复合绝缘套管综述

电器绝缘套管结构技术与发展专业：电气工程与自动化班级：电气94姓名：方舟学号：09041086电器绝缘套管结构技术与发展方舟(电气9409041086)摘要：绝缘套管是用于穿过带电导体的一种绝缘子，作为一类重要的绝缘材料，主要搭建于变压器、电抗器、断路器等电力设备及墙体中，承担对地绝缘、支撑及载流的功能，应用十分广泛。本文将分别针对绝缘套管的基本原理与结构、关键技术与特点、国内外研究动态及其当前应用状况与发展前景做概述，并按照套管的分类及换代历程进行横向、纵向的对比，从而达到对绝缘套管领域更系统而全面的把握。关键词：绝缘套管瓷套复合超(特)高压机械(电气)性能正文：一、绝缘套管的结构、原理经过较长时间跨度的发展及不同领域的应用要求，绝缘套管衍生出众多种类，其外形构造也不尽相同。但究其本质，绝缘套管由内绝缘与外绝缘构成，从作用的地位上看，二者分别对应产品的主绝缘与从绝缘。由内外绝缘构成的套管主体搭载上下接线端子、联接法兰、均压环和均压球即为绝缘套管的基本要素。绝缘套管的用途及原理，我们可以从绝缘套管长期且广泛存在于电力系统发电、配电、送电等环节的原因加以分析。从内因来讲，伴随着电力设备的运转，高压高场强的工作环境难以避免，为了规避高电压可能引发的放电、击穿、闪络等危险状况，需要绝缘套管为导体提供绝缘保护；从外因上讲，上述电力设备中的相当一部分在户外一些自然条件十分恶劣的地域搭建并运作，强风、冰雪、潮湿、沙尘、污秽甚至地震都为设备的平稳运行增加了不确定因素，需要绝缘套管抵御导体本身受到侵害，进而保障设备使用寿命。因此，绝缘套管的工作原理简单而明确——用于穿过带电导体向其提供外围的绝缘保护，将电流安全有效地引入或引出电力设备的金属外壳。上述功能决定了，绝缘套管从选材上对机械性能和电气性能都有较高的要求。关于绝缘套管更详细的结构及技术特点分析，将在下一节分类表述。二、绝缘套管技术特点的分类表述1、分类概述功能层面，绝缘套管按工作环境及用途的不同分为电器绝缘套管与电站绝缘套管。结构层面，则又能根据外绝缘与内绝缘的选材不同分别归类：从内绝缘来看，绝缘套管可分为充油(气)式与电容式；从外绝缘来看，又可分为单一式与复合式。上述三个角度的分类原则上可以搭配从而形成特定一种绝缘套管，但实际上特定的功能很大程度上与材料是挂钩的。例如，电站套管主要用于导体穿过建筑物和墙壁，强调机械性能，因此通常只选用空腔纯瓷套管；而电器套管同时要求良好的绝缘性能，因此更多地选用复合式充油(气)或电容套管。2、外绝缘技术与分类(1)单一外绝缘单一式绝缘套管产生时间较早，结构也较为简单，最初使用纯瓷绝缘，常制成穿墙套管，用于35千伏及以下电压等级。其绝缘件为管状，中部卡装或胶装法兰以便固定在穿孔墙上。法兰一般为灰铸铁，当工作电流大于1500安时常用非磁性材料以减少发热。单一绝缘套管的绝缘结构分为有空气腔和空气腔短路两类。空气腔套管用于10千伏及以下电压等级，导体与瓷套之间有空气腔作为辅助绝缘，可以减少套管电容，提高套管的电晕电压和滑闪电压。当电压等级较高时（20～30千伏），空气腔内部将发生电晕而使上述作用失效，这时采用空气腔短路结构。这种瓷套管的瓷套内壁涂半导体釉，并用弹簧片与导体接通使空气腔短路，用以消除内部电晕。但法兰附近仍可能发生电晕和滑闪。通常在法兰附近两侧瓷套表面各设一很大的伞裙，并在法兰附近涂以半导电层使电场均匀分布，提高套管的放电特性。但是，瓷套在生产、安装、运输及运行中，必然会出现许多问题，由于瓷套是易损件，在烧制或研磨过程中会出现内部破损，或者在安装过程中，上紧法兰螺栓时受力不均而出现轻度裂纹，或在运输中受到冲击力而产生损坏，上述损坏在产品运行之前不易被发现，往往由于破损处电场高度集中或水从裂缝处进入真空断路器，发生严重的绝缘故障，从而导致真空断路器爆炸。90年代后期，为了克服上述弊端，环氧树脂套管逐渐走入人们视野。遗憾的是，限于工艺水准，单一绝缘套管只能应用于35kV以下的电压环境，因此应用范围受到了很大程度上的约束。然而，穿墙套管在绝缘套管行业所占比例毕竟有限，纯瓷套管的局限性并不意味着瓷类材料无法在高电压领域有所作为。事实上，配合良好的内绝缘，瓷类外绝缘材料拥有其得天独厚的优势，在当前市场依然得到广泛使用：虽然复合类套管在耐污性及重量便捷性等方面都具有优势，但由于硅橡胶等材料的有机物特征，其长期可靠性及耐候性等方面目前并无长期稳定运行的保障，因此，当前许多超高压环境下绝缘套管的研制依然选用可靠性较高的瓷类材料作为外绝缘。(2)复合外绝缘复合外绝缘通常采用瓷与有机材料复合应用，国际上研究复合绝缘套管(也可称合成绝缘套管)技术最早的国家是德国，1967年就研究出了复合绝缘套管并投入试运行。直到90年代才将复合绝缘套管技术引入到断路器中。复合绝缘套管的伞裙材料除高温硫化硅橡胶(HIV)外，还有液体硅橡胶(LSR)、双组分室温硫化硅橡胶(RTV)和三元乙丙橡胶(EPDM)，它们都具有良好的绝缘、抗老化、抗污秽性能。与瓷绝缘套管相比，复合绝缘套管具有以下特点：[1]复合绝缘套管的体积小，重量轻。其重量只相当于同等瓷绝缘套管的1／7～1／10。伞裙有弹性、不破损、耐冲击、运输、安装方便、经济。[2]强度高。复合绝缘套管抗拉强度高，是瓷类材料的5-10倍，同时，其抗弯强度也很高。[3]复合绝缘套管与瓷绝缘套管相比，最重要的特点是抗污闪性能强，由于伞裙及护套采用的硅橡胶材料具有明显的憎水性及其迁移性，在相同污秽条件下其闪络电压比相同爬距的瓷绝缘高1倍以上。[4]真空断路器采用复合绝缘套管能减轻真空断路器的重量，一般不需要清理维护，可大大减少线路的运行维护费用、停电损失和工人劳动强度。但该种绝缘套管在生产过程中也有许多要点值得高度警惕。这种复合绝缘套管是由数种材料及多个部件复合组成的，其中存在许多界面：[1]导电杆与环氧玻璃纤维之间；[2]玻璃纤维和浸渍树脂之间；[3]硅橡胶伞裙与环氧玻璃纤维之间。这些界面如结合不好，会使真空断路器出现故障。如果上述[1]中的界面有缝隙，则会有水及潮气从此缝隙进入真空断路器，使真空断路器绝缘件受到潮气的侵蚀而引起绝缘性能下降。如果[2]、[3]中的界面处理不好，将形成绝缘的薄弱环节。3、内绝缘技术与分类(1)充油(气)式内绝缘以油或气体作绝缘介质，一般制成变压器套管或断路器套管，常用于35千伏以下的电压等级。复合绝缘套管的导体与瓷套间的内腔充满变压器油，起径向绝缘作用。当电压超过35千伏时，在导体上套以绝缘管或包电缆线，以加强绝缘。复合绝缘套管的导体结构有穿缆式和导杆式两种。穿缆式利用变压器的引出电缆直接穿过套管,安装方便。当工作电流大于600安时，穿缆式结构安装比较困难，一般采用导杆式结构。(2)电容式内绝缘电容式套管由电容心子、瓷套、金属附件和导体构成。主要用于超高压变压器和断路器。其上部在大气中、下部在油箱中工作。电容式套管的电容心子作为内绝缘，瓷套作为外绝缘，也起到保护电容心子的作用。瓷套表面的电场受内部电容心子的均压作用而分布均匀，从而提高了套管的电气绝缘性能。金属附件有中间连接套筒（法兰）、端盖、均压球等。导体为电缆或硬质钢管。电容心子用胶纸制造时，机械强度高，可以任何角度安装,抗潮气性能好，结构和维修简单,可不用下套管，还可将心子下端车削成短尾式，缩小其尺寸。缺点是在高电压等级时，绝级材料和工艺要求较高，心子中不易消除气隙，以致造成局部放电电压低。胶纸电容式套管由于介质损耗偏高和局部放电电压低等问题，已逐渐为油纸电容式套管所取代。采用油纸作电容心子，一般要有下瓷套，下部尺寸较大，对潮气比较敏感，密封要求高；优点是绝缘材料和工艺易于解决、介质损耗小、局部放电性能好。70年代开始，中国已广泛使用110～500千伏超高压油纸电容式套管。80年代中国还发展了一种胶浸纸套管，其电容心子是以绝缘纸卷制成心子后用合成树脂真空浸渍，再经热固化处理。其性能兼有胶纸和油纸电容式套管的优点。不过，电容式绝缘套管也存在如下安全性课题亟需攻破：综合国外分析结果及国内的套管事故案例可以看出，电容芯子局部浸渍不良、密封破坏造成大量进水仍是套管初期爆炸性故障的主要原因。而对长期运行的套管，其典型故障包括局部电容屏击穿、介质过热、内部产气、密封不良造成绝缘长期受潮、导体连接过热造成长期的绝缘过热、变压器油的老化、下绝缘表面杂质沉淀引发的沿面闪络、末屏接地不良等。这些问题套管的故障若长期发展，最后都有可能带来灾难性的后果。这些故障有的与运行维护有关，但大部分与制造息息相关。三、国内外研究动态1、国外套管发展与现状因国内电力发展迟于国外，因此，国外套管研制比中国早，且国外对直流套管和干式套管（胶浸纸绝缘或复合外绝缘）的研制也比较成熟。在特高压套管方面的研制，国外如意大利、俄罗斯、日本、瑞士等国已制造并有百万伏级套管投运，但投运数量不多。随着环境污染日日严重和交、直流特高压输变电的发展，国外目前也在研究外绝缘能够满足高海拔、耐污秽性能好或直流输电需用的特高压套管。2、国内套管发展与现状我国目前进行百万伏级套管的研制仅仅是刚开始，但近年来特高压套管的研制结果表明，国产套管的研究制造能力及技术水平已达到了国际先进水平。目前，国内能大量生产套管的公司主要有三家：南京电气集团有限责任公司（原南京电瓷总厂）、西安高压电瓷有限责任公司和抚顺雷诺尔（合资企业，现已并为上海传奇公司）。上述国内公司近几年来采用新材料、新技术等措施，对电容套管进行更新设计、生产技术改造，且在特高压套管方面研究取得了国际上较有影响的成果，使我国套管生产质量和研究能力都达到了国际先进水平，1100kV及以下各种电压等级套管均可大批量生产。主要以我公司为代表的国产套管发展所取得的主要技术进步和仍需解决的质量问题简要总结如下(1)已形成1100kV以下电压等级系列套管产品。(2)套管质量接近并逐步达到国际先进水平：[1]整体结构简洁、外观美观、重量减轻；[2]电气性能优越；[3]机械强度提高；[4]套管内油性能控制严格。(3)在压制超(特)高压交、直流套管方面积累了一定的经验。(4)仍有一系列有待解决的套管质量问题：[1]套管渗漏油；[2]末屏电阻偏低；[3]油中含气量超标。四、行业发展前景展望——机遇与挑战并存随着我国经济和社会快速发展，以及用电需求迅速增长，电力供应和煤炭运输同趋紧张，电网的输电压力越来越大，我国现有的以500kV交流和±500kV直流系统为主的输电网不能满足社会经济发展需要。特高压和直流输电具有跨区域、大容量、远距离、低损耗输送电力的优越性，尽早研究特高压、远距离送电技术，实现电力资源在较大范围的优化配置十分紧迫。目前，我国第一条最高电压输变电工程是西北750kV输变电示范工程，是黄河上游公伯峡水电站送出的配套工程，也是“西电东送＂和750kV网架建设的起步工程，于2003年9月开建，整体工程将在2005年年底之前建成投运。该工程750kV变压器实现了国产化，由西电集团西安西电变压器有限责任公司研制，但其配用套管是进口750kV变压器套管。国网公司计划在2020年前后，初步建成以特高压电网为核心的国家电网，其骨干网架由1000kV级交流和±800kV级直流输电系统组成。为此，国家发改委于2005年5月召开了1000kV级交流和±800kV级直流输电技术前期研究工作会议，会议主要内包括：特高压技术基础研究、国内特高压设备开发与制造能力研究、特高压经济性研究以及特高压网架前景和示范工程的选择等。目前，国际上尚无商业运行的交流百万伏电压等级的输变电工程，鉴于国外特高压输电设备的设计制造也处于研制示范阶段，尚未大规模工业应用，坚持自主研发和积极消化吸收国外先进技术相结合，尽可能采用国产化设备，这将给我国输变电制造行业带来千载难逢的发展机遇。当前，我们已掌握了363、550kV及以下电压等级交流套管的设计、制造和运行技术，而且也积累了一定的特高压交、直流套管的研制经验，为实现特高压交、直流套管的国产化打下一定的基础。目前，国内运行的550kV交流套管50%左右是进口的