽門開啟或關閉達不到精度。
（3）汽門附近的換熱問題。抗燃油普遍應用的原因就是在接觸汽輪機部位的抗燃性明顯優於透平油，一旦管路泄漏不會引起火災。如果採用水作為工作介質，完全可以避免因管路泄漏而致的火災隱患，但應汽輪機組接近汽門處設置換熱器，通過水冷換熱以避免因溫度過高進而影響功能。
（4）工作過程中的固體顆粒及雜質過濾。水的潤滑性能較油差而泄漏較油大，水壓元件在設計時採用耐磨材料以及減小零件間隙作為應對手段。為此：系統中可能存在的固體顆粒需要嚴格控制，可考慮從將在鍋爐中汽化為過飽和蒸汽的補給水或給水管路取水，並適當調整酸鹼值後作為工作介質。補給水的pH值在6～7之間，給水的pH值在9.2～9.6之間[8]，兩者的固體顆粒含量均被嚴格控制在極低範圍內以防止磨損水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器等蒸汽管路。考慮到空氣中的CO2為弱酸，可將水的pH值調整在7～8之間後再作為EH系統工作介質，運行過程中保持對pH值及固體顆粒的監測，當超值時直接開式更換。
2.2輸電線路山火的水基型撲救
隨著近年出台的保護原有植被、退耕還林、封山育林等政策，我國的森林覆蓋率和植被密度大幅提高。但我國的能源資源和負荷中心呈逆向分布：70%以上的能源需求集中在東中部經濟較發達地區，76%的煤炭資源分布在北部和西北部，約80%的水能資源分布在西南部，風電等新能源也主要集中在北部和西北部，且能源開發中心西移北移、負荷中心在東中部地區的基本格局長期不會改變，能源資源大規模、跨區域、遠距離傳輸和大範圍優化配置勢在必行。種種因素都使得線路走廊日益緊張，越來越多的線路經過植被茂密的山區、森林和田地，同一條輸電線路可能經過不同的區域，火災對漫長的輸電線路的影響不可忽視：季節性氣候問題導致山火爆發的次數呈上升趨勢，在春節、清明、冬至等周期性傳統節日的習慣性大量燃放煙花爆竹或焚燒紙錢都極容易造成山火，持續乾旱也使得山火易發。在北方平原地區的農作物收割季節，農民對大面積的秸稈會選擇採取就地焚燒的方式。山火或秸稈火如果蔓延到架空輸電線路附近，則可能導致跳閘，其中絕大部分重合閘失敗造成停電事故且恢復難度較大。
城市有消防管網保障供水，而山火或秸稈火撲救時能利用的水資源較少，常見的是溝渠、池塘及溪流，現有消防裝備大都採用大流量的水炮或水噴淋，水的有效利用率不高且可實施性不強，因此研究如何利用有限的水資源撲救山火或秸稈火，具有現實意義。細水霧系統在撲救封閉空間的火災時很有效，但對開放空間的大規模火災則功能有限。山火或秸稈火的可燃物為較單一的植被，可考慮聯合化學消防手段，結合細水霧的高效霧化節水功能以及化學的抑火機理進行更有效的撲救：對初起火災，可採用攜帶型細水霧滅火系統，摻入環保的抑火型化學製劑，採用人工背負的方法進行手工點對點式滅火；對已成規模的火災，可就近用普通水泵取水至車載式水箱內，充分混合環保的抑火型化學製劑後，由水壓傳動元件產生細水霧所需的高壓力後進行多點展開式噴霧滅火。
2.3變電站充油設備的水壓消防
火災是火在時間和空間上失去控制而蔓延的一種災害性燃燒。變電站內變壓器、電抗器等大量充油設備是火災防護的重點對象：110kV變壓器用油12～20t；220kV變壓器用油30～40t；750MVA/500kV三相一體式自偶有載變壓器用油約120t；最新的1000kV工程中，變壓器單相用油約129.7t，高壓電抗器單相用油約70t，調補變單相用油約47.8t。
GB50229-2006《火力發電廠和變電站設計防火規範》11.5.4條規定：「單台容量為125MVA及以上的變壓器應設置水噴霧滅火系統、合成型泡沫噴霧滅火系統或其他固定式滅火裝置。其他帶油電氣設備，宜採用乾粉滅火器。地下變電站的油浸變壓器，宜採用固定式滅火系統。」DL 5027-1993《電力設備典型消防規程》7.3.1條規定：「變壓器容量在120MVA及以上時，宜設固定水噴霧滅火裝置，缺水地區的變電所及一般變電所宜用固定的二氧化碳或排油注氮滅火裝置」。根據上述規定，電力系統220kV及以上的變壓器都安裝了固定式滅火系統，主要有排油注氮、水噴霧和合成型泡沫噴霧三種。排油注氮在220kV變壓器中應用最多，500kV變壓器中三者各佔一定份額。電力系統自動化程度很高，但現有的變壓器消防設施卻一直採用手動甚至是主動隔離消防裝置的反饋信號，不外是各滅火手段均有其自身的缺點：
（1）排油注氮的缺點是接收到偽信號時的誤動會使變壓器排油，如果變壓器帶負荷時被排油，不僅會停電，更會嚴重損傷變壓器內部構造，停電期間的損失固然可觀，變壓器本體的維修費用也動輒以百萬甚至上千萬計。
（2）水噴霧系統由水泵、管道和雨淋閥等組成，是較細粒徑的水噴淋，而不是嚴格意義上的高壓霧化細水霧，壓力不足使水霧粒徑偏大因而絕緣性能不高，運維人員不敢輕易使用；系統常年不用，只在變壓器檢修時進行試驗，極易造成管路鏽蝕、阻塞等故障，導致需要噴霧滅火時無法起作用；系統日常需採取保壓等措施，並要求每年進行試噴，管理較困難且成本較高。
（3）合成型泡沫噴霧通過氣壓式噴霧合成泡沫滅火劑。系統由儲液罐、合成泡沫滅火劑、氮氣啟動源、氮氣動力源、電磁控制閥、水霧噴頭、管網等組成。其特點是滅火效率高、絕緣性能良好、無水池、專用電源泵組及排水設施，不污染環境。但其管路運維及檢修較複雜。
水壓傳動技術的優點顯而易見：滿足產生細水霧的高壓條件、工作時管路不帶壓、統緊湊且運行維護相對簡單。在技術上解決細水霧的有效噴距和粒徑、絕緣、有效汽化等參數之間的關係後，再克服電力系統對這一消防手段心理認知誤區，從上述變壓器用的主流消防手段來看，其替代應用雖需假以時日但肯定能有效滿足大型電力充油設備的消防需求。
2.4電力電纜敷設區域的細水霧滅火
電纜廣泛應用於電力系統的各個環節，起電能傳輸(各種電壓等級的交直流電力電纜)和信息傳遞(控制電纜和通信電纜)的作用。除架空高壓電纜為純金屬導線外，均為帶外絕緣護套的電纜，外絕緣護套的主要成分為高聚物如塑料、橡膠和橡皮等[9]。電力電纜所處的環境大多較差，並且部分場所如電纜溝內的電纜密集度高，運行維護困難。加上電纜安全運行的監控措施比較單一，不能在全線範圍內日夜監控，因此對電纜發生火災等事故或者在其運行過程中的不安全隱患，不能及時有效地控制，發生火災的機率很高。同時，民用建築越是稠密、人員越是集中的地方，其電線電纜敷設也越密集，火災潛在威脅相應越大。
電纜火災影響到電網的安全運行，或引起大片用戶短時間停電造成經濟損失、社會影響嚴重，甚至造成人員傷亡。電纜起火的原因主要有：電纜頭故障、長期運行絕緣老化擊穿短路、受外力機械損傷或其他原因的絕緣破壞短路、電纜本身質量或者安裝工藝不過關、其他電氣設備故障、運行方式不正確、敷設缺陷等。電纜火災的特點有：起火迅速，火勢猛烈，不易控制；發煙量大且燃燒產物有毒，嚴重威脅人員生命安全；火災初期難以發現；搶救滅火困難；損失嚴重，影響範圍廣等[10]。近年來，國內由於電纜引發的火災事故逐年上升，在電力電氣火災中約佔40%，在民用電氣火災中約佔70%。據有關資料統計，近20年來，僅我國火電廠就發生電纜火災140多次，有24個電廠發生過兩次及以上電纜火災事故，個別電廠達4～6次。70%以上的電纜火災造成非常嚴重的損失，其中40%的火災事故造成特大損失。國際上由電纜引發的大規模破壞性火災事故也屢見不鮮。電纜的防火問題在應用、設計和製造單位已經引起了普遍的關注，在電纜層、控制室、高壓室、電纜豎井和電容器室等部位設置火災自動檢測報警和自動滅火消防裝置，是行之有效的手段。
在電力電纜集中敷設區域，細水霧滅火系統建議定位在電力機房的地板電纜夾層、關鍵電力場所的電纜豎井處應用，不建議在變電站電纜室使用。前者可以充分利用細水霧的動能及抑火功能，並避免可能的水絕緣失效而引起漏電導致更大災害；後者則是避免細水霧在大範圍內使用時的效能不足。
2.5重要電力場所的水消防隔幕
現代高層建築中大量採用美觀新穎的玻璃幕牆。玻璃是以石英砂、純鹼、石灰石為主要原料，外加助溶劑、脫色劑、著色劑等輔助原料，經高溫熔融後成型、冷卻而成的固態物質。著火時玻璃受火面溫度升高，背火面及其他未受火烤的區域，由於玻璃導熱係數小仍維持較低溫度，由此產生的熱應力如果超過玻璃強度即會炸裂而失去隔火作用。根據實驗，玻璃局部溫度達到250℃就會發生炸裂現象。所以玻璃雖是不燃燒體，但其耐火極限很低，因此需要有效防護。
水簾狀的水幕不直接用於撲滅火災，而是與防火捲簾、防火幕配合使用，用於防火隔斷、防火分區以及局部降溫保護等。它是由噴頭、管道和控制閥、火災探測控制裝置等組成的一種自動噴水系統[11]。也可以單獨設置，用於保護建築物門窗洞口等部位。在一些既不能用防火牆作防火分隔、又無法用防火幕或防火捲簾作分隔的大空間，也可用水幕作為防火分隔或防火分區起防火隔斷作用。水幕牆還能迅速與有毒氣體混和稀釋，降低有害氣體濃度，降低火場溫度，對煙霧、毒氣等起中和、稀釋、吸收、防止蔓延的作用。
電力調度大樓中，往往集中了大量的重要部門，如調度大廳、資料庫機房、通信機房、重要的檔案資料以及相當數量的辦公人員，是電力系統的關鍵場所。由於大樓外表玻璃幕牆的範圍大，常規水幕設施所需的保護用水量大且佔地面積相應很多，可充分利用水壓傳動高壓細水霧，採取多點共源或分層分片的布置方式進行火災防護，既大大節約用水，又可使玻璃幕牆不致因火炙後受水力衝擊而破裂，還儘可能地壓縮了管路及系統空間，節省出有效面積。
3 結語
油壓傳動技術在電力系統中得到了廣泛而成熟的應用；水作為工作介質避免了礦物型液壓油的缺點，水壓傳動在電力系統中替代油壓傳動、尋找新的應用場合等方面大有前景。
參考文獻
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