光纖復合絕緣子光纖內(nèi)嵌技術(shù)研究

□ 史文強

許繼集團有限公司 河南許昌 461000

1 研究背景

特高壓套管關(guān)鍵技術(shù)屬于我國特高壓一次設(shè)備國產(chǎn)化的“卡脖子”技術(shù)[1],光纖復合絕緣子作為特高壓套管關(guān)鍵技術(shù)的一個重要分支,在全光纖電流互感器光學信號傳輸方面具有無法替代的作用[2]。一般而言,絕緣子用于保護光纖、防污,實現(xiàn)電氣絕緣,承擔機械強度[3]。

全光纖電流互感器結(jié)構(gòu)如圖1所示,由光纖傳感環(huán)、傳感環(huán)密封腔體、光纖復合絕緣子、底部密封腔體、電子裝置構(gòu)成。光纖傳感環(huán)位于一次高壓端,采集電流信號,并將電流信號以光學信號形式經(jīng)過光纖復合絕緣子傳輸至低壓端電子裝置。電子裝置集成光信號調(diào)制解調(diào)、高速數(shù)據(jù)采集傳輸、數(shù)字信號處理等功能,按國際電工委員會IEC 60044-8協(xié)議輸出數(shù)字信號至控制保護系統(tǒng)。

光纖復合絕緣子是基于現(xiàn)有特高壓復合絕緣子技術(shù)發(fā)展而來的一種具備光學信號傳輸性能的復合絕緣子,當前,各廠家采取的光纖內(nèi)嵌技術(shù)方案及制造工藝存在差異。

筆者提出一種光纖復合絕緣子光纖內(nèi)嵌技術(shù),與現(xiàn)有技術(shù)對比,只需要按照復合絕緣子的生產(chǎn)工藝保證傘群與絕緣子芯體的粘接即可,降低了生產(chǎn)難度。采用這一光纖內(nèi)嵌技術(shù),通過密封結(jié)構(gòu)可以保障光纖復合絕緣子的電氣性能。同時采用保偏緊套光纖,避免拉伸、損傷而造成的光纖不通或損耗增大問題,并且可以實現(xiàn)多路光纖傳輸,簡化加工工藝,具有較高的經(jīng)濟性。

2 現(xiàn)有技術(shù)方案

王志等[4]對某500 kV敞開式變電站用全光纖電流互感器首次投運即發(fā)生閃絡(luò)事故進行研究,通過對事故全光纖電流互感器進行解體分析和試驗驗證,確認廠家在產(chǎn)品設(shè)計過程中并未考慮全光纖電流互感器平放時淋雨進水的可能性,沒有在過線環(huán)與底座連接處進行密封處理。同時由于光纖槽敷設(shè)工藝不到位,導致雨水下滲,最終引發(fā)貫穿性放電。

以上述廠家生產(chǎn)的全光纖電流互感器為例,全光纖電流互感器所用光纖復合絕緣子由硅橡膠傘套、芯棒、金具法蘭、光纖構(gòu)成,具有光纖埋入芯棒、芯棒打磨處理、高溫包膠等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。其中,高溫包膠生產(chǎn)環(huán)節(jié)包括芯棒套入金具、金具定位壓接、高溫包膠、二次壓接、出廠試驗五個階段。光線復合絕緣子結(jié)構(gòu)如圖2所示。芯棒圓周面預留螺旋光纖槽,光纖敷設(shè)后由密封膠固化,經(jīng)過芯棒打磨完成高溫包膠前處理。金具法蘭與芯棒之間采用粘接工藝,硅橡膠傘群采取注射成型工藝制造。

基于現(xiàn)有光纖復合絕緣子制造工藝,實現(xiàn)了光纖內(nèi)嵌芯棒及一體化硅橡膠注射成型,但存在三方面技術(shù)難點。

第一,光纖作為光學器件,敷設(shè)在芯棒光纖槽內(nèi),使用密封膠進行固化封裝,達到一定硬度后,芯棒需要整體重新進行打磨處理,易造成光纖受力擠壓及彎折。

第二,光纖槽密封膠、芯棒、硅橡膠傘群三者界面處理工藝復雜,區(qū)別于現(xiàn)有光纖復合絕緣子芯棒及硅橡膠傘群粘連工藝。

第三,光纖復合絕緣子濕熱老化導致密封、防護性能降低時,在高壓電場作用下,更容易沿光纖槽發(fā)生貫穿性放電[5-7]。

由于存在以上技術(shù)難點,現(xiàn)有光纖復合絕緣子設(shè)計及制造工藝復雜。通過對現(xiàn)有光纖復合絕緣子技術(shù)方案進行分析,根據(jù)全光纖電流互感器光學信號傳輸?shù)膶嶋H應用需求,筆者提出一種光纖復合絕緣子光纖內(nèi)嵌技術(shù),為技術(shù)人員開展全光纖電流互感器產(chǎn)品創(chuàng)新提供參考。

3 空心光纖復合絕緣子

伴隨著國家對特高壓電網(wǎng)建設(shè)的持續(xù)投入,目前我國110 kV及以上電壓等級輸電線路上運行的復合絕緣子已經(jīng)突破700萬支[8],極大促進了復合絕緣子產(chǎn)品的應用及技術(shù)提升。

空心光纖復合絕緣子結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由硅橡膠傘套、空心芯棒、金具法蘭構(gòu)成,機械性能取決于空心芯棒的強度,以及空心芯棒和金具法蘭的粘連設(shè)計。金具法蘭端面設(shè)置三元乙丙密封圈安裝槽、注膠通道、光纖通道,光纖貫穿空心芯棒的心孔和金具法蘭的光纖通道。光纖出口處進行倒圓角處理,杜絕光纖磨損風險。金具法蘭端面安裝密封圈后與傳感環(huán)密封腔體共同作用,防止水氣侵入。

田正波等[9]基于特高壓復合絕緣子研制工作的實踐,提出完善的工藝及質(zhì)量控制措施。采用這些工藝和質(zhì)量控制措施,可以有效確?？招墓饫w復合絕緣子長期穩(wěn)定運行。

4 保偏光纖密封與灌封技術(shù)

保偏光纖貫穿通過空心光纖復合絕緣子,無法采用機械固定方式,只能通過灌封方式進行固定和防護,因此選擇合適的灌封材料和工藝方法至關(guān)重要。

目前,在電子工業(yè)中,灌封材料的選擇多種多樣,其中主流材料包括環(huán)氧樹脂、有機硅、各類聚氨酯等。環(huán)氧樹脂的特點是收縮率低,具有優(yōu)異的絕緣耐熱性,耐腐蝕性好,機械強度高,但不耐溫度沖擊,固化時會產(chǎn)生內(nèi)應力,固化后可維修性較差。聚氨酯具有彈性高、透明、硬度低等特點,對各種材料均有良好的粘接力,但有毒性,會對人體健康造成危害。有機硅固化時不吸熱,不放熱,固化后不收縮,具有優(yōu)異的電氣特性及化學穩(wěn)定性。

硅橡膠作為膠粘劑、絕緣灌封材料、臺面涂覆材料在電子儀器領(lǐng)域已有大量應用,光學儀器進行密封、灌封后,在密封性能、耐老化性能等方面可以滿足要求,返修時易拆卸,不易生霉變性,且光學性能不降低。光纖與金具法蘭光纖通道之間的縫隙采用單組分室溫硫化硅橡膠進行密封,單組分室溫硫化硅橡膠作為光學儀器的密封材料,具有高黏度、室溫固化性能、耐高低溫性能、防水耐老化性能,以及良好的電性能,可緩沖振動,減小應力,防紫外線輻射。金具法蘭光纖通道完成單組分室溫硫化硅橡膠密封后,為灌封工藝提供密封腔體。光纖與空心芯棒之間采用雙組分硅凝膠,雙組分硅凝膠經(jīng)過充分真空脫氣后,基于高壓注膠系統(tǒng)注入密封腔體內(nèi)。同時使用堵頭及密封圈將注膠通道封閉,用于保護光纖免受高壓、潮濕、機械和熱沖擊。馮傳均等[10]對灌封中出現(xiàn)的問題進行了分析,并總結(jié)出相應的解決方法。

5 應用前景

通過發(fā)展特高壓電網(wǎng)實現(xiàn)清潔能源遠距離傳輸,對于我國實現(xiàn)雙碳目標而言具有重要作用。全光纖電流互感器廣泛應用于特高壓電網(wǎng),用于電流采集。光纖復合絕緣子作為全光纖電流互感器的重要組成部分,發(fā)揮著無可替代的作用。采用光纖內(nèi)嵌技術(shù),通過空心光纖復合絕緣子內(nèi)嵌光纖,并配套相應的保偏光纖密封、灌封工藝,可有效降低光纖復合絕緣子的生產(chǎn)制造難度,為光學器件廠家自主化生產(chǎn)全光纖電流互感器提供了一種技術(shù)方案。

6 結(jié)束語

現(xiàn)有的光纖復合絕緣子技術(shù)方案,芯棒預留螺旋槽內(nèi)嵌光纖,工藝復雜。光纖敷設(shè)在芯棒光纖槽內(nèi),使用密封膠進行固化封裝,達到一定硬度后,芯棒需要整體重新進行打磨處理,易造成光纖受力擠壓及彎折,對光纖的可靠性及傳輸特性影響較大。對此,筆者提出光纖復合絕緣子光纖內(nèi)嵌技術(shù),通過設(shè)計空心光纖復合絕緣子結(jié)構(gòu),運用保偏光纖密封、灌封技術(shù),使光纖復合絕緣子具有結(jié)構(gòu)簡單、光學性能可靠、耐濕熱老化、經(jīng)濟性突出等優(yōu)點。采用光纖內(nèi)嵌技術(shù),可以有效降低光纖復合絕緣子的生產(chǎn)制造難度,為生產(chǎn)全光纖電流互感器提供了一種新的技術(shù)方案。