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

基于國家對大氣污染防治和能源結構調整的需求，國家能源局分別與國家電網公司、南方電網公司簽署了《大氣污染防治外輸電通道建設任務書》，要求在2017年前完成投產12條安全、高效、經濟、環保的特高壓、超高壓的電力輸送通道，擴大向重點區域送電規模的目標。2017年之后，繼續優化完善特高壓輸電網絡，并持續建設予以改進。按照國家電網公司的劃分，交流750 kV及以上、直流 ±800 kV及以上為特高壓。國家能源局在總結1000 kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流示范工程建設和運行的基礎上，從2012年開始，批準由國網公司和南網公司開始組織建設交流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。

高壓開關設備、電力變壓器、避雷器、互感器等是輸變電網絡中的主要設備，這些電器設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，急需研制和生產特高壓電器設備用瓷套。

1 特高壓瓷套的設計和使用背景

2012年3月，國家電網公司在組織特高壓交流1000 kV皖電東送輸變電工程建設時，要求實現三個方面的優化：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(以下簡稱CVT)兼具原設計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，由原來的抗震設防部分不滿足8度要求提高到全部滿足，地震加速度峰值要分別達到0.2 g-0.5 g。

以上技術要求對高抗回路中的避雷器瓷套和CVT瓷套的機械強度和可靠性提出了前所未有的高要求。

國網公司為保證工程順利實現預期目標，國產與進口相結合，進口日本NGK公司生產的交流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。

與此同時，國家電網公司于2012年中期召集包括醴陵華鑫電瓷科技股份有限公司在內的國內三家電器瓷套主要生產廠家研討國產瓷套的研制，決定由國內電瓷企業研制生產交流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，具體由各特高壓設備與瓷套生產商各自聯合設計，因而各自的設計圖樣不盡相同，只要滿足國網公司提出的設備性能參數要求即可，主要參數如表1。

當時醴陵華鑫電瓷科技股份有限公司設計的交流1000 kV 避雷器瓷套和CVT瓷套的設計簡圖參見圖2。

2015年1月，根據特高壓工程全面建設的需要，一些電站的抗震設計設防要求提高至0.5 g水平加速度。此前，世界上只有日本NGK公司的產品有0.5g水平加速度地震臺試驗的成功經驗。為此，國家電網公司再次組織包括醴陵華鑫電瓷科技股份有限公司在內的國內三家電器瓷套主要生產廠商，匯同設備制造商統一設計了交流1000 kV避雷器標準化瓷套，如圖3所示，其主要技術要求為：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加速度的地震臺試驗；整體彎曲破壞強度70 kN以上；爬電距離滿足c級和d級污區要求。

圖1 特高壓交流1000 kV電站優化設計示意圖Fig.1 Optimal design for ultrahigh voltage AC 1000 kV power transmission and transformation station

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

2 主要研制內容

2.1 特高壓瓷套的主要技術要求

應用濕法成型工藝制造如此高機械強度的特高壓瓷套在我公司系首次，在國際上也只有日本NGK公司有少量制造，產品的技術要求在國內外居領先水平，我們沒有任何可類比的成功經驗供借鑒。1000 kV瓷套的主要技術要求見表2。

2.2 特高壓瓷套研制生產的關鍵技術

(1)特高壓瓷套用坯、釉、無機粘接釉的配方。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，同時其機械強度及抗機械沖擊強度的要求很高，現有坯、釉、無機粘接釉的配方均難以滿足要求。需要新開發特高壓瓷套專用坯、釉、無機粘接釉的配方。

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)分節成型、無機粘接、二次焙燒技術單元件瓷件最大外徑達870 mm、最大高度超過2500 mm，必須采用分節成型，二次粘接工藝。鑒于最終用戶對有機粘接技術抗長期老化性能的疑慮，通過二次焙燒實現無機粘接是必然選擇，除了和坯體相適應的粘接釉技術外，其中的接口研磨、尺寸精細控制等是成功的關鍵。

(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行裝燒，同時要求窯爐內溫差控制在5 ℃之內。

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

3 研制中解決的主要技術問題

圖3 交流1000 kV 避雷器標準化瓷套設計示意圖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配合理。為確保產品的內在質量和可靠性，坯料配方中引入了從英國進口的KC黏土。同時，所用的各種天然原料及化工原料均是按企業標準的上限控制，原料均經過提純預處理。

(2)嚴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。粗練泥陳腐3天以上方能用于真空擠制，水分值為18-19%。

(3)真空擠制采用國產Φ1000 mm臥式大型真空練泥機。為保證擠出毛坯的擠制密度和水分要求，對粗練泥的水分、泥料和真空室的溫度、投入泥料的速度和毛坯擠出速度、練泥機的真空度等工藝參數都進行了摸索確定并嚴格控制。另外，研究確定了相應的擠出套筒結構和尺寸。

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

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

(6)坯件干燥采用全自動控制的循環封閉式熱空氣烘房。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，該結構處于濕法修坯件干燥難度的極限。所以，對特高壓瓷套的烘房干燥曲線進行了系統的摸索研究與實踐。在干燥初期，保持低溫高濕，用干、濕球兩個溫度計來顯示烘房內的溫度和濕度，用調節濕氣管路的進氣量來控制烘房內的濕度，以抑制坯件水分的蒸發速度，使其內外、上下干燥排水速度盡可能一致。經較長時間的保溫后，再逐漸升溫并降低濕度，加快坯體的干燥速度，轉入高溫等速干燥。烘干過程大約為360 h，坯件出烘房時的含水率在1.5%以下。

(7)一次焙燒窯爐為全自動大型天然氣車底窯，內高4.4 m，容積180 m3，窯內溫差控制在5 ℃以內。焙燒曲線為特高壓瓷套專用，坯件放置在適當的中低火位，并配備了專門的底部缽套。

(8)無機粘接、二次焙燒：

①接口研磨：為進行無機粘接，按照設計圖樣的要求，采用專門的接口研磨工具，分別在上下節瓷件上研磨出 “V”型接口，上節為凸棱狀，下節為凹槽狀，如圖4所示。

圖4 無機粘接接口圖Fig.4 The joining interface by inorganic glaze

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

分節成型、無機粘接、二次焙燒技術是大尺寸特高壓瓷套研制中最為關鍵的核心技術之一。其技術特點有：

(a)通過高溫焙燒，熔融狀態的無機粘接釉與上下節瓷件接口表面的瓷質間形成了離子鍵結構，將上下兩節瓷件粘接成一整體。粘接后，整體瓷件的電氣性能和機械強度均滿足技術要求。二次焙燒技術較整體成型技術的一個顯著優勢是在制造過程中泥坯尺寸適宜(可按生產工藝水平而定)，生產操作方便，全過程合格率比較高。但是，它也有著生產周期長、質量問題潛伏期長、瓷件接口研磨和粘接精度要求高、精準控制難度大、燃料消耗較多等劣勢。

(b)無機粘接釉的熔融溫度要比一次焙燒的溫度低，膨脹系數應與瓷相近，即粘接釉的膨脹系數要比表面瓷釉稍大。同時，在燒成熔融態時，釉料應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。無機粘接釉及其與瓷坯的配合對無機粘接瓷件的整體質量至關重要。

(c)上下兩節瓷件接口研磨時，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粘接的基礎。

圖5 特高壓交流1000 kV避雷器瓷套彎曲破壞試驗現場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，應將上下節坯件放在同一窯次的窯爐中進行培燒，以盡可能減小瓷質分散性。瓷件粘接時，也盡可能地將同窯次的上下節瓷件一起組合。這樣，既可減少因窯次不同而產生的瓷件強度差異、膨脹系數差異所帶來的粘接質量分散性，又能減小上下節瓷件的釉色色差。

4 產品試驗情況

(1) 按GB/T23752、國家電網公司的相關要求和產品圖樣要求進行例行試驗和型式試驗。

(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加速度的地震臺試驗的特高壓交流1000 KV CVT瓷套和避雷器整柱瓷套的彎曲試驗在中國電力科學研究院特高壓試驗基地進行，避雷器和CVT地震臺試驗在重慶交通科學研究院進行。其試驗安裝分別見圖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加速度的地震臺試驗的特高壓交流1000 kV標準化避雷器瓷套(c級污穢，由4節元件瓷套疊裝)的彎曲試驗在中國運載火箭科學技術研究院進行，地震臺試驗在重慶交通科學研究院進行。其試驗安裝圖片見圖7和圖8。

(4)試驗結果：

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結果參見表3。

抗震0.2 g和減震0.4 g的特高壓交流1000 kV CVT及其瓷套的試驗結果參見表4。

圖6 特高壓交流1000 kV CVT地震臺試驗現場Fig.6 The seismic station test site for 1000 kV UHV porcelain insulator of CVT

圖7 特高壓交流1000 kV避雷器標準化瓷套(c級污穢)的彎曲破壞試驗現場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標準化瓷套避雷器(c級污穢)的地震臺試驗現場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結果Tab.3 Test results of AC 1000 kV surge arrestor and its porcelain insulator

表4 交流1000 kV CVT及其瓷套的試驗結果Tab.4 Test results of AC 1000 kV CVT and its porcelain insulator

表5 交流1000 kV標準化瓷套避雷器(c級污穢瓷套)試驗結果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標準化瓷套避雷器(c級污穢瓷套)的試驗結果參見表5。

從上面的試驗數據可以看出，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和地震臺試驗的兩項指標全部符合要求，而且工程安全系數有相當大的裕度。另外，我公司特高壓瓷套的試驗結果居于國網公司組織的試驗驗收的最好水平。

5 結 語

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，使我國電瓷產品的制造水平上了一個新臺階，填補了國內大型電站電瓷抗震產品的生產制造空白。

在以后的生產中，還需要繼續優化工藝控制，提高產品的過程品質，進一步提高全過程合格率。

[1]GB/T23752-2009. 額定電壓高于1000V的電器設備用空心瓷和玻璃絕緣子[M]. 北京: 中國標準出版社, 1996.

[2]國家電網交流建設部. 國家電網交流建設部關于皖電東送工程變電站高抗回路設備抗震性能及機械強度驗證的技術條件[C]. 北京: 2012.

[3]國家電網交流建設部. 國家電網交流建設部關于特高壓避雷器瓷套標準試驗的技術條件[C]. 北京: 2015.