全絕緣澆注母線在10 kV母線連接中的性能研究

雷翔勝，王彥峰

（廣東電網(wǎng)有限責任公司 電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510080）

從最初的裸母線、金屬母線到封閉母線，母線的發(fā)展經(jīng)歷了多個階段。封閉母線常見的類型主要有離相母線和共箱母線2種，能夠克服一般裸母線導體完全裸露導致的溫度過高、受潮、灰塵引發(fā)絕緣性不佳等問題。然而，隨著應用程度的加深，封閉母線也逐漸暴露出易老化受潮、封閉性隨使用時間提升而下降等不良現(xiàn)象，需要研發(fā)性能更為優(yōu)異的全絕緣澆注母線進行代替[1-4]。全絕緣澆注母線是一種新型固體絕緣母線，耐壓可達5 000 V以上。全絕緣澆注母線復合絕緣材料具有優(yōu)越的電氣絕緣性能、機械性能及良好的散熱性能，且防水、防火、防爆、防腐蝕，產(chǎn)品尺寸較小，布置相對靈活，可有效地解決母線橋布置和電纜的電容電流的問題。本文針對全絕緣澆注母線進行10 kV母線段連接時的優(yōu)勢進行分析，通過與傳統(tǒng)封閉母線進行對比，挖掘全絕緣澆注母線應用缺陷，并針對這一缺陷進行優(yōu)化。

1 全絕緣澆注母線及其性能優(yōu)勢

1.1 基本結構

某型號典型全絕緣澆注母線結構如圖1所示。該全絕緣澆注母線主要由母線導體、絕緣材料、澆注模具等組成。母線導體一般采用銅排或鋁排，三相導體外表面采用絕緣性能十分良好的復合絕緣材料澆注而成；復合絕緣材料則通常以環(huán)氧樹脂基復合材料為基體，混合石英砂等惰性無機礦物材質(zhì)，按特定配方及工藝要求精確配制整體澆注成型；澆注模具為母線連接時提供進行材料澆注成型的環(huán)境，連接完成以后通常會做拆除處理。

圖1 典型全絕緣澆注母線結構Fig.1 Typical fully insulated casting bus structure

1.2 性能優(yōu)勢

（1）卓越的“四防”性能。全絕緣澆注母線的“四防”性能主要指防火、防水、防腐以及防爆[5-7]。全絕緣澆注母線中的復合絕緣材料具有不易燃燒且能夠?qū)崿F(xiàn)自熄等優(yōu)勢，且材料自身低煙、無毒，能夠滿足75 ℃條件下長達3 h的燃燒試驗。卓越的防火性能，能夠幫助全絕緣澆注母線應用于某些消防安全等級較高的場合。通過澆注模具對母線導體連接處進行現(xiàn)場澆注，能夠保證母線具有較高的密封性能，從而隔絕外部水分，全絕緣澆注母線的系統(tǒng)防護等級通常能夠達到IP86等級，非常適合戶外雨雪、高潮濕、電纜溝等環(huán)境。高度密封的現(xiàn)場澆注工藝以及環(huán)氧樹脂的低可燃性，能夠有效隔絕外部可燃氣體與帶電部件的接觸，從而使粉塵、可燃性氣體環(huán)境下如煤礦、石油化工等工作場景下可以安全使用。環(huán)氧樹脂及石英成分具有較高的化學穩(wěn)定性，能夠有效避免母線導體腐蝕和霉變[8-10]，可以被廣泛應用于化工廠、沿海地區(qū)等場合。

（2）小體積布置方便。一種典型的共箱母線與全絕緣澆注母線體積對比如圖2所示。可以明顯看出，與一般共箱母線相比，全絕緣澆注母線的結構更為緊湊、體積更小（僅為共箱母線體積的1/5左右），更方便開展現(xiàn)場布置。此外，全絕緣澆注母線還可以根據(jù)電網(wǎng)設計需求靈活制備直線段、轉(zhuǎn)彎段、T接段以及盤頭等，現(xiàn)場安全和施工更加方便。

（3）高機械強度。固化以后的環(huán)氧樹脂基復合材料具有較高的機械強度，較一般的橡膠、塑料等的耐磨性和耐沖擊性能更好，一般全絕緣澆注母線的防撞等級能夠達到IK10。

（4）耐老化防開裂。環(huán)氧樹脂與石英砂等惰性無機礦物材料的配比，能夠充分保證澆注成型以后的母線結構整體擁有統(tǒng)一的熱膨脹系數(shù)（主要指復合絕緣材料與母線導體），能夠在外界環(huán)境變化時保證結構整體的穩(wěn)定性，有效防止絕緣體開裂。因而，通常情況下全絕緣澆注母線能夠有效、安全運行長達50年而不需要維護。

圖2 典型的共箱母線與全絕緣澆注母線體積對比Fig.2 Volume comparison of typical common-box busbar and fully insulated cast busbar

2 應用分析

2.1 系統(tǒng)描述

10 kV全絕緣澆注母線連接項目屬于中壓全絕緣澆注母線系統(tǒng)，系統(tǒng)基本構成如圖3所示。

圖3 10 kV全絕緣澆注母線連接項目系統(tǒng)結構Fig.3 System structure of 10 kV fully insulated casting bus connection project

該系統(tǒng)主要應用于10 kV全絕緣澆注母線連接項目，但實際該結構能夠滿足額定電壓3.15～35.00 kV、額定電流630～6 300 A交流高防護要求系統(tǒng)，其防護等級能夠達到IP68。

系統(tǒng)根據(jù)母線導體的選擇可以分為鋁排和銅排2種，不同母線導體的系統(tǒng)主要技術參數(shù)見表1。鋁排與銅排導體的選擇需要根據(jù)具體的項目設計需求進行選擇，選擇銅排作為母線導體材料。在進行母線連接時，采用銅排裸接，將母線導體的銅排分別夾接母線外漏銅排接頭，在連接前用酒精、保潔布對銅排接頭進行擦拭，充分保證基礎面的潔凈和光滑；完成裸接以后盡量立即完成澆注工作，部分未完成澆注的母線導體用保鮮膜、膠帶進行保護，防止銅排產(chǎn)生氧化，之后進行重新清潔以后才可進行澆注。

表1 不同母線導體的系統(tǒng)主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of different busbar conductors

2.2 應用時的問題分析

10 kV母線連接項目采用全絕緣澆注母線、共箱母線、小離相母線以及電纜母線時的優(yōu)缺點對比情況見表2。與共箱母線、小離相母線等相比，全絕緣澆注母線具有防護等級高、占據(jù)空間小、長時間免維護等優(yōu)勢。但由于該項技術需要應用大量的絕緣材料和澆注工藝。因此，對絕緣材料的配比、制備以及澆注工藝的要求均較高，屬于當前限制該工藝進一步大范圍開展應用的因素之一。

表2 全絕緣澆注母線優(yōu)缺點Tab.2 Advantages and disadvantages of fully insulated casting bus

2.3 問題處理

為解決10 kV母線連接項目采用全絕緣澆注母線時出現(xiàn)的對絕緣材料及澆注工藝要求較高這一難題，通過絕緣材料對比和制備配比方案的確定，進行了充分的系統(tǒng)優(yōu)化處理。開展全絕緣澆注母線絕緣材料制備的目的：①確定絕緣材料最佳配比，降低材料制備難度；②提升環(huán)氧樹脂基復合材料的耐沖擊損傷能力、耐熱能力。在此前提下，本文利用表3所示的材料進行環(huán)氧樹脂基絕緣復合材料的制備。

Ⅰ組為根據(jù)傳統(tǒng)的全絕緣澆注母線絕緣材料制備方法所選擇的原材料；Ⅱ組為本文改進后的絕緣材料制備原材料。絕緣材料的制備總共可分為6個步驟：①將填充料進行充分干燥，保證石英粉及偶聯(lián)化硅微粉處于150 ℃條件下干燥7.5 h以上；②將環(huán)氧樹脂融化以后加入攪拌鍋內(nèi)與干燥完成的石英粉或偶聯(lián)化硅微粉進行融合；③將步驟②所得混合物進行真空脫氣處理，保證脫氣處理時的溫度為130 ℃左右，真空度高于670 Pa；④在另一攪拌鍋內(nèi)對納迪克酸酐、甲基四氫苯酐等與填充料進行混合，在52 ℃條件下進行攪拌和真空脫氣處理，真空度高于670 Pa；⑤將步驟④所得混合料與步驟③所得混合料在真空條件下注入攪拌鍋內(nèi)并進行融合，同時加入聚壬二酸酐、JDY-050活性增韌劑等增韌劑，在充分攪拌以后加入芐基二甲胺、DMP-30等促進劑；⑥在真空狀態(tài)下，打開全絕緣澆注母線的澆注閥門進行澆注，并對澆注體的各項性能進行對比分析。

表3 絕緣材料配比原材料Tab.3 Insulation material ratio raw materials

最終結果表明，①Ⅰ、Ⅱ兩組材料相比，Ⅱ組材料在膨脹系數(shù)一致性、耐沖擊損傷能力以及耐熱性等方面均優(yōu)于Ⅰ組；②Ⅱ組中各項材料的最佳配比（質(zhì)量），環(huán)氧樹脂:偶聯(lián)化硅微粉=1.00∶2.05，甲基四氫苯酐∶偶聯(lián)化硅微粉=7∶12。Ⅱ組各材料最佳質(zhì)量配比為環(huán)氧樹脂 100 Pbw、固化劑66 Pbw、增韌劑16 Pbw、促進劑0.26 Pbw、填充料300 Pbw、著色劑31 Pbw、脫模劑5.6 Pbw。

3 結語

全絕緣澆注母線在10 kV母線連接項目具有較為明顯的優(yōu)勢性能，如卓越的“四防”性能、小體積布置方便、高機械強度等；與典型的母線連接方式共箱母線、小離相母線、電纜母線等相比更值得進行推廣。本文針對10 kV母線連接項目中全絕緣澆注母線澆注材料配比工藝及澆注難度大等問題進行處理，認為復合絕緣材料中環(huán)氧樹脂 100 Pbw、固化劑66 Pbw、增韌劑16 Pbw、促進劑0.26 Pbw、填充料300 Pbw、著色劑31 Pbw、脫模劑5.6 Pbw時，系統(tǒng)整體能夠獲得最為理想的膨脹一致性、耐沖擊損傷能力、耐熱能力等。環(huán)氧樹脂與其他惰性無機礦物材質(zhì)的質(zhì)量配比，能直接影響最終的母線連接效果，全絕緣澆注母線在10 kV母線連接項目應用既充分利用該材料的性能優(yōu)勢，同時需要根據(jù)項目實際的應用環(huán)境、設計需求等針對材料配比進行具體優(yōu)化。