本文叙述了新型热缩材料的概念及种类、性能特点以及应用情况, 提出了变电站实施绝缘防护应注意的问题, 分析了今后应用前景, 指出选用高质量的热缩管热缩材料将能显著提升变电站的绝缘防护水平。
近年来, 随工业的发展, 环境污染日益严重,变电站的绝缘防护特别是老旧变电站的绝缘防护日显重要。变电站中污闪、凝露闪络、覆冰跳闸、小动物短路、裸母排造成的人身伤亡事故时有发生。热缩材料用于变电站的综合绝缘防护可减少该类事故的发生, 提高供电系统的可靠性, 对电力系统的安全运行具备极其重大意义。
热缩材料又称为高分子形状记忆材料, 结晶的高分子材料经高能射线处理或化学引发剂处理后,高分子链间产生新联结键, 形成交联的网状结构高分子, 该材料在一定温度范围内施加外力可以拉伸或扩张, 当迅速降温时可维持形变后的状态, 这样就制成了热收缩材料, 材料经扩张形变后, 只要将温度达到熔点以上, 形变很快便消除, 并恢复到原来状态, 这就是交联高分子的“记忆效应”。
用热缩材料来绝缘防护, 就是用经辐射交联后具有记忆效应的热收缩绝缘材料制造成的管材或带材包裹在的导电母线上, 再用加热手段, 使之与导电母排紧密结合, 牢固附着在导体表面, 达到带电体被绝缘包裹的目的。
用于变电站的热缩材料主要有母排绝缘热缩套管 (M PG)、复合绝缘包覆带 (FJRD )、绝缘防护罩、电缆终端头以及爬距增长器等。M PG 用于变电站汇流母线排的绝缘防护; FJRD 由热缩层和低熔点高聚物的粘接层组成, 在加热时, 外层收缩、内层熔融,使被防护带电体实现密封、绝缘一体化, 用于老变电站相间距不足、污闪及覆冰严重又不易实施绝缘处理的地方; 绝缘防护盒用于连接处的绝缘防护, 以及柜上隔离开关、油断路器等特殊点防护; 电缆终端头性能优越, 安装简易便捷快捷, 不需要专用设备和技术,成为电力电缆附件的最新发展趋势; 爬距增长器用于解决污秽闪络问题, 一般说来, 只要在原支柱绝缘子或瓷瓶上热缩相应尺寸的伞裙即可。
为进一步验证热缩绝缘材料的绝缘性能, 进行了2种试验: ①对采用热缩绝缘防护的湖东变电站一段长600mm 的母排进行了护套管的绝缘水平测试;②进行了距离为125mm 的相间绝缘水平测试, 试验数据见表2。
某高压电器研究所对采用了热缩材料的开关柜进行温升试验表明: 在用MPG 和 FJRD 包裹汇流母排后, 在测温点相同的条件下, 基本不影响温升。因此, 热缩材料对变电站母排的绝缘防护不会降低母排的载流量。
为验证这一点, 对变电站一段母排热缩绝缘包扎前后进行了测温 (用3M 红外线测温仪) , 选ABC 三相相同部位各3点测量, 结果见表3。
从表中可看出, 包扎热缩材料后温升反而降低,运行人员跟踪测温, 也未发现异常温升, 分析认为热缩材料比空气导热系数大, 有利于散热; 另外覆盖热缩材料后, 散热面积增加, 更有助于散热。
电力设备在允许电压下不导电的材料均要求阻燃, 热缩材料以橡塑共混高聚物为主体, 添加性能优异的阻燃剂, 其氧指数为32, 具有非常好的离火自熄性, 可满足电力系统的阻燃要求。现场试验表明, 试品960 ℃着火试验不燃烧。
根据热缩原理, 热收缩从微观本质上讲来源于内部网络的交联结构, 正是由于这种原因, 热缩材料的抗老化性能优于其它在允许电压下不导电的材料。上海电缆研究所对热缩材料所做的加速老化实验表明, 该材料热老化寿命一般可以达到20 a, 某公司在电力系统使用的热缩终端头已安全运作13a, 在人造卫星上应用的热缩材料至今已正常运行21a。
由于热缩材料具备特殊的微观本质, 该材料经158 ℃±2 ℃ 168 h 热老化试验, 性能无大变化 (对变电站专用系列热缩材料而言)。一般说来, 变电站母排的极限工作时候的温度为70 ℃。因此, 能够完全满足变电站运行对其耐温特性的要求。
上面阐述了热缩材料的电气及物理化学特性,这种新型材料应用于变电站绝缘防护能解决许多实际问题。
长期以来, 变电站中小动物短路故障和异物搭接引发的电气事故一直困扰着供电系统的技术人员。若高压开关室门窗关闭不严, 或电缆沟孔洞没封堵好, 就很容易使老鼠或小动物进入高压开关室串到带电的设备上。10 kV 开关柜尺寸小, 常因小动物或单相接地造成电弧在热和电磁力的作用下电弧拉长而波及邻相, 造成相间短路故障。
为了防止小动物短路, 变电站运行人员采取了一些如施放鼠药、鼠笼、开关室加装网门、电缆孔洞用有机或无机堵料封堵、母排上涂绝缘漆等措施, 但效果均不够理想。仍有不为人知的小动物进入配电室通道, 这就极有可能因小动物接近或非间接接触柜内带电体而造成相对地或相间短路。而绝缘漆时间长久后常发生裂纹, 性能降低。
对变电站的开关柜及汇流母排实施热缩绝缘防护后, 使带电导体具有了良好的绝缘性能, 即使有小动物进入变电站, 也不会造成跳闸或燃烧。使用热缩材料绝缘后, 10 kV 开关柜母排电气距离可由125mm 降到6mm , 使开关柜尺寸大大缩小, 降低了开关柜成本, 减小了占地面积和土建投资。
由于大气污染的日益严重, 愈来愈多的变电站污秽等级提高、老变电站故障增加。对主母线及柜内分支母线实施绝缘防护和给支柱绝缘子增加爬距增长器是老变电站改造的有效措施。由于水电站相对湿度较大, 变电系统存在着因凝露闪络而跳闸的可能性。同样用这种方法, 对220 kV 北郊变电站、东郊变、110 kV 鳌峰洲变等进行了改造, 收到了良好效果。
在老式变电站中, 由于开关柜母排和汇流排均无绝缘防护, 曾发生过检修人员被带电体伤害事故。用热缩材料对变电站主母线、分支母线及接头部分实施绝缘防护可防止这种危险。
(4) 防止盐雾及有害化学气体对母线的腐蚀沿海地带的盐雾及重工业区的工业废气对汇流母线有腐蚀作用。除了降低母排载流量还极易产生污秽导电通道, 因此导致污闪。热缩材料具备极好的耐酸碱性, 可有效地解决这一问题。
(5) 用爬距增长器增加支柱绝缘子爬距变电站户外电气装置上的绝缘子及户内汇流母排支柱绝缘子常常因污秽严重致使爬距不足而引起污闪。对此只需将热缩型爬距增长器加于某一瓷裙即可处理问题。东北电力科学研究院对采用了热缩爬距增长器的110 kV 绝缘子的测试结果见表4。
对母排, 可选用母排绝缘套管 (M PG) , 也可用复合绝缘热缩带(FJRD ) 缠绕。前者必须拆卸母排, 施工难度较大, 所需时间长, 但处理后美观、光泽度高; 后者不必拆母排, 施工较容易, 时间短。用户可根据真实的情况选用。如新建变电站未投运、时间宽裕可采用M PG 方式, 老站改造停电时间有限可考虑采用 FJRD 方式。
母排接头处或与套管连接处(如穿墙套管、主变低压侧套管) 可采用绝缘接头防护盒。由于接头联结处常常需要卸装, 采用绝缘防护盒可灵活打开、合上, 便于检修, 不要用绝缘套管或热缩带固定死。用户须事先与厂商联系, 根据现场状况预制各种形状的绝缘防护接头盒( I 型、J 型、T 型等)。
对外型特殊、不经常拆卸的带电体应采用热缩带(FJRD ) 实施绝缘处理。
绝缘套管或热缩带只有通过加热处理才能收缩于带电体表面, 因此, 加热处理工艺不仅关系到材料的寿命, 而且关系到安全性。加热处理应注意以下几点: ①外观加热后应光滑均匀, 收缩后壁厚不超过3mm 以下。②热收缩性无论采用套管还是热缩带, 均应保证收缩到位, 中间不残留气隙, 否则会导致发热影响寿命, 尤其是弯角处应仔细处理才可能正真的保证到位。③联结处理热缩套管(长1m ) 或热缩带连接处的处理至关重要, 联结处加热时间必须充足长才可能正真的保证其热收缩性和平稳过渡, 来保证前后两段和联结处的电气性能一致。
对母线以及开关前后母排必须留出验电接地位置, 以便检修时验电接地用。必须根据现场实际选择ABC 三相的验电位置。A、B、C 三相位置应呈三角形, 不应呈一字形, 以增加三相带电体的距离防止小动物短路; 另外, 应尽可能远离支持绝缘子, 以防带电体对瓷瓶闪络, 见图1。
对支持瓷瓶加装防污增爬裙时, 必须首先对瓷瓶进行严格细致的清洁处理, 然后加装爬距增长器,如图2所示, 在A 处用502胶粘上, 联结处的处理将直接影响使用效果。理想情况应是联结处平整光滑,没有凹凸不平。如果联接处不平滑, 长时间的风吹雨淋必将在其周围残留灰尘, 这样不仅没有增加爬距,反而增加了污闪隐患, 因此, 施工中必须严格把关。
对于实施热缩绝缘防护的变电设施, 除验电处外, 其他带电体部分应全部用热缩套管或热缩带进行防护, 不能留死角。如主变低压套管处以前未进行绝缘防护, 最近采用异型防护盒进行绝缘防护,有效地防止了小动物引起主变近距离短路。另外, 对拆卸母排进行绝缘防护的, 恢复原接线方式后一定要保证联结处固定牢固, 以防因螺栓不紧而造成联结处发热。
对1台10 kV 的开关柜实施热缩绝缘防护投资约8000元 (包括柜内及柜顶) , 1个110 kV 变电站以30台柜计, 投资约24万元。而小动物短路或污闪事故造成的损失, 远大于此类投资。
近年来, 常常发现手车开关发生爆炸, 分析原因发现手车开关绝缘档板开孔直径为200mm , 而手车直臂尺寸为80mm ×8mm , 频繁操作后位置经常发生明显的变化, 造成带电体对绝缘档板放电, 逐步发展到闪络事故。因此, 如果将热缩材料应用于无人值守变电站的手车开关, 对其直臂进行热缩绝缘防护, 则会收到良好效果。
热缩材料应用于局部架空裸导线kV 配网架空线, 则可防止异物搭接。对于变电站的进线 kV 进线, 为防止异物搭接及导线对树木放电等, 可用热缩材料来局部绝缘防护, 不过对材料的耐压水平要求较高。
热缩材料应用于变电站的绝缘防护, 从根本上解决了小动物短路、盐雾腐蚀、污闪、拉弧放电等问题, 对老变电站的改造是一种切实有效的措施。
经试验验证, 该材料具备良好的绝缘性能以及导热性、阻燃性、抗老化性和耐温性能, 可用于变电站开关室开关柜及汇流排等导体的绝缘防护也可用于绝缘子增加爬电距离和防止污闪等。只要在使用中注意选用质量合格的产品, 并在安装中严格按照施工工艺技术要求进行施工, 则热缩材料一定能起到良好的绝缘防护作用。
