1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管技术应用研究

0 引言

特高压套管运行条件苛刻、技术复杂、工艺要求高，在我国电力系统中主要采用国外或合资公司的油纸套管、胶浸纸套管或SF6气体套管产品[1-5]。经过多年的技术引进，消化再创新的发展，国内部分套管厂家虽然具备了特高压套管的生产能力，但仍存在材料、设计和工艺等方面的技术薄弱问题，一是套管材料选取需要考虑材料的绝缘、化学、力学非线性，以及不同材料间的界面效应、空间电荷效应等因素；二是结构设计需要充分考虑材料特性、生产工艺和现场安装等多种因素；三是超长超大电容芯子的绕制与固化、大型外护套的制造、超长导电杆的加工等工艺难度大[6-10]。上述技术难点导致我国特高压工程用套管长期依赖进口，国产化率不足5%，且国外套管产品在系统运行中已发生多起事故，严重影响电网运行的安全可靠性，成为制约我国特高压设备全面国产化的瓶颈，属于我国发展特高压工程的“卡脖子”技术[11-15]。

基于胶浸纤维套管无油、防火防爆、机械强度高、防潮、少维护等优势，笔者提出了一种特高压交流胶浸纤维穿墙套管结构，优化了非真空环境下超长超大直径套管芯体缠绕和固化工艺，实现了胶浸纤维材料在特高压交流穿墙套管上的应用，研制的1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管自安装投运以来，运行稳定良好。

1 套管结构

1.1 套管结构设计

1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管的结构见图1，套管内绝缘采用高绝缘性能玻璃纤维浸以专用环氧树脂绕制绝缘层，半导体适形材料绕制成电容屏用于均压均场，绝缘层与电容屏交替间隔绕制并固化成阶梯状电容芯体，外绝缘采用空心复合绝缘子，在芯体与外绝缘空套之间充一定压力的SF6气体作为辅助绝缘。

图1 1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管结构图(单位：mm)

Fig.1 Structure of 1 200 kV UHV AC resin impregnated fiber wall bushing(mm)

根据径向场强相等的设计原则，计算得到了1 200 kV 特高压交流胶浸纤维穿墙套管内绝缘各层电容屏的参数，并结合该套管的运行环境及外绝缘技术要求，确定了套管两端外绝缘空心复合绝缘子尺寸，套管结构参数见表1。

表1 套管结构参数

Table 1 Bushing structure parameters

1.2 套管仿真分析

在仿真软件里建立了1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管模型，见图2。

通过仿真计算，获得了套管电场分布情况。图3为该套管整体电位分布和电容屏局部电位分布，套管芯体零屏和末屏端部附近的场强最高，在雷电冲击电压校核下，该穿墙套管最高径向和轴向场强均低于套管设计的径向和轴向最大工作场强；套管整体电场分布均匀，内外绝缘配合设计合理。

图2 套管简化模型

Fig.2 Simplified bushing model

图3 整体电位分布和电容屏局部电位分布

Fig.3 Global potential distribution and local potential distribution of capacitance screen

该穿墙套管整体长度约27 m，重量约17 t，在正在运行状态下会受到自身重力的影响，套管两端会出现微小形变。考虑此情况，对套管进行挠度计算，分析套管在静止状态下，套管沿中心轴线最大位移量，图4为套管在重力载荷下最大变形云图。

图4 重力载荷下最大变形云图

Fig.4 Maximum deformation nephogram under gravity load

由挠度分析结果，该穿墙套管在重力载荷下，套管两端出现最大变形量15.7 mm，而套管材料抗扰度系数大于55 mm，套管机械强度满足结构设计要求。

2 套管生产工艺

胶浸纤维干式套管生产工艺主要包括6个环节：套管芯体绕制、套管芯体固化、套管芯体机械加工、法兰与套管芯体胶装、零部件装配和套管试验[16-17]，见图5。

图5 胶浸纤维干式套管生产工序

Fig.5 Production process of resin impregnated fiber bushing

基于常规胶浸纤维干式套管生产工艺，结合1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管超长超大直径的结构特点，优化了生产工艺：1)在非真空条件下，采用螺旋缠绕方式，调配环氧胶液中环氧树脂和固化剂配比，添加专用的增韧剂和促进剂，选择合理的缠绕角度和缠绕张力，去除套管芯体里的气泡，提高套管芯体机械性能，制定了适用于特高压交流胶浸纤维穿墙套管芯体缠绕方案；2)通过测试胶浸纤维复合材料的特性参数，获得准确的胶浸纤维复合材料玻璃化转变温度，调整了套管芯体的固化温度和固化时间，并在套管芯体缠绕过程中增加了前固化处理工序，消除芯体内部应力，避免套管芯体出现分层和开裂问题，最终确定了合理的穿墙套管生产工艺。图6为1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管生产流程，主要包括环氧树脂液体配料、芯体缠绕、芯体固化、芯体加工成型、胶装法兰、安装空心复合外套及均压环等部件。依据上述生产装配工艺，最终完成1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管。

图6 1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管生产流程

Fig.6 Production process of 1 200 kV UHV AC resin impregnated fiber wall bushing

3 套管试验

3.1 出厂试验

依据国标GB/T 4109—2008《交流电压高于1 000 V的绝缘套管》制定了1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管出厂试验方案[18]，包括：1)环境温度下介质损耗因数(tan δ)和电容量的测量；2)局部放电量的测量；3)工频干耐受电压试验；4)雷电冲击干耐受电压试验；5)抽头绝缘试验；6)外观检查。经检测，1 200 kV特高压胶浸纤维交流穿墙套管内外绝缘结构设计合理，各项参数均符合技术要求。

3.2 型式试验

依据国标GB/T 4109—2008《交流电压高于1 000 V的绝缘套管》制定了1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管型式试验方案[18]，包括：1)环境温度下介质损耗因数(tan δ)和电容量的测量；2)局部放电量的测量；3)雷电冲击干耐受电压试验；4)操作冲击干耐受电压试验；5)工频干耐受电压试验；6)抽头绝缘试验；7)电磁兼容试验；8)温升试验；9)热短时电流耐受试验；10)悬臂负荷耐受试验；11)密封实验；12)外观检查及尺寸检验。经检测，各项试验结果均符合国标GB/T 4109—2008的技术要求。

3.2.1 雷电冲击干耐受电压试验

该穿墙套管逐次经受15次正极性全波2 400 kV雷电冲击和15次负极性全波-2 400 kV雷电冲击。部分试验波形见图7、图8，其中正极性全波峰值电压为2 450.71 kV，视在波前时间T1为1.30 μs，视在半峰值时间T2为47.46 μs；负极性全波峰值电压为-2 441.52 kV，视在波前时间T1为1.33 μs，视在半峰值时间T2为47.23 μs，均满足标准要求。在整个雷电冲击试验过程中，套管均未出现击穿和闪络现象，雷电冲击干耐受试验结果合格。

图7 2 400 kV正极性全波冲击波形

Fig.7 Wave shape of 2 400 kV positive lightning full-wave impulse

图8 2 400 kV负极性全波冲击波形

Fig.8 Wave shape of 2 400 kV negative lightning full-wave impulse

3.2.2 工频干耐受电压试验

套管水平放置在试验工装上，见图9。调节工频试验变压器，将试验电压逐渐升至1 200 kV，持续时间5 min后将电压归零。在整个工频干耐受试验过程中，套管均未出现击穿和闪络现象，工频干耐受电压试验结果合格。

图9 工频干耐受电压试验

Fig.9 Power frequency dry withstand voltage test

3.2.3 温升试验

套管水平放置在温升工装上，见图10。铝杆通过穿心升流变压器后并联在穿墙套管两端，调节穿心升流变压器输出的电流，并使用电流互感器进行校验，确保套管载流为2 000 A。同时，在穿墙套管不同部位布置了10个测温点，测温元件为热电偶，将温度信号转换成电动势信号，通过测温仪器转换成被测穿墙套管部位的温度，见图11。

图10 温升试验

Fig.10 Temperature rise test

图11 热电偶布置图

Fig.11 Thermocouple layout diagram

经过长达6 h的温升试验，在最后2 h内，套管各位置温升稳定在1 K以内。试验环境温度34.4 ℃，穿墙套管热点(接线板A)温度值为53.5 ℃，温升为19.1 K，符合国标GB/T 4109—2008的技术要求。

4 套管安装

1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管在国家电网公司(常州)电气设备检测中心的安装高度约为25 m，由于套管是整体结构，无法拆分安装，采用套管水平吊至安装高度，单侧穿过墙体的安装方式，图12为穿墙套管安装示意图。根据现场安装环境，在安装过程中主要存在以下难点：1)吊车吊钩不能位于穿墙套管重心位置(穿墙套管法兰处)的上方，需要调整穿墙套管重心位置并在吊装过程中保持穿墙套管的水平状态；2)为提高穿墙套管安装到墙体后的稳定性，需要确保安装后穿墙套管的水平度和垂直度，前提是穿墙板(用于墙体与穿墙套管之间的连接)需要在穿墙洞内合适位置进行焊接固定；3)穿墙套管在通过穿墙板中心孔的过程中不受到磕碰损伤，同时在有限的安装空间内，需要提高穿墙套管大、小法兰盘安装孔与大、小穿墙板安装孔的对齐精度[19-22]。

图12 穿墙套管安装示意图

Fig.12 Installation schematic of wall bushing

穿墙套管的吊点在大法兰盘外侧约1 m处，由于套管本身的重心位约在套管大、小法兰盘之间的中心位置，需要在穿墙套管大法兰盘侧调整配重块，将穿墙套管重心调整到距大法兰盘外侧1 m处；同时，在穿墙套管起吊的过程中，套管两端各系2根缆绳，由地面操作人员控制，确保穿墙套管处于水平状态。

为解决穿墙套管安装位置和安装孔对齐的难点，制作了一个全尺寸、等比例“套管法兰”(穿墙板工装)，安装孔相对位置一致，用来模拟穿墙套管的大、小法兰盘，使用穿墙板工装将大、小穿墙板固定后，吊至墙体相应位置，采用激光准直仪和水平仪微调大、小穿墙板的位置，待大、小穿墙板的水平度为0°、垂直度为90°，将穿墙板焊接在墙洞内。该方法不仅提高了大、小法兰盘与大、小穿墙板的对齐精度，并且在穿墙套管与穿墙板安装固定后，可保持穿墙套管的水平度与垂直度。该穿墙板工装实用性强，提高了特高压穿墙套管法兰与穿墙板的安装对孔准确度，缩短了特高压穿墙套管的安装周期。

采用上述穿墙套管安装方法，国内首支1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管在国家电网公司(常州)电气设备检测中心一次安装成功，见图13。穿墙套管安装到墙体后，开展了现场交接试验，经检测套管各项技术参数均合格，顺利投运。

图13 1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管

Fig.13 1 200 kV UHV AC resin Impregnated fiber wall bushing

5 结论

针对特高压交流胶浸纤维穿墙套管的结构设计、生产工艺和安装方法开展了相关研究，研制的1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管一次通过型式试验，并实现了工程应用，为我国特高压套管质量提升提供了新的技术路线和可国产化产品。

1)提出了一种特高压交流胶浸纤维穿墙套管结构，通过仿真计算分析，1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管整体场强分布均匀，整体结构设计合理。

2)优化了非真空环境下超长超大直径套管芯体缠绕和固化工艺，试制完成1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管。

3)提出了适用于特高压胶浸纤维穿墙套管的安装方法，完成1 200 kV特高压交流胶浸纤维穿墙套管安装投运。