本文敘述了新型熱縮材料的概念及種類、性能特點以及應用情況, 提出了變電站實施絕緣防護應注意的問題, 分析了今后應用前景, 指出選用高質量的熱縮管熱縮材料將能明顯提高變電站的絕緣防護水平。

近年來, 隨著工業的發展, 環境污染日益嚴重,變電站的絕緣防護特別是老舊變電站的絕緣防護日顯重要。變電站中污閃、凝露閃絡、覆冰跳閘、小動物短路、裸母排造成的人身傷亡事故時有發生。熱縮材料用于變電站的綜合絕緣防護可減少該類事故的發生, 提高供電系統的可靠性, 對電力系統的安全運行具有重要意義。

1、熱縮材料的概念及種類

熱縮材料又稱為高分子形狀記憶材料, 結晶的高分子材料經高能射線處理或化學引發劑處理后,高分子鏈間產生新聯結鍵, 形成交聯的網狀結構高分子, 該材料在一定溫度范圍內施加外力可以拉伸或擴張, 當迅速降溫時可維持形變后的狀態, 這樣就制成了熱收縮材料, 材料經擴張形變后, 只要將溫度達到熔點以上, 形變很快便消除, 并恢復到原來狀態, 這就是交聯高分子的“記憶效應”。

用熱縮材料進行絕緣防護, 就是用經輻射交聯后具有記憶效應的熱收縮絕緣材料制成的管材或帶材包裹在裸露的導電母線上, 再用加熱手段, 使之與導電母排緊密結合, 牢固附著在導體表面, 達到帶電體被絕緣包裹的目的。

用于變電站的熱縮材料主要有母排絕緣熱縮套管 (M PG)、復合絕緣包覆帶 (FJRD )、絕緣防護罩、電纜終端頭以及爬距增長器等。M PG 用于變電站匯流母線排的絕緣防護; FJRD 由熱縮層和低熔點高聚物的粘接層組成, 在加熱時, 外層收縮、內層熔融,使被防護帶電體實現密封、絕緣一體化, 用于老變電站相間距不足、污閃及覆冰嚴重又不易實施絕緣處理的地方; 絕緣防護盒用于連接處的絕緣防護, 以及柜上隔離開關、油斷路器等特殊點防護; 電纜終端頭性能優越, 安裝簡便快捷, 不需要專用設備和技術,成為電力電纜附件的最新發展方向; 爬距增長器用于解決污穢閃絡問題, 一般說來, 只要在原支柱絕緣子或瓷瓶上熱縮相應尺寸的傘裙即可。

2　技術性能分析
 

2. 1　熱縮材料的技術參數

變電站用熱縮材料的擊穿強度、工頻耐壓、雷電沖擊和動熱穩定參數見表1。

注: 數據取自西安高壓電器研究所測試報告(93) 2200, (94) 2188
 

為進一步驗證熱縮絕緣材料的絕緣性能, 進行了2種試驗: ①對采用熱縮絕緣防護的湖東變電站一段長600mm 的母排進行了護套管的絕緣水平測試;②進行了距離為125mm 的相間絕緣水平測試, 試驗數據見表2。

2. 2　母排溫升試驗
 

某高壓電器研究所對采用了熱縮材料的開關柜進行溫升試驗表明: 在用MPG 和 FJRD 包裹匯流母排后, 在測溫點相同的條件下, 基本不影響溫升。因此, 熱縮材料對變電站母排的絕緣防護不會降低母排的載流量。

為驗證這一點, 對變電站一段母排熱縮絕緣包扎前后進行了測溫 (用3M 紅外線測溫儀) , 選ABC 三相相同部位各3點測量, 結果見表3。

從表中可看出, 包扎熱縮材料后溫升反而降低,運行人員跟蹤測溫, 也未發現異常溫升, 分析認為熱縮材料比空氣導熱系數大, 有利于散熱; 另外覆蓋熱縮材料后, 散熱面積增加, 也有利于散熱。

2. 3　熱縮材料的阻燃性能

電力設備絕緣材料均要求阻燃, 熱縮材料以橡塑共混高聚物為主體, 添加性能優異的阻燃劑, 其氧指數為32, 具有很好的離火自熄性, 可滿足電力系統的阻燃要求。現場試驗表明, 試品960 ℃著火試驗不燃燒。

2. 4　熱縮材料的耐老化性能

根據熱縮原理, 熱收縮從微觀本質上講來源于內部網絡的交聯結構, 正是由于這種原因, 熱縮材料的抗老化性能優于其它絕緣材料。上海電纜研究所對熱縮材料所做的加速老化實驗表明, 該材料熱老化壽命可達20 a, 某公司在電力系統使用的熱縮終端頭已安全運行13a, 在人造衛星上應用的熱縮材料至今已正常運行21a。

2. 5　熱縮材料的耐溫性能

由于熱縮材料具有特殊的微觀本質, 該材料經158 ℃±2 ℃ 168 h 熱老化試驗, 性能無大變化 (對變電站專用系列熱縮材料而言)。一般說來, 變電站母排的極限工作溫度為70 ℃。因此, 可以滿足變電站運行對其耐溫特性的要求。

3　應用情況

上面闡述了熱縮材料的電氣及物理化學特性,這種新型材料應用于變電站絕緣防護可以解決許多實際問題。

(1) 有效預防小動物短路故障

長期以來, 變電站中小動物短路故障和異物搭接引發的電氣事故一直困擾著供電系統的技術人員。若高壓開關室門窗關閉不嚴, 或電纜溝孔洞沒封堵好, 就很容易使老鼠或小動物進入高壓開關室串到帶電的設備上。10 kV 開關柜尺寸小, 常因小動物或單相接地造成電弧在熱和電磁力的作用下電弧拉長而波及鄰相, 造成相間短路故障。

為了防止小動物短路, 變電站運行人員采取了一些如施放鼠藥、鼠籠、開關室加裝網門、電纜孔洞用有機或無機堵料封堵、裸露母排上涂絕緣漆等措施, 但效果均不夠理想。仍有不為人知的小動物進入配電室通道, 這就極有可能因小動物接近或直接接觸柜內裸露帶電體而造成相對地或相間短路。而絕緣漆時間長久后常發生裂紋, 性能降低。

對變電站的開關柜及匯流母排實施熱縮絕緣防護后, 使帶電導體具有了良好的絕緣性能, 即使有小動物進入變電站, 也不會造成跳閘或燃燒。使用熱縮材料絕緣后, 10 kV 開關柜母排電氣距離可由125mm 降到6mm , 使開關柜尺寸大大縮小, 降低了開關柜成本, 減小了占地面積和土建投資。

(2) 防止污閃、凝露閃絡、覆冰等跳閘事故

由于大氣污染的日益嚴重, 愈來愈多的變電站污穢等級提高、老變電站故障增加。對主母線及柜內分支母線實施絕緣防護和給支柱絕緣子增加爬距增長器是老變電站改造的有效措施。由于水電站相對濕度較大, 變電系統存在著因凝露閃絡而跳閘的可能性。同樣用這種方法, 對220 kV 北郊變電站、東郊變、110 kV 鰲峰洲變等進行了改造, 收到了良好效果。

(3) 有效防止人身傷亡事故

在老式變電站中, 由于開關柜母排和匯流排均無絕緣防護, 曾發生過檢修人員被帶電體傷害事故。用熱縮材料對變電站主母線、分支母線及接頭部分實施絕緣防護可防止這種危險。

(4) 防止鹽霧及有害化學氣體對母線的腐蝕沿海地帶的鹽霧及重工業區的工業廢氣對匯流母線有腐蝕作用。除了降低母排載流量還極易產生污穢導電通道, 從而導致污閃。熱縮材料具有極好的耐酸堿性, 可有效地解決這一問題。

(5) 用爬距增長器增加支柱絕緣子爬距變電站戶外電氣裝置上的絕緣子及戶內匯流母排支柱絕緣子常常因污穢嚴重致使爬距不足而引起污閃。對此只需將熱縮型爬距增長器加于某一瓷裙即可解決問題。東北電力科學研究院對采用了熱縮爬距增長器的110 kV 絕緣子的測試結果見表4。

4　應用中的注意事項

(1) 根據不同的變電設施選用不同的熱縮材料。

對裸露母排, 可選用母排絕緣套管 (M PG) , 也可用復合絕緣熱縮帶(FJRD ) 纏繞。前者必須拆卸母排, 施工難度較大, 所需時間長, 但處理后美觀、光澤度高; 后者不必拆母排, 施工較容易, 時間短。用戶可根據實際情況選用。如新建變電站未投運、時間寬?？刹捎肕 PG 方式, 老站改造停電時間有限可考慮采用 FJRD 方式。

母排接頭處或與套管連接處(如穿墻套管、主變低壓側套管) 可采用絕緣接頭防護盒。由于接頭聯結處常常需要卸裝, 采用絕緣防護盒可靈活打開、合上, 便于檢修, 不要用絕緣套管或熱縮帶固定死。用戶須事先與廠商聯系, 根據現場狀況預制各種形狀的絕緣防護接頭盒( I 型、J 型、T 型等)。

對外型特殊、不經常拆卸的帶電體應采用熱縮帶(FJRD ) 實施絕緣處理。

(2) 關于加熱處理

絕緣套管或熱縮帶只有通過加熱處理才能收縮于帶電體表面, 因此, 加熱處理工藝不僅關系到材料的壽命, 而且關系到安全性。加熱處理應注意以下幾點: ①外觀　加熱后應光滑均勻, 收縮后壁厚不超過3mm 以下。②熱收縮性　無論采用套管還是熱縮帶, 均應保證收縮到位, 中間不殘留氣隙, 否則會導致發熱影響壽命, 尤其是彎角處應仔細處理才能保證到位。③聯結處理　熱縮套管(長1m ) 或熱縮帶連接處的處理至關重要, 聯結處加熱時間必須足夠長才能保證其熱收縮性和平穩過渡, 從而保證前后兩段和聯結處的電氣性能一致。

(3) 留余母排帶電體驗電位置

對母線以及開關前后母排必須留出驗電接地位置, 以便檢修時驗電接地用。必須根據現場實際選擇ABC 三相的驗電位置。A、B、C 三相位置應呈三角形, 不應呈一字形, 以增加三相裸露帶電體的距離防止小動物短路; 另外, 應盡可能遠離支持絕緣子, 以防帶電體對瓷瓶閃絡, 見圖1。

(4) 關于爬距增長器

對支持瓷瓶加裝防污增爬裙時, 必須首先對瓷瓶進行嚴格細致的清潔處理, 然后加裝爬距增長器,如圖2所示, 在A 處用502膠粘上, 聯結處的處理將直接影響使用效果。理想情況應是聯結處平整光滑,沒有凹凸不平。如果聯接處不平滑, 長時間的風吹雨淋必將在其周圍殘留灰塵, 這樣不僅沒有增加爬距,反而增加了污閃隱患, 因此, 施工中必須嚴格把關。

(5) 其他注意事項

對于實施熱縮絕緣防護的變電設施, 除驗電處外, 其他帶電體裸露部分應全部用熱縮套管或熱縮帶進行防護, 不能留死角。如主變低壓套管處以前未進行絕緣防護, 最近采用異型防護盒進行絕緣防護,有效地防止了小動物引起主變近距離短路。另外, 對拆卸母排進行絕緣防護的, 恢復原接線方式后必須保證聯結處固定牢固, 以防因螺栓不緊而造成聯結處發熱。

5　應用前景

對1臺10 kV 的開關柜實施熱縮絕緣防護投資約8000元 (包括柜內及柜頂) , 1個110 kV 變電站以30臺柜計, 投資約24萬元。而小動物短路或污閃事故造成的損失, 遠大于此類投資。

熱縮材料在變電站的應用領域還可進一步拓展。

(1) 在手車開關柜中的應用。

近年來, 常常發現手車開關發生爆炸, 分析原因發現手車開關絕緣檔板開孔直徑為200mm , 而手車直臂尺寸為80mm ×8mm , 頻繁操作后位置經常發生變化, 造成帶電體對絕緣檔板放電, 進一步發展到閃絡事故。因此, 如果將熱縮材料應用于無人值守變電站的手車開關, 對其直臂進行熱縮絕緣防護, 則會收到良好效果。

(2) 對帶電導線局部實施絕緣防護。

熱縮材料應用于局部架空裸導線, 如10kV 配網架空線, 則可防止異物搭接。對于變電站的進線,如110 kV 進線, 為防止異物搭接及導線對樹木放電等, 可用熱縮材料進行局部絕緣防護, 不過對材料的耐壓水平要求較高。

6　結語

熱縮材料應用于變電站的絕緣防護, 從根本上解決了小動物短路、鹽霧腐蝕、污閃、拉弧放電等問題, 對老變電站的改造是一種切實有效的措施。

經試驗驗證, 該材料具有良好的絕緣性能以及導熱性、阻燃性、抗老化性和耐溫性能, 可用于變電站開關室開關柜及匯流排等裸露導體的絕緣防護也可用于絕緣子增加爬電距離和防止污閃等。只要在使用中注意選用質量合格的產品, 并在安裝中嚴格按照施工工藝要求進行施工, 則熱縮材料一定能起到良好的絕緣防護作用。


 

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