绝缘管型母线的行业现状分析及关键技术展望.doc

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1、绝缘管型母线的行业现状分析及关键技术展望发布机构：中国电力杂志摘要：绝缘管型母线作为一种新型的低压侧电流输送设备，以其独特优势使其近年来的使用量迅猛增长，但该类设备应用中频繁发生的故障及其造成的不良后果严重制约了进一步推广。通过对绝缘管型母线生产厂家、应用方及相关文献的广泛调研，总结了该类设备行业现状、设备技术特点，分析了应用中出现的典型故障，归纳了该类设备生产、应用环节存在的共性问题，并据此展望解决上述问题所需开展研究的关键技术。绝缘管型母线的特性适用于各用电行业对低压侧电流输送大容量、高安全性和灵活性的需求;中国的该类设备的生产、应用和研究尚属起步阶段，运行中的常见故障暴露出行业对绝缘管型

2、母线的设计、生产、安装、运行和全过程检测等方面均存在不足，必须从技术水平和管理制度上寻求优化产品和提高产品运行可靠性的方法。关键词：绝缘管型母线 低压辅助设备大容量载流行业现状 故障分析 关键技术引言随着国民经济快速的增长，企业、居民用电量呈直线上升。各电压等级电力系统，大型光伏、风电、核能发电工程、大型楼宇供电以及石油、冶金等工业应用中的电能传输容量不断增大1。此外，由于小动物或其他异物接触、恶劣环境影响等造成的变压器低压侧短路故障频发2，引发人们对低压侧汇流载流设备安全性的关注。另外，发电厂电机出线、城市地下变电站及楼宇供电系统空间紧凑，对输电线路制约严重3。在这些背景条件下，在发电机出口

3、侧、变电站内35 kV及以下侧以及楼宇供电系统使用的常规矩形母线、共箱封闭母线及电力电缆已无法适应对低压(6 kV35 kV)载流装置大容量、绝缘化和紧凑化的需求。在此现状下，一种新型载流设备绝缘管型母线(insulated tubular busbar)，得到了日益广泛的应用和发展4。绝缘管型母线是导体为铜或铝质金属圆管外包绝缘的载流导线，绝缘外包有接地金属屏蔽层。目前常见电压等级为635 kV。相比传统的载流设备，具有载流量大5、安全、敷设方便、节省空间等突出优势。据不完全统计，仅2014年全年，在国内各类变电站专项应用的绝缘管型母线年产值已超10亿元。然而，近年来，全国各行业使用的绝缘管

4、型母线故障案例，见诸报道的就已遍及湖北、广东、新疆等近十个省份的数十座变电站，其中有些甚至是在投运后的一年质保期内连续发生多次故障6-7。绝缘管型母线故障往往不仅会直接引发大面积停电，而且更会造成与其连接的变压器、开关柜等主设备严重受损8，对供电安全稳定性及可靠性造成的影响恶劣。此外，该类设备难有通用备品备件，恢复供电周期长。据了解，国内多次发生钢厂、变电站、工矿等用户因绝缘管型母线故障导致失电停运，有的甚至长达两个月之久，造成严重的经济损失和极为不良的社会影响。为使该类设备更好地发挥其技术优势，必须从理论、技术、管理等方面提升该类设备质量及运行可靠性。本文介绍该种设备的行业发展现状和技术特征

5、，归纳其技术优势和存在的问题，分析故障多发原因，总结共性问题，展望优化绝缘管型母线性能、提升其运行可靠性应进行的关键技术研究思路，供绝缘管型母线生产者、用户及相关研究者参考。1 行业发展绝缘管型母线(设备外观见图1)在中国的发展相对于国际上起步较晚，在产品设计、生产及安装工艺、质量检测、运行维护等全环节均与国际水平存在一定差距。1.1 国际发展情况国际上，绝缘管型母线的应用起步较早，已经发展超过30年，形成成熟的绝缘管型母线产品，主要以德国Preissinger有限公司的绝缘母线(ISOBUS)产品、瑞士雷兹互感器有限公司的SIS绝缘母线系统及德国MGC公司的环氧树脂浸渍纸绝缘(resin i

6、mpregnated paper，RIP)管型母线产品等为代表。其中，德国MGC公司率先将干式套管内绝缘使用的环氧树脂浸渍纸绝缘及电容屏均匀场强技术引入母线，制成绝缘管型母线。另两家代表性公司及其他生产商的产品与之相比，都采用了相同的绝缘材料和固化工艺，只是在部分细节结构和加工工艺上有所差别。这些绝缘管型母线目前已广泛运用于英国、德国、西班牙、美国、加拿大等欧美主流国家的相关电力应用行业。产品在长期挂网运行中表现稳定、可靠，很好地发挥了其安全绝缘、载流能力强、排布紧凑节省空间且耐候性强等突出优势。这些产品的材料选取及应用、结构设计技术、制造工艺方案等都已基本成熟。1.2 国内发展状况绝缘管型母

7、线在中国的应用起步较晚，自2004年至今，仅有十余年时间。但设备需求量稳步增长，应用领域向电网、发电、石油、化工等行业全面扩展。尤其是中国人口密度大，用电区域集中，一直存在大容量输送需求，使得35 kV及以下电压等级下，电流输送能力极强的绝缘管型母线有了极大的发展空间。在此机遇下，中国的该类产品呈现出创新性的多种型式和多种种类共同发展的态势。按照行业公认的绝缘工艺类型和材料进行分类，目前主要有环氧树脂浸渍纸绝缘浇注式、聚酯薄膜或聚四氟乙烯绝缘带绕包式和聚乙烯、三元乙丙橡胶(EPDM)或硅橡胶绝缘挤包式等3种绝缘型式下至少6种类别的产品，如表1所示。三大种类产品各自结构和生产流程差异明显，各成一

8、派。其中，浇注式产品在中国出现最早，采用的生产技术由欧洲厂家引进;后来，借鉴干式互感器、套管或中压单芯绝缘电缆和共箱母线的绝缘结构和生产技术，衍生出绕包式和挤包式2种类型的产品。在以上大类别下，不同厂家在导体连接方式，中间连接处和端部的绝缘设计方面均有不同的型式结构。2 设备关键技术特点及难点绝缘管型母线虽然统一采用管状铜质或铝质导体，但绝缘型式各异。目前中国常见的绝缘管型母线分为浇注式、绕包式和挤包式。3种类型的管型母线具有各自显著的绝缘结构特征，且在绝缘性能、工艺难度等方面各有优势和难点。2.1 浇注式绝缘管型母线2.1.1 结构特征浇注式绝缘管型母线本体绝缘主要采用绝缘、半导电(粘性)电

9、工皱纹纸带缠绕，经环氧树脂真空浸渍，加温固化，形成一体化固体绝缘。在端部可以很方便地将半导电带分层按一定尺寸缠绕主绝缘，形成类似套管中的电容屏结构，达到控制场强分布，减少场强集中的效果。浇注式绝缘管型母线接头一般采用在导体连接外部外罩绝缘套筒的形式。套筒同样是具有电容屏结构的绝缘筒装结构，内屏与导体连接等电位，外屏为接地导体。两端与本体密封连接，如图2所示。2.1.2 技术优势和难点浇注式绝缘管型母线具有以下优势：(1)环氧浸渍纸绝缘是一种绝缘纸与环氧树脂的复合绝缘，导体、半导体层和绝缘纸经加温固化后，形成致密、紧实的一体化结构，既具有绝缘纸和环氧的良好绝缘和介电性能，又具有良好机械特性。已证

10、实该种结构形式能有效保证至少在35 kV及以下电压等级产品不发生内部局部放电。(2)端部和套筒的电容屏结构能够有效控制场强，且实现简单，均压结构存在于绝缘内部，均在工厂预制，可靠性较高。(3)绝缘套筒保障了设备在连接处依然保持全绝缘性能，提高了安全性。同时，其绝缘结构和工艺也使得浇注式绝缘管型母线设备存在以下技术难点：(1)环氧材料本身较脆，特别是屏蔽筒，在运输、安装中对防止跌落、撞击的要求较高，同时需要考虑运行中的振动问题，以避免绝缘产生局部缺陷。(2)电容屏结构必须合理设计，并在生产、安装中确保尺寸，否则可能导致局部场强集中，危害绝缘。(3)生产浇注式绝缘管型母线需要大型真空浇注和加温固化

11、设备，设备尺寸限制了单根母线长度(目前常规产品单根长度8 m左右)，又因为其生产工艺复杂，该结构绝缘管型母线生产难度更大，成本更高。2.2 绕包式绝缘管型母线2.2.1 绝缘形式及相关结构利用聚四氟乙烯带或聚酯薄膜材料缠绕，层间涂抹硅油形成主绝缘层。其端部均压结构也可与浇注式一样，应在绝缘中缠入多层半导电(导电)材料，形成电容屏，均匀场强。绕包式绝缘管形母线中间接头处存在多种技术方案。其一，在接头处将导体焊接成与本体等外径的连接结构，然后按照本体的导体屏蔽层、绝缘层、电容屏层、绝缘屏蔽层和接地层逐层以缠绕方式恢复，并与所连接的两段管型母线的端部结构接续成一个整体的无缝式型式，如图3所示。类似结

12、构在电力电缆中也有，但一般认为现场绕制的绝缘由于绝缘界面、工艺等的影响，其许用场强可考虑设计为本体的一半9-10，因此这种等径接续的方式只适用于绝缘裕度较大的低电压等级绝缘管型母线。其二，对高电压等级的绝缘管型母线，可将中间接头的绝缘做成与浇注式原理相同的屏蔽筒型式，以达到与浇注式相同效果。此外，也有在导体连接处直接绕制增强绝缘的方法，但这样表面并非零电位，因此并不推荐。2.2.2 技术优势和难点绕包式绝缘管型母线具有以下优势：(1)绕包式绝缘管型母线生产工艺简单，流程环节少，产能充足。(2)现场故障恢复简单，在故障点破开绝缘，逐层缠绕恢复绝缘结构即可。同时，绕包式绝缘管型母线设备存在以下技术

13、难点：(1)聚四氟乙烯或聚酯薄膜本身性能优异，但其绝缘性能决定于绕包过程中是否形成致密、紧实的多层结构，而且现场安装接头时，更难控制质量。只有通过严密的工艺手段才能保障其性能。包绕不够紧实的产品，绝缘层间容易引入气泡、潮气，另外，压紧力下降后，绝缘性能将严重下降，且更容易受潮气入侵，引发沿绝缘层间表面的放电。这种情况下，其绝缘强度主要取决于绝缘结构的特性而远低于材料本征击穿强度。(2)绕包式设备生产起步要求低，大量厂家集中于生产该类型产品，导致该类设备质量差异极大。仅有少量厂家采用机械缠绕的方式，并严格控制工艺过程，保障绝缘性能。2.3 挤包式绝缘管型母线2.3.1 绝缘形式和相关结构与电力电

14、缆绝缘几乎完全相同，利用橡塑材料(聚乙烯，硅橡胶、三元乙丙橡胶)原料呈粘稠的半流体状性质，通过挤包机在导体表面挤出内半导电层、绝缘层和外半导电层。为保证半导电层与导电层结合紧密，生产中宜采用三层共挤工艺。挤包式绝缘管型母线与其他绝缘型式设备最大不同在于挤包式中间接头与终端中无法插入电容屏形成均压结构，而是通过预制件在地屏端部向外延伸形成喇叭口的应力锥结构，达到均匀场强的效果，如图4所示。这一技术在电力电缆中发展已有较长时间，可以直接借用。2.3.2 技术优势和难点挤包式绝缘管型母线的优势与电缆结构相似，绝缘一体性较好、紧实，技术比较成熟，有电力电缆尤其是高电压等级电力电缆生产经验的厂家能够顺利

15、转向生产挤包式绝缘管型母线。绝缘管型母线的结构特征也使得其设计生产存在如下难点。(1)绝缘管型母线为增大载流量，须扩大管径，此时，挤包时必须避免重力造成的绝缘偏心，这在绝缘尺寸整体半径增大的条件下工艺难度更大，必须更为准确地控制整个挤包圆周上的温度和挤包速度均匀性。(2)挤包型绝缘管型母线的弯管段成型是其生产中的难点。先弯金属管后挤包，由于现今的技术水平和设备限制，尚未有厂家实现。先挤包后弯管会使已成型的绝缘受拉伸和挤压，一是弯曲半径受很大限制，相当于在绝缘上施加应力，拉伸会减薄绝缘而挤压可能导致气隙产生;二是预应力会降低材料的机械和性能。后者应在弯曲过程中注意应力的释放。3 典型性故障原因分

16、析本文搜集分析了绝缘管型母线近年来运行中出现的典型故障，对具有共性的故障原因进行分析和分类。3.1 型式设计/生产工艺引入缺陷绝缘管型母线采用固体绝缘，型式设计和生产难度较普通母线类设备大。其绝缘结构设计应充分考虑场强的均匀、绝缘材料间界面强度以及使用中绝缘的防潮等问题;依据绝缘结构设计要求选用长期性能稳定的绝缘材料;生产中应控制绝缘成型工艺，避免引入毛刺、尖端、悬浮导体或气泡等缺陷。目前该类设备在中国发展尚在起步阶段，一些生产厂家对影响该类设备质量和性能的关键点缺乏充分认识，没有足够的设计能力和相应制造水平，导致设备质量存在问题。山东某变电站服役不到2年的10 kV硅橡胶挤包绝缘管型母线，在正常运行中的本体弯管处绝缘层击穿，导致严重烧毁，如图5所示。分析设备绝缘型式，为硅橡胶挤包型绝缘