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绝缘管型母线的行业现状分析及关键技术展望

北极星输配电网  来源:《中国电力》杂志    2018/6/15 11:32:46  我要投稿  

2.1.2 技术优势和难点

浇注式绝缘管型母线具有以下优势:(1)环氧浸渍纸绝缘是一种绝缘纸与环氧树脂的复合绝缘,导体、半导体层和绝缘纸经加温固化后,形成致密、紧实的一体化结构,既具有绝缘纸和环氧的良好绝缘和介电性能,又具有良好机械特性。已证实该种结构形式能有效保证至少在35 kV及以下电压等级产品不发生内部局部放电。(2)端部和套筒的电容屏结构能够有效控制场强,且实现简单,均压结构存在于绝缘内部,均在工厂预制,可靠性较高。(3)绝缘套筒保障了设备在连接处依然保持全绝缘性能,提高了安全性。

同时,其绝缘结构和工艺也使得浇注式绝缘管型母线设备存在以下技术难点:(1)环氧材料本身较脆,特别是屏蔽筒,在运输、安装中对防止跌落、撞击的要求较高,同时需要考虑运行中的振动问题,以避免绝缘产生局部缺陷。(2)电容屏结构必须合理设计,并在生产、安装中确保尺寸,否则可能导致局部场强集中,危害绝缘。(3)生产浇注式绝缘管型母线需要大型真空浇注和加温固化设备,设备尺寸限制了单根母线长度(目前常规产品单根长度8 m左右),又因为其生产工艺复杂,该结构绝缘管型母线生产难度更大,成本更高。

2.2 绕包式绝缘管型母线

2.2.1 绝缘形式及相关结构

利用聚四氟乙烯带或聚酯薄膜材料缠绕,层间涂抹硅油形成主绝缘层。其端部均压结构也可与浇注式一样,应在绝缘中缠入多层半导电(导电)材料,形成电容屏,均匀场强。绕包式绝缘管形母线中间接头处存在多种技术方案。

其一,在接头处将导体焊接成与本体等外径的连接结构,然后按照本体的导体屏蔽层、绝缘层、电容屏层、绝缘屏蔽层和接地层逐层以缠绕方式恢复,并与所连接的两段管型母线的端部结构接续成一个整体的无缝式型式,如图3所示。类似结构在电力电缆中也有,但一般认为现场绕制的绝缘由于绝缘界面、工艺等的影响,其许用场强可考虑设计为本体的一半[9-10],因此这种等径接续的方式只适用于绝缘裕度较大的低电压等级绝缘管型母线。

 

其二,对高电压等级的绝缘管型母线,可将中间接头的绝缘做成与浇注式原理相同的屏蔽筒型式,以达到与浇注式相同效果。

此外,也有在导体连接处直接绕制增强绝缘的方法,但这样表面并非零电位,因此并不推荐。

2.2.2 技术优势和难点

绕包式绝缘管型母线具有以下优势:(1)绕包式绝缘管型母线生产工艺简单,流程环节少,产能充足。(2)现场故障恢复简单,在故障点破开绝缘,逐层缠绕恢复绝缘结构即可。

同时,绕包式绝缘管型母线设备存在以下技术难点:(1)聚四氟乙烯或聚酯薄膜本身性能优异,但其绝缘性能决定于绕包过程中是否形成致密、紧实的多层结构,而且现场安装接头时,更难控制质量。只有通过严密的工艺手段才能保障其性能。包绕不够紧实的产品,绝缘层间容易引入气泡、潮气,另外,压紧力下降后,绝缘性能将严重下降,且更容易受潮气入侵,引发沿绝缘层间表面的放电。这种情况下,其绝缘强度主要取决于绝缘结构的特性而远低于材料本征击穿强度。(2)绕包式设备生产起步要求低,大量厂家集中于生产该类型产品,导致该类设备质量差异极大。仅有少量厂家采用机械缠绕的方式,并严格控制工艺过程,保障绝缘性能。

2.3 挤包式绝缘管型母线

2.3.1 绝缘形式和相关结构

与电力电缆绝缘几乎完全相同,利用橡塑材料(聚乙烯,硅橡胶、三元乙丙橡胶)原料呈粘稠的半流体状性质,通过挤包机在导体表面挤出内半导电层、绝缘层和外半导电层。为保证半导电层与导电层结合紧密,生产中宜采用三层共挤工艺。

挤包式绝缘管型母线与其他绝缘型式设备最大不同在于挤包式中间接头与终端中无法插入电容屏形成均压结构,而是通过预制件在地屏端部向外延伸形成喇叭口的应力锥结构,达到均匀场强的效果,如图4所示。这一技术在电力电缆中发展已有较长时间,可以直接借用。

 

2.3.2 技术优势和难点

挤包式绝缘管型母线的优势与电缆结构相似,绝缘一体性较好、紧实,技术比较成熟,有电力电缆尤其是高电压等级电力电缆生产经验的厂家能够顺利转向生产挤包式绝缘管型母线。

绝缘管型母线的结构特征也使得其设计生产存在如下难点。(1)绝缘管型母线为增大载流量,须扩大管径,此时,挤包时必须避免重力造成的绝缘偏心,这在绝缘尺寸整体半径增大的条件下工艺难度更大,必须更为准确地控制整个挤包圆周上的温度和挤包速度均匀性。(2)挤包型绝缘管型母线的弯管段成型是其生产中的难点。先弯金属管后挤包,由于现今的技术水平和设备限制,尚未有厂家实现。先挤包后弯管会使已成型的绝缘受拉伸和挤压,一是弯曲半径受很大限制,相当于在绝缘上施加应力,拉伸会减薄绝缘而挤压可能导致气隙产生;二是预应力会降低材料的机械和性能。后者应在弯曲过程中注意应力的释放。

3 典型性故障原因分析

本文搜集分析了绝缘管型母线近年来运行中出现的典型故障,对具有共性的故障原因进行分析和分类。

3.1 型式设计/生产工艺引入缺陷

绝缘管型母线采用固体绝缘,型式设计和生产难度较普通母线类设备大。其绝缘结构设计应充分考虑场强的均匀、绝缘材料间界面强度以及使用中绝缘的防潮等问题;依据绝缘结构设计要求选用长期性能稳定的绝缘材料;生产中应控制绝缘成型工艺,避免引入毛刺、尖端、悬浮导体或气泡等缺陷。目前该类设备在中国发展尚在起步阶段,一些生产厂家对影响该类设备质量和性能的关键点缺乏充分认识,没有足够的设计能力和相应制造水平,导致设备质量存在问题。

山东某变电站服役不到2年的10 kV硅橡胶挤包绝缘管型母线,在正常运行中的本体弯管处绝缘层击穿,导致严重烧毁,如图5所示。

分析设备绝缘型式,为硅橡胶挤包型绝缘管型母线,但未采取三层共挤工艺,无内屏蔽层,仅整体挤出绝缘层,并利用半导电带材料手工缠绕外屏蔽层。无屏蔽层或屏蔽层制作工艺不佳,生产环节容易在绝缘材料和电极间引入气隙、毛刺等缺陷。挤包式绝缘管型母线的弯管生产工艺为先在直线段上整体挤出绝缘层,再利用弯管机将导体和绝缘层以一定的弯曲半径使其形变。即使弯管过程中绝缘未受机械损伤,弯管内侧绝缘受挤压作用,易产生气隙;弯管外侧受拉伸作用,绝缘减薄,且相当于绝缘中预施加了较大机械应力,这也将使得弯管处绝缘性能下降。在长期运行中,在较低(相电压约6 kV)电压下,缺陷累积发展,造成击穿。

 

目前,绝缘管型母线相关行业标准逐步出台,行业监管也不断加强。通过推荐合理的绝缘结构,对设备进行充分、有效的型式试验检验,将能够有效甄别出质量合格产品,从根源上减少该类故障出现的几率。

3.2 安装引入缺陷

与电力电缆类似,绝缘管型母线的接头需要在现场安装。因此其整体性能,特别是绝缘性能,与现场安装环节紧密相关。

对绝缘管型母线,安装环节应有完整的工艺流程。(1)由于该设备为长线段、刚性安装,其尺寸应精确控制。如控制不当,可能造成母线(含绝缘)不同轴,接头与本体位置与设计不符等问题,导致绝缘结构不合理,局部场强集中,形成绝缘隐患。(2)安装环节须采取保护措施,注意防尘、防潮,否则相较于工厂内生产,安装环节更易引入毛刺、尖端、悬浮导体、气泡或绝缘受潮等缺陷。(3)应按工艺要求做好设备密封等工作,以免在长期运行中影响设备性能。

湖北某110 kV变电站的10 kV浇注式绝缘管型母线在投运不到10天,中间接头处发生击穿,引发低压侧线路大火。

该绝缘管型母线接头处为软连接外套,如图6所示的绝缘屏蔽筒的形式,其连接处均压结构由母线本体端部和屏蔽筒内的电容屏共同构成。经现场勘查发现,故障母线屏蔽筒与本体段的配合因错位而产生不同程度的倾斜,这将导致以下问题。(1)本体及屏蔽筒之间可能形成缝隙导致密封不严,潮气甚至雨水可能直接进入屏蔽筒;(2)屏蔽筒的移动导致电极位置发生偏移,电场分布与设计的正常分布相比,发生畸变,这将使得部分绝缘承受超出设计值的电场作用,而在较短时间内产生缺陷并发展为故障。

 

为减少该类故障,须从规范安装流程及监督管理制度和开展有针对性的现场交接试验两方面同步着手,确保安装环节工艺到位。

3.3 运行过程中产生缺陷

绝缘管型母线本身是免维护设备,一方面,不良的运行环境也有可能导致设备在运行中产生缺陷,主要是受潮、机械损伤以及过热、过电压造成的局部绝缘损坏;另一方面,固体绝缘不可避免地存在正常老化和局部薄弱处,正常运行中也可能出现缺陷,主要是局部绝缘电击穿等绝缘损坏。

陕西某35 kV绕包式绝缘管型母线服役7个月,本体端头绝缘层击穿,造成严重烧毁。经调查分析发现,故障母线端部有受潮迹象。造成受潮的原因有:一是该地区季节间和昼夜温差变化很大,绝缘母线护套材料耐候性不满足要求,运行过程中反复出现热胀冷缩导致开裂、形变,造成密封性下降;二是母线端部为竖直段,接地线从护套层引出,引出点密封不良,易使潮气甚至雨水进入。

聚四氟乙烯材料本身不易受潮,且性能不受潮气影响,但其缠绕结构使得水分能够深入绝缘带层间。另外,端部绝缘层间除了承受径向垂直场强作用外,还承受轴向水平方向电场作用。上述因素使得绕包式绝缘的层间易发生沿面放电。图7所示的是一起典型的绕包式绝缘层间放电类故障,在接地屏端部发现了沿聚四氟乙烯面表面发展的树状放电痕迹。若这种放电发展至贯穿电极,将造成击穿。

 

要避免该类故障,需要长期积累设备运行性能相关数据和经验,一方面寻求在设备运行工况的电、热、机械作用和环境因素综合作用影响下,提高设备长期运行性能的方法;另一方面,规范设备运维方法及运行中检测手段,掌握设备的综合服役状态,发现运行中产生的缺陷,从而避免故障的发生。

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