我国复合绝缘子制造技术的发展与展望

我国复合绝缘子制造技术的发展与展望

0复合绝缘子运行情况复合屋顶的发展和应用已经使用了40多年。我国复合绝缘子的研制开发工作始于80年代初。尽管起步较晚,但起点高,在吸取国外经验的基础上一开始就研制生产出高温硫化硅橡胶绝缘子。80年代中期35~110kV的复合绝缘子样品投入试运行。1989年底至1990年初,华东、华北、东北等地相继发生大面积污闪事故,复合绝缘子由此进入工业性试运行阶段,并在110和220kV污闪事故多发、易发地区的线路大批量率先使用复合绝缘子,紧接着德国、美国和国产的复合绝缘子进入500kV电网。到1994年底入网运行复合绝缘子数量约5万支。此后,复合绝缘子入网数量连年翻番,1995年为10万支,1996年为20万支,1997年底已超过46万支,1998年底达60万支,1999年底超过84万支。截止2005年10月,全国挂网运行的复合绝缘子约600万支(已折算成110kV)。20多年来,复合绝缘子在其应用和迅速发展过程中,也暴露出了一些尚待解决的问题:如高湿度天气(长时间大雾、露、雨)下闪络、机械强度下降、击穿、掉串、劣化、鸟害、冰闪及运行检测技术等。尽管如此,运行经验一再表明,硅橡胶复合绝缘子的使用有效地遏制了大面积污闪事故的发生,大大减轻了原来污秽地区繁重的清扫及零值检测等运行维护管理工作,成为我国解决污秽地区输电线路外绝缘污闪问题最为有效的方法之一。我国复合绝缘子的技术水平和应用已居世界领先水平,其运行经验已引起了CIGRE和IEC的关注。1重要的复合能源制造技术的发展历史1.1由界面的变化造成复合不同的金属界面复合绝缘子中存在有许多界面,包括芯棒内部的玻璃纤维和浸渍树脂之间、填充料粒与聚合物之间、芯棒与伞套之间、伞套的各个部份之间、伞裙之间、伞套与伞套之间、伞套、芯棒与金属附件之间的界面。它们结合的好坏都会对复合绝缘子的机电性能产生影响。目前,国内硅橡胶伞裙护套和芯棒成型工艺主要有整体注射、整体模压、挤包护套后单伞裙套装三种成型工艺。1复合绝缘子单伞粘结灌胶工艺早期的复合绝缘子伞裙护套和芯棒成型工艺是利用伞裙护套内径与芯棒外径的负公差,扩张伞裙护套内径,将单个伞裙逐个挤套在芯棒上,芯棒与伞套界面用介电类粘结剂粘结,由此形成早期的复合绝缘子单伞粘接真空灌胶工艺。该工艺并不复杂,但工艺要求条件高,流程多,工作效率低,易因粘结不良导致内绝缘击穿事故。目前该工艺已被淘汰。2挤包三维保元工艺为解决伞裙套装成型工艺的弊病,由挤包机挤出直接包敷在芯棒上的整体挤包护套穿伞工艺得到广泛应用。该工艺中护套与芯棒形成一体,界面耦联强度远大于硅橡胶的强度。能确保产品的内绝缘,并可按用户的要求调整产品的结构高度、爬电距离和伞形结构,方便灵活。3解决了伞套过程中出现的问题该工艺特点是伞裙护套成型及与芯棒的粘接在模具中一次完成。早期分为整体模压成型和整体注射成型两种工艺。严格意义上整体注射和整体模压是同一种成型工艺。整体模压成型工艺在半成品时为一次半自动化或自动化完成,没有两次成型造成伞套的各个部分之间、伞裙之间、伞套与伞套之间的界面。既减少了界面及粘接剂的种类、数量,又可以制作任意长度的产品,自动化程度高,具有质量一致性稳定、效率高、电气性能优异,经济适用的优点。现在,已广泛采用的又一成型工艺是高温、高压整体注射成型工艺。它具有与整体模压成型工艺一样的优点,但早期整体注射成型工艺制造产品时,高温高压的硅橡胶对芯棒的冲击使芯棒有一定的损伤,容易造成护套偏心。目前采用芯棒定位装置后,护套偏心由早期的3~4mm降低至0.5mm以下。1.2外鞣式结构的发展金属附件连接工艺分为内锲式、外锲式、内外锲式、粘接式结构(又称胶装)、压接式5种。经过多年的发展,国内外已逐渐淘汰前4种,代之以压接式金属附件连接工艺。1芯棒被破坏内锲式结构是将芯棒的端部锯开一条缝,压入一个金属锲子,靠这个锲子将芯棒端部扩大,锥形的金属腔体则在芯棒承载时将扩大的芯棒端部卡住。芯棒的端头被锲件扩开后,芯棒事实上已被破坏,易在局部形成应力集中,在外部负荷的作用下易造成芯棒在此处的断裂或劈缝沿轴向发展。另外若端部密封不好,大气很容易进入锯开的缝隙,对芯棒的劣化带来严重威胁,特别是酸蚀。早期各大电网均发生过内锲式结构的复合绝缘子掉串或芯棒脆断事故。2外鞣在芯棒与锥片的配合外锲式结构是用一组金属锲压入金具锥腔与芯棒之间,靠金属锲与芯棒相互形成摩擦自锁。当外锲片与锥腔和与芯棒的摩擦系数以及锥腔的锥度配合理想时可使外锲保持与芯棒同步移动。外锲式的典型优点是芯棒未被破坏,但由于这种结构对金属锥腔、金属外锲的加工精度要求相当高,又由于在组装时要人工压紧一组锲子,工艺难度较大,接头的拉张强度不容易控制,分散性较大。3机械强度的整性和可靠性内外锲式结构综合了内、外锲式各自优点,基本上保持了芯棒的完整性,从而保证了连接的可靠性,机械强度分散性小。但该连接结构存在加工精度要求较高,手工操作多,工作效率不高,金具体积大等缺点,因此,当更为先进的压接式结构出现后,该连接结构被淘汰。4纳米知识的铺设粘接式结构主要靠粘接剂把芯棒与金属附件粘接在一起承受拉伸负荷,其最大特点是芯棒和金属附件通过粘接剂粘接在一起,芯棒受力均匀合理。一般认为,采用此技术的关键在于粘接剂与芯棒的热膨胀系数及化学特性必须尽量一致,这样当温度发生变化时,才不会因热膨胀原因而影响拉伸强度。粘接方法是先向金属附件内腔体灌注粘接剂,将密封垫圈套在芯棒上,将芯棒插入腔体内。伞裙上部护套及芯棒护套同时伸入金属附件腔体内,通过密封橡胶与腔体内的粘合剂粘合使伞裙上部密封,由此端部各界面形成密封结构。粘接式结构粘接接触面大,粘接牢固,防渗透性好,但端部结构复杂,粘接工艺要求高,且机械强度不高。5拉伸压接式压接式结构采用可锻铸铁制成金属附件,用模具将芯棒与金属附件紧紧的压接在一起,让金属附件产生一定的塑性形变,使芯棒与金属附件的接触面产生予应力,从而紧密结合,并靠由此产生的切向摩擦力来承受拉伸负苘。压接式工艺简单,机械强度高,分散性小,效率高。目前,压接式已被DL/T864-2004作为唯一推荐工艺。1.3制造材料1.3.1伞进入易硬、易折损化学国外早期的复合绝缘子伞裙和护套材料有乙丙橡胶(EPDM)、室温硫化硅橡胶、聚四氟乙烯和环氧树脂等。在这四种绝缘材料中,乙丙橡胶易劣化龟裂,所制成的伞裙和护套与芯棒界面易发生局部蚀损;室温硫化硅橡胶伞裙易变形、硬度下降;聚四氟乙烯和环氧树脂伞裙表面易积污,积污后憎水性不能迁移至污层表面,且环氧树脂易吸潮。而高温硫化硅橡胶制作的伞裙在抗劣化、耐漏电起痕及电蚀损、憎水性、防污性、阻燃性、耐臭氧性、耐紫外光性、耐潮湿、耐高低温和抗撕强度等方面具有突出优点,现已逐渐取代了其它复合绝缘材料。1.3.2引拔成型碳纤维制品环氧玻璃纤维棒由玻璃纤维以树脂粘合剂粘合而成,制造上要求其化学特性稳定,并有较高的机械强度和电气强度。芯棒质量取决于玻璃纤维的选取、树脂的种类、在该基体中玻璃纤维对树脂的比以及聚合过程。国内引拔成型玻璃纤维制品于70年代开始研制。目前,我国的玻璃纤维芯棒基本材料普遍采用环氧树脂,并采用引拔成型工艺制作。但接连发生的芯棒脆断事故让人们了解到玻璃纤维对酸敏感。因此,耐酸芯棒应运而生。耐酸芯棒的使用,大大降低了内绝缘击穿和芯棒脆断等隐患。1.3.3机械强度的影响金属附件是指绝缘子的悬挂金具,外界通过它与芯棒传递机械负荷,为绝缘子保证机械强度的关键,通常也是最薄弱的环节。复合绝缘子根据使用特点不同,其金属附件结构也不同。常用金属附件连接型式标记有16、20、24、28、32共5种。其设计除了满足机械强度以外,还需满足在高电场下运行的特殊要求。1.4其它密封技术早期复合绝缘子的端部密封仅仅采用室温硫化硅橡胶或其它密封胶。随着因密封破坏导致发生芯棒脆断或掉串事故的不断发生,各大企业开始研制更为有效的密封方式。如采用HTV高温硫化胶、“O”形密封圈双重密封工艺,端部密封包胶技术,四重内密封结构,内置或外置0型圈进行密封等。这些措施均有效地保护了芯棒和金属附件连接,保证了复合绝缘子的可靠运行。1.5伞进入丧失患者早期复合绝缘子伞裙盘径和伞间距设计不大合理,在长期高湿度大气条件下,其憎水性出现部分丧失或完全丧失时,易发生伞裙间飞弧短接而导致闪络事故,严重威胁电网安全可靠运行。目前,复合绝缘子的伞裙形状较以往有了大幅改进,基本上以“大小伞”、“3伞结构5伞组合”和“两大两中”3种伞型为主,伞径可达200mm,伞间距可达140mm。1.6两端金属附件连接区均压装置应是复合绝缘子的组成部分,其作用是改善复合绝缘子的电位分布,保护金属附件、芯棒及伞套不被电弧灼伤,其次还能保护两端金属附件连接区不因漏电起痕及蚀损导致密封性能的破坏。早期的均压装置设计和使用比较混乱,结构形状不太合理,均压效果差,还容易出现反装。安装均压装置的螺钉没有很好的被屏蔽,起始电晕电压较低,无线电干扰水平差。因此,应采用计算机仿真和电气试验相结合的方法优化设计均压装置并提高加工工艺。2使用中的技术进步2.1产品工艺与运行经验复合绝缘子闪络及损坏从1998年前后开始不断出现,其问题分为掉串事故和闪络事故。前者属产品质量问题;后者与运行经验不多导致使用不当有关,也与硅橡胶劣化特性有关。近两年随着复合绝缘子伞裙形状、端部密封技术、伞套成型工艺、机械强度的可靠性及质量控制的不断提高,复合绝缘子运行事故日趋减少,制造技术已达国际领先水平。2.2复合绝缘子使用复合绝缘子不仅用于国内,还大量出口;不仅使用在交流线路上,在直流线路上也大量使用,截止2005年10月底,我国直流输电线路上使用的复合绝缘子约3万支,占据直流用绝缘子的大半;不仅用于架空输电线路,还逐渐用于变电站。目前,全国110和220kV的部分变电站的进出线和母线开始使用复合绝缘子,至今运行良好;不仅用于悬垂串,也逐渐用于耐张串和跳线串。复合绝缘子在电力系统各个环节的使用日趋普遍,其优良的性能和较高的可靠性已广为接受和肯定。3复合绝缘子在中国法上的发展复合绝缘子国际性标准的起草始于70年代,1992年标准草案IEC61109:1992正式通过,1995年又公布了修正稿,修正稿对复合绝缘子的材料特性、长期机械特性增加了新的技术要求。国内早期的复合绝缘子产品标准以JB5892-1991和JB/T8460-1999为主。JB/T5892-1991根据IEC61109:1992草案及当时的国内情况制定,而IEC61109:1992及1995修改件已有较大幅度的改变,为与国际接轨,并结合国内多年来的生产、运行和试验研究方面的经验和数据积累,国标GB/T19519-2004应运而生,它相对JB5892-1991增加了材料的可燃性、无线电干扰要求;相对IEC61109:1992及1995修改件增加了伞套材料和伞套的耐漏电起痕及电蚀损性等试验并在抽样试验中增加陡波前冲击耐受电压试验。为促进和推广复合绝缘子的使用,电力系统曾先后颁发了“电力系统绝缘子质量全过程管理规定(试行)”(能源办[1993]45号文)、“复合绝缘子使用指导性意见”(调网[1997]93号文)和“入网复合绝缘子质量保证必备条件”(调网[1997]144号文),各网省公司也结合地域实际制定了复合绝缘子运行管理规定等指导性文件,这些对规范复合绝缘子的使用和生产有重要作用。部分规范已转换成电力行业标准,如DL/T864-2004则是基于目前对复合绝缘子技术认识,结合多年来的运行经验和运行特性研究的基础,对复合绝缘子的使用技术条件、试验方法和判定准则进行规定,并对安装及运行维护监测也进行了规定。该标准丰富和完善了复合绝缘子使用方面的相关要求,对运行具有重要指导作用。4大力推进省级重点工程,进一步提升采空区的复合性随着复合绝缘子制造技术水平的提高、运行经验的积累、运行可靠性的提高,复合绝缘子在大量已建、待建的500kV交、直流国家级重点工程,尤其是1000kV交流和±800kV直流工程仍会大量使用。当前复合绝缘子的发展方向如下。4.1复合绝缘子的可靠性提升建议交流用复合绝缘子在我国挂网运行近20年,直流用复合绝缘子挂网运行约10年。复合绝缘子制造水平和部分工艺如金属附件连接工艺、整体注射成型工艺、芯棒制造技术、密封技术等处于国际领先水平,从总体运行情况看,已完全能满足运行要求,但也反映出一些问题,如时有闪络、掉串和劣化等事故,说明我国复合绝缘子的发展已进入应对其可靠性进行系统研究的阶段。笔者认为应对其机械特性、电气特性、劣化特性、温度特性等进行深入研究,并在此基础上对复合绝缘子的可靠性技术指标提出合理要求,进一步提高其质量水平。建议按以下思路提高复合绝缘子的可靠性:①优化配方;②优化伞裙形状设计;③优化均压装置设计。4.2设置边缘串长1000kV交流和±800kV直流输变电技术对复合绝缘子提出了远比500kV交直流更高的要求,如额定机械(电)破坏负荷为210、300、400和530kN;绝缘子串长较长,可>14m;采用2~4串或更多串并联的绝缘子串布置方式;铁塔间距大;分裂导线一般>8,再加上覆冰、风力等条件使其承受很大的拉、弯、扭机械负荷。制造企业受自身条件的限制,很难独立完成其产品研制,应在上级主管的领导下,制定出“1000kV交流和±800kV直流棒形悬式复合绝缘子的技