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实现高端绝缘材料国产化 提升电气设备可靠性
发布时间:2017-11-15   浏览次数:177 次  字号:   双击自动滚屏

    环氧复合材料是特高压电气装备的关键绝缘材料,用量大,且不可替代。在我国特高压工程建设过程中,特高压电气设备的关键件——环氧绝缘件和饱和电抗器都遇到了绝缘材料性能与国外存在差距的问题。

    关键绝缘材料国产化

    特高压工程建设之初,盆式绝缘子材料大部分以进口为主,国外如ABB、三菱、东芝、日立等均掌握特高压盆式绝缘子材料关键技术,其中东芝特高压盆式绝缘子材料具备高耐热、高韧性等特点,玻璃化温度达到130℃,拉伸强度达到80MPa,在特高压工程建设中应用广泛。国内开关制造企业如平高、西开、新东北电气等在环氧浇注配方、设计结构及工艺技术方面均存在较大差距,材料强度均在75MPa以下,玻璃化温度为120℃左右。

    特高压盆式绝缘子在浇注成型过程中需要解决应力控制、缺陷控制、温度场控制等多项控制难题,深入到绝缘子用环氧树脂浇注料层面,则需要从浇注料固化产物的交联网络结构、多层次微观结构、有机—无机界面相容性、纳米粒子分散与改性等方面对浇注料的配方进行优化。国家重点研发计划项目“特高压电气设备用纳米复合绝缘材料与应用关键技术”将从环氧树脂及其固化剂的分子结构设计与模拟、纳米粒子的合成与表面调控及分散、无机填料的表面改性、环氧复合绝缘材料浇注料的配方研制及批量化生产,多个层面开展系统研究,全面掌握环氧复合绝缘材料的配方和批量化生产技术。

    对于换流阀用饱和电抗器,中空线圈匝与匝之间需采用树脂进行固定,其导热性将直接影响电抗器内部的温度分布。据报道,电抗器用树脂绝缘材料的热导率(0.7—0.8W/(m·K))和耐热等级(玻璃化转变温度90℃—100℃)偏低。如果可以将其热导率提高1倍甚至更高,达到1.5W/(m·K)以上,将极大改善铁芯的散热效果,大幅度降低铁芯温度,提高绝缘材料的使用寿命,同时能有效控制电抗器绝缘设计的难度和制造成本,保证设备安全稳定运行。

    项目将对直流换流阀饱和电抗器用高导热绝缘封装材料关键技术展开研究,攻克目前提高绝缘封装材料热导率的瓶颈问题,有效降低现有阀电抗器铁芯的工作温度,使其在设计温度范围内稳定安全可靠运行。研究成果将为生产厂家对电抗器封装材料的配方技术、制备工艺等方面进行有针对性地改进提供方向,提升我国在电抗器领域的技术和生产能力,为完全摆脱国外公司在高压直流输电装备中的制约奠定基础。

    提升设备可靠性

    近年来,采用进口环氧树脂,国内研制出特高压盆式绝缘子等环氧绝缘件,已广泛用于特高压交流工程,然而不管是进口材料的国产化绝缘件还是进口绝缘件,其绝缘失效一直是特高压电气设备故障的主要原因。另外,由于我国是国际上完整掌握特高压输电技术的国家,并且也是世界上唯一有特高压工程商业化运行经验的国家。用国外进口的环氧复合材料生产的特高压盆式绝缘子也发生过多次闪络问题,尚不能很好地满足运行要求。环氧绝缘件的故障中,气固界面的闪络问题占环氧绝缘件故障的80%以上,并且难以预测。环氧绝缘件闪络已成为制约特高压电气设备可靠性进一步提升的瓶颈。为了解决这类问题,除了前文提到的加强对于基础材料本身性能的研究,还要从设计、制造与运维诊断等方面加以系统解决。

    本项目研究制备工艺、纳米添加对气固界面特性的影响,掌握气固界面场强耐受特性与电场设计准则;通过建立环氧复合绝缘系统多场耦合仿真模型,研究多场协同设计方法。结合绝缘件表面状态调控,提高气固界面耐受场强。

    以现在的检测手段,很多绝缘件内部或沿面的微小缺陷难以发现,因此项目研究脉冲电流局放检测和特高频局放检测优化方法,以及X射线绝缘缺陷激励技术、新型光纤超声局放检测技术、陡波冲击试验技术,并研制金属封闭式陡波冲击电压发生器,来提高绝缘件微缺陷检测技术的灵敏度。

    同时,研究多场耦合条件下绝缘件表面缺陷发生、发展规律,掌握绝缘件绝缘失效原理,提出多源信息融合的绝缘件缺陷检测技术, 从而实现对缺陷的早期诊断,建立运行中绝缘件缺陷危害状态评估方法与运维策略。降低绝缘件的故障率,提升设备运行的可靠性。

    本项目的实施,将使我国在关键材料、设计制造和运维诊断等方面达到国际先进水平,形成特高压电气设备用国产化环氧纳米复合材料配方体系,可在超、特高压方面全面替代进口。同时将培养一批从事特高压电气设备关键材料与应用和检测相关技术的创新人才,推动国内特高压电气行业的技术进步,为特高压电气设备研发及应用提供坚实的技术、装备及人才保障。来源:科技日报