高抗震特高壓交流1000 kV避雷器瓷套和電容式電壓互感器瓷套的研制

楊雪峰

0 前 言

基于國(guó)家對(duì)大氣污染防治和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的需求，國(guó)家能源局分別與國(guó)家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司簽署了《大氣污染防治外輸電通道建設(shè)任務(wù)書》，要求在2017年前完成投產(chǎn)12條安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的特高壓、超高壓的電力輸送通道，擴(kuò)大向重點(diǎn)區(qū)域送電規(guī)模的目標(biāo)。2017年之后，繼續(xù)優(yōu)化完善特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)，并持續(xù)建設(shè)予以改進(jìn)。按照國(guó)家電網(wǎng)公司的劃分，交流750 kV及以上、直流 ±800 kV及以上為特高壓。國(guó)家能源局在總結(jié)1000 kV晉東南—南陽(yáng)—荊門特高壓交流示范工程建設(shè)和運(yùn)行的基礎(chǔ)上，從2012年開始，批準(zhǔn)由國(guó)網(wǎng)公司和南網(wǎng)公司開始組織建設(shè)交流1000 kV皖電東送、交流1000 kV浙北—福州、交流1000 kV榆橫—維坊、直流±800 千伏特上海廟—山東等10余條特高壓工程。

高壓開關(guān)設(shè)備、電力變壓器、避雷器、互感器等是輸變電網(wǎng)絡(luò)中的主要設(shè)備，這些電器設(shè)備無一例外都要使用空心絕緣子(俗稱瓷套)，起電氣絕緣(外絕緣)和機(jī)械支持作用，并作為電器組件的絕緣容器。因此，急需研制和生產(chǎn)特高壓電器設(shè)備用瓷套。

1 特高壓瓷套的設(shè)計(jì)和使用背景

2012年3月，國(guó)家電網(wǎng)公司在組織特高壓交流1000 kV皖電東送輸變電工程建設(shè)時(shí)，要求實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面的優(yōu)化：一是減小占地，由原來的56.75 m縮減至20.5 m；二是減少回路設(shè)備，由原來的9元件減少至4元件，因而要求避雷器和電容式電壓互感器(以下簡(jiǎn)稱CVT)兼具原設(shè)計(jì)中的棒形支柱絕緣子的功用，參見圖1；三是要求提高變電站抗震等級(jí)，由原來的抗震設(shè)防部分不滿足8度要求提高到全部滿足，地震加速度峰值要分別達(dá)到0.2 g-0.5 g。

以上技術(shù)要求對(duì)高抗回路中的避雷器瓷套和CVT瓷套的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性提出了前所未有的高要求。

國(guó)網(wǎng)公司為保證工程順利實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口相結(jié)合，進(jìn)口日本NGK公司生產(chǎn)的交流1000 kV避雷器瓷套，要求避雷器通過無減震裝置下0.3 g加速度、有減震裝置下0.5 g加速度的地震試驗(yàn)。

與此同時(shí)，國(guó)家電網(wǎng)公司于2012年中期召集包括醴陵華鑫電瓷科技股份有限公司在內(nèi)的國(guó)內(nèi)三家電器瓷套主要生產(chǎn)廠家研討國(guó)產(chǎn)瓷套的研制，決定由國(guó)內(nèi)電瓷企業(yè)研制生產(chǎn)交流1000 kV CVT瓷套和避雷器瓷套，要求避雷器和CVT的抗震要求為無減震裝置下0.2 g加速度、有減震裝置下0.4 g加速度，具體由各特高壓設(shè)備與瓷套生產(chǎn)商各自聯(lián)合設(shè)計(jì)，因而各自的設(shè)計(jì)圖樣不盡相同，只要滿足國(guó)網(wǎng)公司提出的設(shè)備性能參數(shù)要求即可，主要參數(shù)如表1。

當(dāng)時(shí)醴陵華鑫電瓷科技股份有限公司設(shè)計(jì)的交流1000 kV 避雷器瓷套和CVT瓷套的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖參見圖2。

2015年1月，根據(jù)特高壓工程全面建設(shè)的需要，一些電站的抗震設(shè)計(jì)設(shè)防要求提高至0.5 g水平加速度。此前，世界上只有日本NGK公司的產(chǎn)品有0.5g水平加速度地震臺(tái)試驗(yàn)的成功經(jīng)驗(yàn)。為此，國(guó)家電網(wǎng)公司再次組織包括醴陵華鑫電瓷科技股份有限公司在內(nèi)的國(guó)內(nèi)三家電器瓷套主要生產(chǎn)廠商，匯同設(shè)備制造商統(tǒng)一設(shè)計(jì)了交流1000 kV避雷器標(biāo)準(zhǔn)化瓷套，如圖3所示，其主要技術(shù)要求為：避雷器無減震裝置下通過0.3 g加速度、有減震裝置下通過0.5 g加速度的地震臺(tái)試驗(yàn)；整體彎曲破壞強(qiáng)度70 kN以上；爬電距離滿足c級(jí)和d級(jí)污區(qū)要求。

圖1 特高壓交流1000 kV電站優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Optimal design for ultrahigh voltage AC 1000 kV power transmission and transformation station

表1 交流1000 KV瓷套主要技術(shù)要求Tab.1 Main technical requirements for AC 1000 KV porcelain insulator

2 主要研制內(nèi)容

2.1 特高壓瓷套的主要技術(shù)要求

應(yīng)用濕法成型工藝制造如此高機(jī)械強(qiáng)度的特高壓瓷套在我公司系首次，在國(guó)際上也只有日本NGK公司有少量制造，產(chǎn)品的技術(shù)要求在國(guó)內(nèi)外居領(lǐng)先水平，我們沒有任何可類比的成功經(jīng)驗(yàn)供借鑒。1000 kV瓷套的主要技術(shù)要求見表2。

2.2 特高壓瓷套研制生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)

(1)特高壓瓷套用坯、釉、無機(jī)粘接釉的配方。該類瓷套的尺寸大，元件擠制毛坯的重量最高達(dá)4750 kg，單元件瓷件重量接近1500 kg，瓷件的抗冷熱急變性能變差，同時(shí)其機(jī)械強(qiáng)度及抗機(jī)械沖擊強(qiáng)度的要求很高，現(xiàn)有坯、釉、無機(jī)粘接釉的配方均難以滿足要求。需要新開發(fā)特高壓瓷套專用坯、釉、無機(jī)粘接釉的配方。

圖2 交流1000 kV避雷器瓷套和CVT瓷套示意圖Fig.2 Porcelain insulators for AC 1000 kV surge arrester and CVT

(2)分節(jié)成型、無機(jī)粘接、二次焙燒技術(shù)單元件瓷件最大外徑達(dá)870 mm、最大高度超過2500 mm，必須采用分節(jié)成型，二次粘接工藝。鑒于最終用戶對(duì)有機(jī)粘接技術(shù)抗長(zhǎng)期老化性能的疑慮，通過二次焙燒實(shí)現(xiàn)無機(jī)粘接是必然選擇，除了和坯體相適應(yīng)的粘接釉技術(shù)外，其中的接口研磨、尺寸精細(xì)控制等是成功的關(guān)鍵。

(3)特高壓瓷套體積超大，焙燒困難，需要用大型大斷面車底窯進(jìn)行裝燒，同時(shí)要求窯爐內(nèi)溫差控制在5 ℃之內(nèi)。

(4)需要專門研制適用特高壓瓷套的研磨、膠裝、運(yùn)輸、吊裝和整柱疊裝瓷套試驗(yàn)檢驗(yàn)的生產(chǎn)工藝的制備。

3 研制中解決的主要技術(shù)問題

圖3 交流1000 kV 避雷器標(biāo)準(zhǔn)化瓷套設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Standard designs of porcelain insulators for AC 1000 kV surge arrestor

表2 1000 kV瓷套的主要技術(shù)要求Tab.2 Main technical requirements for 1000 kV porcelain insulator

(1)新研制的特高壓瓷套坯料配方中Al2O3約占53%，10 μm以下顆粒約占75%，并通過控制使其顆粒級(jí)配合理。為確保產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量和可靠性，坯料配方中引入了從英國(guó)進(jìn)口的KC黏土。同時(shí)，所用的各種天然原料及化工原料均是按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的上限控制，原料均經(jīng)過提純預(yù)處理。

(2)嚴(yán)格控制榨泥用混合泥漿水份不超過62%，泥餅水份差異控制在1%以內(nèi)。粗練泥陳腐3天以上方能用于真空擠制，水分值為18-19%。

(3)真空擠制采用國(guó)產(chǎn)Φ1000 mm臥式大型真空練泥機(jī)。為保證擠出毛坯的擠制密度和水分要求，對(duì)粗練泥的水分、泥料和真空室的溫度、投入泥料的速度和毛坯擠出速度、練泥機(jī)的真空度等工藝參數(shù)都進(jìn)行了摸索確定并嚴(yán)格控制。另外，研究確定了相應(yīng)的擠出套筒結(jié)構(gòu)和尺寸。

(4)對(duì)不同尺寸規(guī)格的擠制毛坯設(shè)置了不同的電陰干曲線，包括電流密度和陰干時(shí)間。電陰干最終的水分值就是修坯成型的工作水分值，該水分值是根據(jù)成型所需要的可塑性要求及成型中坯件產(chǎn)生刀痕開裂和運(yùn)輸震顫所引起變形或開裂的程度而確定的，因毛坯尺寸規(guī)格不同而異。不同尺寸規(guī)格毛坯經(jīng)過120-200 h電陰干后，其徑向尺寸大約縮小4%，水分由擠制時(shí)的18-19%下降到17%左右。

(5)修坯成型采用大型內(nèi)外仿型修坯機(jī)，濕坯成型后的修坯件底部截面承重壓強(qiáng)約為28 KPa -65 KPa。坯件需承受如此大的底部壓強(qiáng)而不產(chǎn)生開裂或變形，取決于對(duì)坯料配方、真空擠制、修坯時(shí)工作水分和操作力度的有效控制。

(6)坯件干燥采用全自動(dòng)控制的循環(huán)封閉式熱空氣烘房。特高壓瓷套普遍具有瓷壁厚(壁厚50 mm-80 mm)、傘伸出大(大傘伸出75 mm-80 mm)等特點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)處于濕法修坯件干燥難度的極限。所以，對(duì)特高壓瓷套的烘房干燥曲線進(jìn)行了系統(tǒng)的摸索研究與實(shí)踐。在干燥初期，保持低溫高濕，用干、濕球兩個(gè)溫度計(jì)來顯示烘房?jī)?nèi)的溫度和濕度，用調(diào)節(jié)濕氣管路的進(jìn)氣量來控制烘房?jī)?nèi)的濕度，以抑制坯件水分的蒸發(fā)速度，使其內(nèi)外、上下干燥排水速度盡可能一致。經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的保溫后，再逐漸升溫并降低濕度，加快坯體的干燥速度，轉(zhuǎn)入高溫等速干燥。烘干過程大約為360 h，坯件出烘房時(shí)的含水率在1.5%以下。

(7)一次焙燒窯爐為全自動(dòng)大型天然氣車底窯，內(nèi)高4.4 m，容積180 m3，窯內(nèi)溫差控制在5 ℃以內(nèi)。焙燒曲線為特高壓瓷套專用，坯件放置在適當(dāng)?shù)闹械突鹞?，并配備了專門的底部缽套。

(8)無機(jī)粘接、二次焙燒：

①接口研磨：為進(jìn)行無機(jī)粘接，按照設(shè)計(jì)圖樣的要求，采用專門的接口研磨工具，分別在上下節(jié)瓷件上研磨出 “V”型接口，上節(jié)為凸棱狀，下節(jié)為凹槽狀，如圖4所示。

圖4 無機(jī)粘接接口圖Fig.4 The joining interface by inorganic glaze

②粘接焙燒：粘接采用專門研制的無機(jī)粘接釉，粘接面之間不允許存在空隙，將上下節(jié)疊在一起的瓷件再入窯進(jìn)行二次焙燒。

分節(jié)成型、無機(jī)粘接、二次焙燒技術(shù)是大尺寸特高壓瓷套研制中最為關(guān)鍵的核心技術(shù)之一。其技術(shù)特點(diǎn)有：

(a)通過高溫焙燒，熔融狀態(tài)的無機(jī)粘接釉與上下節(jié)瓷件接口表面的瓷質(zhì)間形成了離子鍵結(jié)構(gòu)，將上下兩節(jié)瓷件粘接成一整體。粘接后，整體瓷件的電氣性能和機(jī)械強(qiáng)度均滿足技術(shù)要求。二次焙燒技術(shù)較整體成型技術(shù)的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是在制造過程中泥坯尺寸適宜(可按生產(chǎn)工藝水平而定)，生產(chǎn)操作方便，全過程合格率比較高。但是，它也有著生產(chǎn)周期長(zhǎng)、質(zhì)量問題潛伏期長(zhǎng)、瓷件接口研磨和粘接精度要求高、精準(zhǔn)控制難度大、燃料消耗較多等劣勢(shì)。

(b)無機(jī)粘接釉的熔融溫度要比一次焙燒的溫度低，膨脹系數(shù)應(yīng)與瓷相近，即粘接釉的膨脹系數(shù)要比表面瓷釉稍大。同時(shí)，在燒成熔融態(tài)時(shí)，釉料應(yīng)具有既能使釉中氣體充分排出，又不能使釉任意流淌的特性。無機(jī)粘接釉及其與瓷坯的配合對(duì)無機(jī)粘接瓷件的整體質(zhì)量至關(guān)重要。

(c)上下兩節(jié)瓷件接口研磨時(shí)，要使用專門的接口研磨工具，以及專門的檢查器具。瓷件接口部位的研磨精度是保證精準(zhǔn)粘接的基礎(chǔ)。

圖5 特高壓交流1000 kV避雷器瓷套彎曲破壞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 The bending test site for AC 1000 kV UHV porcelain insulator of surge arrestor

(d)在一次焙燒過程中，應(yīng)將上下節(jié)坯件放在同一窯次的窯爐中進(jìn)行培燒，以盡可能減小瓷質(zhì)分散性。瓷件粘接時(shí)，也盡可能地將同窯次的上下節(jié)瓷件一起組合。這樣，既可減少因窯次不同而產(chǎn)生的瓷件強(qiáng)度差異、膨脹系數(shù)差異所帶來的粘接質(zhì)量分散性，又能減小上下節(jié)瓷件的釉色色差。

4 產(chǎn)品試驗(yàn)情況

(1) 按GB/T23752、國(guó)家電網(wǎng)公司的相關(guān)要求和產(chǎn)品圖樣要求進(jìn)行例行試驗(yàn)和型式試驗(yàn)。

(2)無減震裝置下通過0.2 g加速度，有減震裝置下通過0.4 g加速度的地震臺(tái)試驗(yàn)的特高壓交流1000 KV CVT瓷套和避雷器整柱瓷套的彎曲試驗(yàn)在中國(guó)電力科學(xué)研究院特高壓試驗(yàn)基地進(jìn)行，避雷器和CVT地震臺(tái)試驗(yàn)在重慶交通科學(xué)研究院進(jìn)行。其試驗(yàn)安裝分別見圖5和圖6。

(3)無減震裝置下通過0.3 g加速度、有減震裝置下通過0.5 g加速度的地震臺(tái)試驗(yàn)的特高壓交流1000 kV標(biāo)準(zhǔn)化避雷器瓷套(c級(jí)污穢，由4節(jié)元件瓷套疊裝)的彎曲試驗(yàn)在中國(guó)運(yùn)載火箭科學(xué)技術(shù)研究院進(jìn)行，地震臺(tái)試驗(yàn)在重慶交通科學(xué)研究院進(jìn)行。其試驗(yàn)安裝圖片見圖7和圖8。

(4)試驗(yàn)結(jié)果：

抗震0.2 g和減震0.4 g的特高壓交流1000 kV避雷器及其瓷套的試驗(yàn)結(jié)果參見表3。

抗震0.2 g和減震0.4 g的特高壓交流1000 kV CVT及其瓷套的試驗(yàn)結(jié)果參見表4。

圖6 特高壓交流1000 kV CVT地震臺(tái)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 The seismic station test site for 1000 kV UHV porcelain insulator of CVT

圖7 特高壓交流1000 kV避雷器標(biāo)準(zhǔn)化瓷套(c級(jí)污穢)的彎曲破壞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 The bending test site for standard AC 1000 kV UHV porcelain insulator of surge arrestor (External insulator pollution class C)

圖8 特高壓交流1000 kV標(biāo)準(zhǔn)化瓷套避雷器(c級(jí)污穢)的地震臺(tái)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.8 The seismic station test site for standard 1000kV UHV porcelain insulator of surge arrestor (External insulator pollution class C)

表3 交流1000 kV避雷器及其瓷套的試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of AC 1000 kV surge arrestor and its porcelain insulator

表4 交流1000 kV CVT及其瓷套的試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of AC 1000 kV CVT and its porcelain insulator

表5 交流1000 kV標(biāo)準(zhǔn)化瓷套避雷器(c級(jí)污穢瓷套)試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of AC 1000 kV standardized porcelain insulator

抗震0.3 g和減震0.5 g的特高壓交流1000 kV標(biāo)準(zhǔn)化瓷套避雷器(c級(jí)污穢瓷套)的試驗(yàn)結(jié)果參見表5。

從上面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，我公司濕法成型工藝制造的特高壓交流1000 kV避雷器瓷套和電容式電壓互感器瓷套的彎曲破壞試驗(yàn)和地震臺(tái)試驗(yàn)的兩項(xiàng)指標(biāo)全部符合要求，而且工程安全系數(shù)有相當(dāng)大的裕度。另外，我公司特高壓瓷套的試驗(yàn)結(jié)果居于國(guó)網(wǎng)公司組織的試驗(yàn)驗(yàn)收的最好水平。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，特高壓交流1000 kV避雷器瓷套和電容式電壓互感器瓷套的研制成功，使我國(guó)電瓷產(chǎn)品的制造水平上了一個(gè)新臺(tái)階，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大型電站電瓷抗震產(chǎn)品的生產(chǎn)制造空白。

在以后的生產(chǎn)中，還需要繼續(xù)優(yōu)化工藝控制，提高產(chǎn)品的過程品質(zhì)，進(jìn)一步提高全過程合格率。

[1]GB/T23752-2009. 額定電壓高于1000V的電器設(shè)備用空心瓷和玻璃絕緣子[M]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1996.

[2]國(guó)家電網(wǎng)交流建設(shè)部. 國(guó)家電網(wǎng)交流建設(shè)部關(guān)于皖電東送工程變電站高抗回路設(shè)備抗震性能及機(jī)械強(qiáng)度驗(yàn)證的技術(shù)條件[C]. 北京: 2012.

[3]國(guó)家電網(wǎng)交流建設(shè)部. 國(guó)家電網(wǎng)交流建設(shè)部關(guān)于特高壓避雷器瓷套標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的技術(shù)條件[C]. 北京: 2015.