前不久，“特高壓交流膠浸纖維穿墻套管關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”通過技術(shù)鑒定。鑒定委員會認為，國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司(以下簡稱“武漢南瑞”)自主研制的1200千伏交流膠浸纖維穿墻套管具有阻燃防爆、機械強度高、防潮、少維護等優(yōu)勢，在膠浸纖維套管技術(shù)上整體達到國際領(lǐng)先水平。
1200千伏特高壓交流膠浸纖維穿墻套管的成功研制為我國特高壓套管質(zhì)量提升提供了新的技術(shù)路線和可替代國產(chǎn)化產(chǎn)品。特高壓工程中，套管起到什么作用?我國特高壓套管國產(chǎn)化有怎樣的歷程?新型結(jié)構(gòu)的特高壓穿墻套管技術(shù)又是如何突破的?
什么是特高壓套管
特高壓工程作為電力輸送的“高速路”，能實現(xiàn)大功率遠距離輸電及各區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)，解決不同地區(qū)能源資源分布不均衡的問題。特高壓工程的換流站、實驗站等需要通過特高壓套管引入或引出電壓和電流，起到導(dǎo)電連接、絕緣隔離和機械連接的作用。作為載流導(dǎo)體的特高壓套管是保證系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵設(shè)備。
根據(jù)不同的應(yīng)用場合，特高壓套管可分為特高壓交流變壓器套管、特高壓換流變壓器閥側(cè)套管、特高壓全封閉式組合電器(GIS)出線套管和特高壓直流穿墻套管等。其中，特高壓交流變壓器套管從變壓器油箱引出并連接輸電線路，是變壓器繞組引入或引出線的載電通道;特高壓換流變壓器閥側(cè)套管穿過換流閥廳，與換流閥連接，是換流變壓器閥側(cè)繞組的引入或引出線載電通道;特高壓GIS出線套管是GIS設(shè)備引出線的載電通道，用來安全連接輸電線路;特高壓直流穿墻套管是換流站電能送出的必經(jīng)通道，連接換流閥廳外直流輸電線路與換流閥廳內(nèi)換流閥的設(shè)備，引入或引出特高壓直流電。
在特高壓工程應(yīng)用場合中，套管運行環(huán)境復(fù)雜，需要承受特高電壓、大電流、機械拉力、振動和大氣污染等方面的綜合工況。這對套管的電氣性能、機械性能、溫升控制、密封性能等提出較高要求。常規(guī)電壓等級套管的結(jié)構(gòu)方案、絕緣材料和生產(chǎn)工藝等不能直接應(yīng)用于特高壓套管。
特高壓套管國產(chǎn)化有哪些難點
國外廠家在特高壓套管的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝與生產(chǎn)技術(shù)方面較為成熟，對特高壓套管的研究與開發(fā)處于領(lǐng)先地位。
近20年，通過技術(shù)引進、消化吸收和再創(chuàng)新的發(fā)展歷程，國內(nèi)廠家能夠生產(chǎn)出超高壓、特高壓套管，形成了相對完整的套管產(chǎn)業(yè)鏈。2004年以來，我國相繼研制成功交流750千伏、交流1000千伏系統(tǒng)用油紙變壓器套管及直流±800千伏系統(tǒng)用膠浸紙換流變壓器閥側(cè)套管、直流±1100千伏系統(tǒng)用直流穿墻套管、交流1000千伏系統(tǒng)用純六氟化硫氣體絕緣穿墻套管、直流±1100千伏系統(tǒng)用膠浸紙換流變壓器閥側(cè)套管。這標志著我國已掌握特高壓套管部分關(guān)鍵技術(shù)，并具備了相應(yīng)的生產(chǎn)能力。
但是，國內(nèi)套管廠家在特高壓套管的材料、設(shè)計、工藝等方面仍存在部分原創(chuàng)性技術(shù)薄弱問題，產(chǎn)品穩(wěn)定性和一致性有待提高。
套管的材料選取需要考慮材料的絕緣、化學(xué)、力學(xué)非線性問題，以及不同材料間的界面效應(yīng)、空間電荷效應(yīng)等。套管的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要充分考慮材料特性、生產(chǎn)工藝和現(xiàn)場安裝等多種因素，同時需滿足電氣機械應(yīng)力、溫升和密封等要求。超長超大電容芯子、大型外護套和超長導(dǎo)電桿等部件則要確保加工質(zhì)量和整體裝配精度。這些材料和技術(shù)難點導(dǎo)致特高壓工程用套管關(guān)鍵技術(shù)成為我國特高壓工程的“卡脖子”技術(shù)。
新型特高壓套管技術(shù)如何實現(xiàn)突破
油紙?zhí)坠?、膠浸紙?zhí)坠芎图兞驓怏w套管是目前特高壓工程中應(yīng)用較多的套管類型。然而，這些類型的套管在關(guān)鍵材料和生產(chǎn)工藝上依賴進口，且存在滲油、漏氣、吸潮等絕緣風(fēng)險。膠浸纖維干式套管從原材料采購到生產(chǎn)工藝均為國產(chǎn)，且具有阻燃防爆、機械強度高、電氣性能穩(wěn)定、防潮、少維護等優(yōu)勢。
武漢南瑞于2016年成立了專業(yè)套管技術(shù)團隊，建立了膠浸纖維干式套管生產(chǎn)線，配備了完善的生產(chǎn)和試驗設(shè)備，并逐步掌握了膠浸纖維干式套管的材料特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)工藝技術(shù)。目前，該公司已研制生產(chǎn)出126～550千伏變壓器套管、40.5～252千伏穿墻套管、145～252千伏GIS出線套管、±200～±400千伏換流變壓器閥側(cè)套管等膠浸纖維干式套管。但是，要想實現(xiàn)這類套管產(chǎn)品在特高壓工程中的應(yīng)用，仍需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料配方和生產(chǎn)工藝技術(shù)上進一步突破。
通過大量試驗數(shù)據(jù)對比，技術(shù)團隊提出了適用于特高壓套管的新型多基團分子改性膠浸纖維復(fù)合材料配方。該配方復(fù)合材料的電氣、機械和物理性能更優(yōu)。結(jié)合新復(fù)合材料特性，技術(shù)團隊有針對性地設(shè)計了特高壓穿墻套管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，解決了傳統(tǒng)套管尺寸受限導(dǎo)致的軸向及徑向場強分布不均、溫升過高、密封性差和機械強度不夠等問題，提出了可行的1200千伏特高壓交流膠浸纖維干式穿墻套管結(jié)構(gòu)。
隨后，武漢南瑞優(yōu)化套管生產(chǎn)工藝，研發(fā)非真空環(huán)境下超長超大直徑套管芯體四軸纏繞和固化工藝，繞制完成套管芯體。裝配后的套管整機順利通過型式試驗，各項技術(shù)參數(shù)均滿足國標的要求。
今后，南瑞集團將繼續(xù)開展±800千伏換流變壓器閥側(cè)套管及直流穿墻套管、750千伏及以上電壓等級交流變壓器套管的研制，加速特高壓套管國產(chǎn)化進程。
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