高抗震特高压交流1000 kV避雷器瓷套和电容式电压互感器瓷套的研制

杨雪峰

0 前 言

基于国家对大气污染防治和能源结构调整的需求，国家能源局分别与国家电网公司、南方电网公司签署了《大气污染防治外输电通道建设任务书》，要求在2017年前完成投产12条安全、高效、经济、环保的特高压、超高压的电力输送通道，扩大向重点区域送电规模的目标。2017年之后，继续优化完善特高压输电网络，并持续建设予以改进。按照国家电网公司的划分，交流750 kV及以上、直流 ±800 kV及以上为特高压。国家能源局在总结1000 kV晋东南—南阳—荆门特高压交流示范工程建设和运行的基础上，从2012年开始，批准由国网公司和南网公司开始组织建设交流1000 kV皖电东送、交流1000 kV浙北—福州、交流1000 kV榆横—维坊、直流±800 千伏特上海庙—山东等10余条特高压工程。

高压开关设备、电力变压器、避雷器、互感器等是输变电网络中的主要设备，这些电器设备无一例外都要使用空心绝缘子(俗称瓷套)，起电气绝缘(外绝缘)和机械支持作用，并作为电器组件的绝缘容器。因此，急需研制和生产特高压电器设备用瓷套。

1 特高压瓷套的设计和使用背景

2012年3月，国家电网公司在组织特高压交流1000 kV皖电东送输变电工程建设时，要求实现三个方面的优化：一是减小占地，由原来的56.75 m缩减至20.5 m；二是减少回路设备，由原来的9元件减少至4元件，因而要求避雷器和电容式电压互感器(以下简称CVT)兼具原设计中的棒形支柱绝缘子的功用，参见图1；三是要求提高变电站抗震等级，由原来的抗震设防部分不满足8度要求提高到全部满足，地震加速度峰值要分别达到0.2 g-0.5 g。

以上技术要求对高抗回路中的避雷器瓷套和CVT瓷套的机械强度和可靠性提出了前所未有的高要求。

国网公司为保证工程顺利实现预期目标，国产与进口相结合，进口日本NGK公司生产的交流1000 kV避雷器瓷套，要求避雷器通过无减震装置下0.3 g加速度、有减震装置下0.5 g加速度的地震试验。

与此同时，国家电网公司于2012年中期召集包括醴陵华鑫电瓷科技股份有限公司在内的国内三家电器瓷套主要生产厂家研讨国产瓷套的研制，决定由国内电瓷企业研制生产交流1000 kV CVT瓷套和避雷器瓷套，要求避雷器和CVT的抗震要求为无减震装置下0.2 g加速度、有减震装置下0.4 g加速度，具体由各特高压设备与瓷套生产商各自联合设计，因而各自的设计图样不尽相同，只要满足国网公司提出的设备性能参数要求即可，主要参数如表1。

当时醴陵华鑫电瓷科技股份有限公司设计的交流1000 kV 避雷器瓷套和CVT瓷套的设计简图参见图2。

2015年1月，根据特高压工程全面建设的需要，一些电站的抗震设计设防要求提高至0.5 g水平加速度。此前，世界上只有日本NGK公司的产品有0.5g水平加速度地震台试验的成功经验。为此，国家电网公司再次组织包括醴陵华鑫电瓷科技股份有限公司在内的国内三家电器瓷套主要生产厂商，汇同设备制造商统一设计了交流1000 kV避雷器标准化瓷套，如图3所示，其主要技术要求为：避雷器无减震装置下通过0.3 g加速度、有减震装置下通过0.5 g加速度的地震台试验；整体弯曲破坏强度70 kN以上；爬电距离满足c级和d级污区要求。

图1 特高压交流1000 kV电站优化设计示意图Fig.1 Optimal design for ultrahigh voltage AC 1000 kV power transmission and transformation station

表1 交流1000 KV瓷套主要技术要求Tab.1 Main technical requirements for AC 1000 KV porcelain insulator

2 主要研制内容

2.1 特高压瓷套的主要技术要求

应用湿法成型工艺制造如此高机械强度的特高压瓷套在我公司系首次，在国际上也只有日本NGK公司有少量制造，产品的技术要求在国内外居领先水平，我们没有任何可类比的成功经验供借鉴。1000 kV瓷套的主要技术要求见表2。

2.2 特高压瓷套研制生产的关键技术

(1)特高压瓷套用坯、釉、无机粘接釉的配方。该类瓷套的尺寸大，元件挤制毛坯的重量最高达4750 kg，单元件瓷件重量接近1500 kg，瓷件的抗冷热急变性能变差，同时其机械强度及抗机械冲击强度的要求很高，现有坯、釉、无机粘接釉的配方均难以满足要求。需要新开发特高压瓷套专用坯、釉、无机粘接釉的配方。

图2 交流1000 kV避雷器瓷套和CVT瓷套示意图Fig.2 Porcelain insulators for AC 1000 kV surge arrester and CVT

(2)分节成型、无机粘接、二次焙烧技术单元件瓷件最大外径达870 mm、最大高度超过2500 mm，必须采用分节成型，二次粘接工艺。鉴于最终用户对有机粘接技术抗长期老化性能的疑虑，通过二次焙烧实现无机粘接是必然选择，除了和坯体相适应的粘接釉技术外，其中的接口研磨、尺寸精细控制等是成功的关键。

(3)特高压瓷套体积超大，焙烧困难，需要用大型大断面车底窑进行装烧，同时要求窑炉内温差控制在5 ℃之内。

(4)需要专门研制适用特高压瓷套的研磨、胶装、运输、吊装和整柱叠装瓷套试验检验的生产工艺的制备。

3 研制中解决的主要技术问题

图3 交流1000 kV 避雷器标准化瓷套设计示意图Fig.3 Standard designs of porcelain insulators for AC 1000 kV surge arrestor

表2 1000 kV瓷套的主要技术要求Tab.2 Main technical requirements for 1000 kV porcelain insulator

(1)新研制的特高压瓷套坯料配方中Al2O3约占53%，10 μm以下颗粒约占75%，并通过控制使其颗粒级配合理。为确保产品的内在质量和可靠性，坯料配方中引入了从英国进口的KC黏土。同时，所用的各种天然原料及化工原料均是按企业标准的上限控制，原料均经过提纯预处理。

(2)严格控制榨泥用混合泥浆水份不超过62%，泥饼水份差异控制在1%以内。粗练泥陈腐3天以上方能用于真空挤制，水分值为18-19%。

(3)真空挤制采用国产Φ1000 mm卧式大型真空练泥机。为保证挤出毛坯的挤制密度和水分要求，对粗练泥的水分、泥料和真空室的温度、投入泥料的速度和毛坯挤出速度、练泥机的真空度等工艺参数都进行了摸索确定并严格控制。另外，研究确定了相应的挤出套筒结构和尺寸。

(4)对不同尺寸规格的挤制毛坯设置了不同的电阴干曲线，包括电流密度和阴干时间。电阴干最终的水分值就是修坯成型的工作水分值，该水分值是根据成型所需要的可塑性要求及成型中坯件产生刀痕开裂和运输震颤所引起变形或开裂的程度而确定的，因毛坯尺寸规格不同而异。不同尺寸规格毛坯经过120-200 h电阴干后，其径向尺寸大约缩小4%，水分由挤制时的18-19%下降到17%左右。

(5)修坯成型采用大型内外仿型修坯机，湿坯成型后的修坯件底部截面承重压强约为28 KPa -65 KPa。坯件需承受如此大的底部压强而不产生开裂或变形，取决于对坯料配方、真空挤制、修坯时工作水分和操作力度的有效控制。

(6)坯件干燥采用全自动控制的循环封闭式热空气烘房。特高压瓷套普遍具有瓷壁厚(壁厚50 mm-80 mm)、伞伸出大(大伞伸出75 mm-80 mm)等特点，该结构处于湿法修坯件干燥难度的极限。所以，对特高压瓷套的烘房干燥曲线进行了系统的摸索研究与实践。在干燥初期，保持低温高湿，用干、湿球两个温度计来显示烘房内的温度和湿度，用调节湿气管路的进气量来控制烘房内的湿度，以抑制坯件水分的蒸发速度，使其内外、上下干燥排水速度尽可能一致。经较长时间的保温后，再逐渐升温并降低湿度，加快坯体的干燥速度，转入高温等速干燥。烘干过程大约为360 h，坯件出烘房时的含水率在1.5%以下。

(7)一次焙烧窑炉为全自动大型天然气车底窑，内高4.4 m，容积180 m3，窑内温差控制在5 ℃以内。焙烧曲线为特高压瓷套专用，坯件放置在适当的中低火位，并配备了专门的底部钵套。

(8)无机粘接、二次焙烧：

①接口研磨：为进行无机粘接，按照设计图样的要求，采用专门的接口研磨工具，分别在上下节瓷件上研磨出 “V”型接口，上节为凸棱状，下节为凹槽状，如图4所示。

图4 无机粘接接口图Fig.4 The joining interface by inorganic glaze

②粘接焙烧：粘接采用专门研制的无机粘接釉，粘接面之间不允许存在空隙，将上下节叠在一起的瓷件再入窑进行二次焙烧。

分节成型、无机粘接、二次焙烧技术是大尺寸特高压瓷套研制中最为关键的核心技术之一。其技术特点有：

(a)通过高温焙烧，熔融状态的无机粘接釉与上下节瓷件接口表面的瓷质间形成了离子键结构，将上下两节瓷件粘接成一整体。粘接后，整体瓷件的电气性能和机械强度均满足技术要求。二次焙烧技术较整体成型技术的一个显著优势是在制造过程中泥坯尺寸适宜(可按生产工艺水平而定)，生产操作方便，全过程合格率比较高。但是，它也有着生产周期长、质量问题潜伏期长、瓷件接口研磨和粘接精度要求高、精准控制难度大、燃料消耗较多等劣势。

(b)无机粘接釉的熔融温度要比一次焙烧的温度低，膨胀系数应与瓷相近，即粘接釉的膨胀系数要比表面瓷釉稍大。同时，在烧成熔融态时，釉料应具有既能使釉中气体充分排出，又不能使釉任意流淌的特性。无机粘接釉及其与瓷坯的配合对无机粘接瓷件的整体质量至关重要。

(c)上下两节瓷件接口研磨时，要使用专门的接口研磨工具，以及专门的检查器具。瓷件接口部位的研磨精度是保证精准粘接的基础。

图5 特高压交流1000 kV避雷器瓷套弯曲破坏试验现场Fig.5 The bending test site for AC 1000 kV UHV porcelain insulator of surge arrestor

(d)在一次焙烧过程中，应将上下节坯件放在同一窑次的窑炉中进行培烧，以尽可能减小瓷质分散性。瓷件粘接时，也尽可能地将同窑次的上下节瓷件一起组合。这样，既可减少因窑次不同而产生的瓷件强度差异、膨胀系数差异所带来的粘接质量分散性，又能减小上下节瓷件的釉色色差。

4 产品试验情况

(1) 按GB/T23752、国家电网公司的相关要求和产品图样要求进行例行试验和型式试验。

(2)无减震装置下通过0.2 g加速度，有减震装置下通过0.4 g加速度的地震台试验的特高压交流1000 KV CVT瓷套和避雷器整柱瓷套的弯曲试验在中国电力科学研究院特高压试验基地进行，避雷器和CVT地震台试验在重庆交通科学研究院进行。其试验安装分别见图5和图6。

(3)无减震装置下通过0.3 g加速度、有减震装置下通过0.5 g加速度的地震台试验的特高压交流1000 kV标准化避雷器瓷套(c级污秽，由4节元件瓷套叠装)的弯曲试验在中国运载火箭科学技术研究院进行，地震台试验在重庆交通科学研究院进行。其试验安装图片见图7和图8。

(4)试验结果：

抗震0.2 g和减震0.4 g的特高压交流1000 kV避雷器及其瓷套的试验结果参见表3。

抗震0.2 g和减震0.4 g的特高压交流1000 kV CVT及其瓷套的试验结果参见表4。

图6 特高压交流1000 kV CVT地震台试验现场Fig.6 The seismic station test site for 1000 kV UHV porcelain insulator of CVT

图7 特高压交流1000 kV避雷器标准化瓷套(c级污秽)的弯曲破坏试验现场Fig.7 The bending test site for standard AC 1000 kV UHV porcelain insulator of surge arrestor (External insulator pollution class C)

图8 特高压交流1000 kV标准化瓷套避雷器(c级污秽)的地震台试验现场Fig.8 The seismic station test site for standard 1000kV UHV porcelain insulator of surge arrestor (External insulator pollution class C)

表3 交流1000 kV避雷器及其瓷套的试验结果Tab.3 Test results of AC 1000 kV surge arrestor and its porcelain insulator

表4 交流1000 kV CVT及其瓷套的试验结果Tab.4 Test results of AC 1000 kV CVT and its porcelain insulator

表5 交流1000 kV标准化瓷套避雷器(c级污秽瓷套)试验结果Tab.5 Test results of AC 1000 kV standardized porcelain insulator

抗震0.3 g和减震0.5 g的特高压交流1000 kV标准化瓷套避雷器(c级污秽瓷套)的试验结果参见表5。

从上面的试验数据可以看出，我公司湿法成型工艺制造的特高压交流1000 kV避雷器瓷套和电容式电压互感器瓷套的弯曲破坏试验和地震台试验的两项指标全部符合要求，而且工程安全系数有相当大的裕度。另外，我公司特高压瓷套的试验结果居于国网公司组织的试验验收的最好水平。

5 结 语

综上所述，特高压交流1000 kV避雷器瓷套和电容式电压互感器瓷套的研制成功，使我国电瓷产品的制造水平上了一个新台阶，填补了国内大型电站电瓷抗震产品的生产制造空白。

在以后的生产中，还需要继续优化工艺控制，提高产品的过程品质，进一步提高全过程合格率。

[1]GB/T23752-2009. 额定电压高于1000V的电器设备用空心瓷和玻璃绝缘子[M]. 北京: 中国标准出版社, 1996.

[2]国家电网交流建设部. 国家电网交流建设部关于皖电东送工程变电站高抗回路设备抗震性能及机械强度验证的技术条件[C]. 北京: 2012.

[3]国家电网交流建设部. 国家电网交流建设部关于特高压避雷器瓷套标准试验的技术条件[C]. 北京: 2015.