KEMA實(shí)驗(yàn)室研究能力分析

孫福軍，于春來，朱學(xué)成，張洪達(dá)，孫 巍，李 琳,劉 洋

(1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150000；2.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

KEMA實(shí)驗(yàn)室研究能力分析

孫福軍1，于春來2，朱學(xué)成2，張洪達(dá)2，孫 巍2，李 琳2,劉 洋2

(1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150000；2.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

為了參考借鑒國(guó)際先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)?zāi)芰驮囼?yàn)水平，通過對(duì)荷蘭阿納姆KEMA實(shí)驗(yàn)室的調(diào)研分析，梳理了KEMA實(shí)驗(yàn)室的歷史沿革和分布概況，重點(diǎn)分析了該試驗(yàn)室的規(guī)劃布局、電源接線方式、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蜕?jí)改造，為未來黑龍江省低溫試驗(yàn)基地的規(guī)劃和建設(shè)提供參考。

高壓試驗(yàn)室；低溫；電力設(shè)備

隨著電力技術(shù)的發(fā)展，電壓等級(jí)、傳輸容量、輸送距離不斷提升，特別是設(shè)備容量和電壓等級(jí)的不斷提升對(duì)電力設(shè)備的實(shí)驗(yàn)條件提出了更高的要求[1-2]。未來特高壓建設(shè)不可避免地向高寒地區(qū)延伸，對(duì)模擬和試驗(yàn)高寒運(yùn)行條件的試驗(yàn)室提出了更苛刻和更專業(yè)的要求，這是目前建設(shè)特高壓國(guó)內(nèi)試驗(yàn)體系面臨的新挑戰(zhàn)[3-6]。

當(dāng)代實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展已經(jīng)逐漸超越了傳統(tǒng)意義上的僅僅作為試驗(yàn)場(chǎng)地的概念。實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行技術(shù)研究的同時(shí)，向著技術(shù)服務(wù)、技術(shù)鑒定、技術(shù)支持等方面拓展。荷蘭的KEMA實(shí)驗(yàn)室就是這方面的引領(lǐng)者。本文通過對(duì)荷蘭KEMA實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)研，旨在對(duì)未來中國(guó)建設(shè)以低溫環(huán)境電力設(shè)備運(yùn)行和特高壓建設(shè)為背景的實(shí)驗(yàn)基地、提升高寒地區(qū)電力系統(tǒng)運(yùn)行水平提供參考和借鑒。

1 KEMA實(shí)驗(yàn)室的歷史沿革

KEMA成立于1927年，最初為荷蘭電力行業(yè)在阿納姆市的測(cè)試機(jī)構(gòu)。2012年，KEMA并入DNV(挪威船級(jí)社)，并成為DNV KEMA能源及可持續(xù)發(fā)展部門。2013年，因DNV與GL(德國(guó)勞氏船級(jí)社)合并成立新的DNV·GL集團(tuán)，原DNV KEMA再次變更為DNV·GL Energy[7]。

DNV·GL Energy實(shí)驗(yàn)室(以下簡(jiǎn)稱為“KEMA實(shí)驗(yàn)室”)已經(jīng)成為技術(shù)領(lǐng)先的世界級(jí)實(shí)驗(yàn)室。作為國(guó)際短路試驗(yàn)聯(lián)盟(STL)、國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)(IEC)以及國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)會(huì)員之一，KEMA實(shí)驗(yàn)室不僅能為客戶提供各種電力設(shè)備專業(yè)的測(cè)試服務(wù)，還將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到電力行業(yè)組織質(zhì)量認(rèn)證、電力技術(shù)的研究與管理咨詢、資產(chǎn)狀況與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及可靠性改進(jìn)等方面。

KEMA實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)展壯大為一個(gè)全球化的實(shí)驗(yàn)室體系，分實(shí)驗(yàn)室分布在荷蘭、美國(guó)和捷克。其中在荷蘭的分實(shí)驗(yàn)室包括KEMA大功率實(shí)驗(yàn)室(KEMA High-Power Laboratory)、KEMA高電壓實(shí)驗(yàn)室(KEMA High-Voltage Laboratory)和KEMA計(jì)量保護(hù)和變電站自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室(KEMA Metering Protection and Substation Automation Laboratory)三個(gè)部分；在美國(guó)位于查爾方特的KEMA實(shí)驗(yàn)室(美國(guó))(KEMA Laboratory USA)和位于羅切斯特的KEMA電池和儲(chǔ)能裝置實(shí)驗(yàn)室(KEMA Bettery and Energy Storage TestLaboratory)；捷克的布拉格還有KEMA大功率和高電壓實(shí)驗(yàn)室(KEMA High-Power & High-Voltage Laboratory Prague)。本文主要介紹位于荷蘭阿納姆的KEMA大容量(大功率高電壓)實(shí)驗(yàn)室。

2 KEMA實(shí)驗(yàn)室概況

在當(dāng)今世界全球化資源配置和技術(shù)傳播日趨快捷的形勢(shì)下，一個(gè)可靠、權(quán)威的認(rèn)證機(jī)構(gòu)起著越來越重要的作用。KEMA實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過近90年的發(fā)展，已經(jīng)成為全球最具權(quán)威的第三方試驗(yàn)、檢驗(yàn)及認(rèn)證機(jī)構(gòu)，電力測(cè)試和認(rèn)證是 KEMA實(shí)驗(yàn)室的核心服務(wù)內(nèi)容之一，擔(dān)當(dāng)起了電力設(shè)備技術(shù)和可靠性服務(wù)的標(biāo)桿 。

KEMA大容量實(shí)驗(yàn)室位于阿納姆(Arnhem)市西南郊的萊茵河北岸，離火車站2.5 km，離阿姆斯特丹市約115 km。圖1為荷蘭KEMA實(shí)驗(yàn)室的平面置圖，圖2為KEMA實(shí)驗(yàn)室鳥瞰圖。

圖1 KEMA實(shí)驗(yàn)室地圖

圖2 KEMA阿納姆實(shí)驗(yàn)室鳥瞰圖

3 KEMA大容量實(shí)驗(yàn)室

KEMA實(shí)驗(yàn)室在全世界一共擁有三個(gè)大容量實(shí)驗(yàn)室，其中位于阿納姆的大容量分實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)?zāi)芊至ψ顝?qiáng)，是全球首個(gè)能測(cè)試特高壓(1200 kV)電力設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室，它擁有全行業(yè)最大的短路容量，經(jīng)過2014年-2015年的擴(kuò)建，實(shí)驗(yàn)室的短路容量增至13 000MVA。

3.1 KEMA實(shí)驗(yàn)室的大容量試驗(yàn)的總體布置

KEMA實(shí)驗(yàn)室是目前世界上最大規(guī)模采用短路發(fā)電機(jī)的大容量實(shí)驗(yàn)室，擁有最為齊全的大容量試驗(yàn)設(shè)備。

圖3 阿納姆大容量(高功率)實(shí)驗(yàn)室的布置情況

大容量(高功率)實(shí)驗(yàn)室是KEMA阿納姆實(shí)驗(yàn)室中最重要的部分，主要由發(fā)電機(jī)、變壓器、開關(guān)場(chǎng)地、高功率實(shí)驗(yàn)室組成，如圖3所示。其中發(fā)電機(jī)在實(shí)驗(yàn)室的最西側(cè)，分別通過變壓器、開關(guān)場(chǎng)地連接至高功率實(shí)驗(yàn)室。發(fā)電機(jī)安裝在大廳中，在發(fā)電機(jī)側(cè)設(shè)有發(fā)電機(jī)控制室。變壓器和開關(guān)場(chǎng)地為露天敞開方式，高功率實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)有實(shí)驗(yàn)室、調(diào)節(jié)元件室和相應(yīng)的控制室。

3.2 KEMA實(shí)驗(yàn)室的大容量試驗(yàn)的電源方式

通常大容量實(shí)驗(yàn)室根據(jù)電源種類不同分為二類：一類是實(shí)驗(yàn)室直接由電網(wǎng)供電，另一類是實(shí)驗(yàn)室通過與電網(wǎng)分開的獨(dú)立電源(發(fā)電機(jī)、電容器組等)來供電。第一類電源方式的弊端是：電網(wǎng)容量通常都難以滿足試驗(yàn)需求，試驗(yàn)參數(shù)無法根據(jù)需要靈活調(diào)節(jié)，而且電網(wǎng)無法承受頻繁的短路和高過電壓的影響。因此，KEMA實(shí)驗(yàn)室采用了發(fā)電機(jī)供電的方法,所需要的電源容量可靈活調(diào)節(jié)，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響。

圖4 KEMA阿納姆大容量實(shí)驗(yàn)室發(fā)電機(jī)房?jī)?nèi)的短路發(fā)電機(jī)

圖5 阿納姆大容量實(shí)驗(yàn)室主接線回路

為試驗(yàn)提供短路容量的短路發(fā)電機(jī)安放在發(fā)電機(jī)試驗(yàn)站中，是一種專門設(shè)計(jì)的三相發(fā)電機(jī)，如圖 4所示。最初KEMA實(shí)驗(yàn)室安裝了4組短路發(fā)電機(jī)，用于試驗(yàn)的三相直接容量 (在試驗(yàn)端的容量)可達(dá)到8400 MVA，單相直接試驗(yàn)容量可達(dá)5000 MVA。試驗(yàn)過程中通過精確控制4臺(tái)發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行，能夠完成額定電壓145 kV、最大短路開斷電流31.5 kA的三相斷路器試驗(yàn)。阿納姆實(shí)驗(yàn)室具有非常強(qiáng)大的短路試驗(yàn)?zāi)芰?，最近又增加?臺(tái)短路發(fā)電機(jī)，阿納姆的大容量實(shí)驗(yàn)室目前是世界上裝機(jī)容量最大的強(qiáng)電流短路實(shí)驗(yàn)室。

3.3 KEMA實(shí)驗(yàn)室的大容量試驗(yàn)技術(shù)的升級(jí)和 改進(jìn)

為滿足設(shè)備廠家及終端客戶的需求，特別是特高壓試驗(yàn)的需求，KEMA實(shí)驗(yàn)室不斷提升自身的試驗(yàn)?zāi)芰?，主要采用兩種提升措施。

3.3.1 合成試驗(yàn)回路的改進(jìn)

2007年-2008年，為滿足國(guó)際市場(chǎng)對(duì)更高電壓等級(jí)的斷路器產(chǎn)品短路試驗(yàn)的需求，同時(shí)出于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的考量，KEMA實(shí)驗(yàn)室對(duì)阿納姆大容量實(shí)驗(yàn)室的合成試驗(yàn)回路進(jìn)行了改造：采用兩級(jí)電壓回路進(jìn)行疊加的方案，基本結(jié)構(gòu)見圖 6。改造后該合成試驗(yàn)回路已經(jīng)能滿足1200 kV電壓等級(jí)產(chǎn)品的全極試驗(yàn)的要求，其產(chǎn)生的暫態(tài)恢復(fù)電壓(TRV)峰值可超2000 kV。

圖6 KEMA 合成試驗(yàn)回路的結(jié)構(gòu)

3.3.2 短路容量的提升

盡管KEMA實(shí)驗(yàn)室的阿納姆大容量實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)是世界上裝機(jī)容量最大的短路實(shí)驗(yàn)室(如圖7所示)，但隨著電網(wǎng)電壓水平的提高，系統(tǒng)的短路容量也隨之提升，系統(tǒng)所用設(shè)備，尤其是斷路器和變壓器產(chǎn)品的短路電流耐受能力也在不斷提高。為提升短路試驗(yàn)的能力，阿納姆大容量實(shí)驗(yàn)室在原有4臺(tái)短路發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上，于2012年投資7000萬歐元增加2臺(tái)發(fā)電機(jī)組。為了確保最終6臺(tái)機(jī)組能并聯(lián)運(yùn)行，新增的2臺(tái)機(jī)組與原有機(jī)組規(guī)格型號(hào)相同。

圖7 升級(jí)前KEMA實(shí)驗(yàn)室鳥瞰

新增加的2臺(tái)短路發(fā)電機(jī)(圖中8左側(cè)箭頭位置)在原有的發(fā)電機(jī)室的側(cè)面，同時(shí)還增設(shè)了變壓器短路試驗(yàn)的試驗(yàn)廊橋(圖8中右側(cè)箭頭位置)。

2015年，新增的2臺(tái)機(jī)組安裝調(diào)試完畢投入使用。目前，通過控制6臺(tái)機(jī)組的并聯(lián)運(yùn)行，阿納姆大容量實(shí)驗(yàn)室最大測(cè)試功率可達(dá)到13 GW，開斷電流達(dá)120 kA，可滿足超高壓及特高壓電網(wǎng)中特大容量變壓器和斷路器產(chǎn)品的試驗(yàn)需求。

圖8 升級(jí)后的KEMA實(shí)驗(yàn)室鳥瞰

4 KEMA實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)

KEMA實(shí)驗(yàn)室在大容量試驗(yàn)方面，具有以下特點(diǎn)：

4.1 以短路發(fā)電機(jī)為核心，構(gòu)建多方式、多電壓等 級(jí)的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/p>

通過建設(shè)多臺(tái)短路發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)最重要的短路能量供給，進(jìn)而將短路發(fā)電機(jī)連接不同的負(fù)載和試驗(yàn)電路就可以靈活地實(shí)現(xiàn)如變壓器短路沖擊、斷路器開斷試驗(yàn)等大容量試驗(yàn)。

4.2 實(shí)驗(yàn)室布局科學(xué)合理

KEMA實(shí)驗(yàn)室在電氣連接上以短路發(fā)電機(jī)為核心，在實(shí)驗(yàn)室的功能實(shí)現(xiàn)上同樣以短路發(fā)電機(jī)為核心(如圖9所示)，這種布局一方面縮短各部分的連線距離，縮短線路上的雜散電感等分布參數(shù)的影響,另一方面便于布置各實(shí)驗(yàn)室的位置，使得各實(shí)驗(yàn)室均能較好地開展試驗(yàn)。

圖9 KEMA實(shí)驗(yàn)室功率流的方向

4.3 實(shí)驗(yàn)室能力建設(shè)方面采取循序漸進(jìn)的方式

KEMA實(shí)驗(yàn)室持續(xù)跟蹤技術(shù)發(fā)展對(duì)測(cè)試的需求變化，并據(jù)此及時(shí)更新和提升實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。通過這種方式KEMA實(shí)驗(yàn)室能不斷滿足新技術(shù)發(fā)展對(duì)測(cè)試的需求，能夠在幾十年間始終處于電力測(cè)試的前沿水平。

5 結(jié) 語(yǔ)

KEMA實(shí)驗(yàn)室在大容量實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ囊?guī)劃設(shè)計(jì)、平面布局、試驗(yàn)室設(shè)備選擇等方面具有超前獨(dú)到的特色，為日后持續(xù)擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?chuàng)造了條件。通過梳理分析KEMA實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃設(shè)計(jì)能力建設(shè)情況，了解其試驗(yàn)?zāi)芰驮囼?yàn)水平，將會(huì)對(duì)我國(guó)相關(guān)實(shí)驗(yàn)基地的建設(shè)提供相應(yīng)的參考。

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(編輯 陳銀娥)

Overview of experimental ability of KEMA

SUN Fujun1，YU Chunlai2，ZHU Xuecheng2，ZHANG Hongda2，SUN Wei2，LI Lin2，LIU Yang2

(1. State Grid Heilongjiang Power Company Limited, Harbin 150000, China; 2. Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd., Harbin 150030, China)

In order to learn the test capability and test level from the internationally advanced laboratory, carding of historical evolution and distribution status of the KEMA Arnhem laboratory is done and selective analysis is made on the planning layout, wiring, experiment ability and upgrading through the investigation of Holland KEMA laboratory. It provides references for the future planning and construction of low temperature test base in Heilongjiang province. .

high voltage laboratory; low temperature; power equipment

2017-01-07。

孫福軍(1963—),男，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事科技管理和研發(fā)工作。

TM734

A

2095-6843(2017)02-0141-04