高步林

【摘要】超特高壓變壓器出線裝置的電氣與機械性能直接影響到變壓器的電氣與機械性能，因此通過建立標(biāo)準(zhǔn)化的電氣性能、機械性能與絕緣裕度試驗體系對優(yōu)化出線裝置絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計、完善其生產(chǎn)工藝具有重要指導(dǎo)作用。筆者以中國電科院建立的超、特高壓出線裝置試驗體系為指引方向，結(jié)合自己的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，總結(jié)了超特高壓絕緣出線裝置的標(biāo)準(zhǔn)化試驗體系指導(dǎo)下的一系列生產(chǎn)攻關(guān)技術(shù)與訣竅。

【關(guān)鍵詞】特高壓變壓器出線裝置；標(biāo)準(zhǔn)化試驗體系；絕緣材料生產(chǎn)攻關(guān)

一、引言

在變壓器絕緣系統(tǒng)中，特高壓絕緣出線裝置在變壓器的制造過程、型式試驗、出廠試驗及運行中，不同程度的承受著多種應(yīng)力作用，比如：雷電和操作過電壓的作用；工頻試驗工作電壓作用；在繞組絕緣中要承受壓緊力的擠壓應(yīng)力作用；在油路系統(tǒng)中受冷卻油的沖刷作用；在干燥過程中受熱脹力的作用。這些作用應(yīng)力的存在決定了對成型件出線裝置的性能要求。除多種應(yīng)力作用外在日常生產(chǎn)實踐中我們不難發(fā)現(xiàn)紙質(zhì)絕緣件和油中雜質(zhì)對絕緣性能影響很大，因此要求絕緣件的雜質(zhì)和灰分要低，同時要求成型件表面要光潔平整、無毛刺以免在油中產(chǎn)生過高的靜電電荷。所有這些要求在絕緣件日常的生產(chǎn)過程中我們固然可以通過一整套質(zhì)量管理體系來控制，但最終還要靠一套準(zhǔn)確的試驗體系來來驗證和保證。只有如此才能制定特高壓出線裝置的標(biāo)準(zhǔn)化文件，形成對1000kV特高壓變壓器/電抗器高壓出線裝置所制定的專用檢驗標(biāo)準(zhǔn)。也只在標(biāo)準(zhǔn)化的試驗方法指導(dǎo)下才能制定完善的生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范，嚴(yán)格設(shè)計與生產(chǎn)的的全程監(jiān)控，確保全方位控制出線裝置產(chǎn)品質(zhì)量。

二、出線裝置的試驗體系的建立及對出線裝置研發(fā)制造的方向指引

為推進超特高壓出線裝置國產(chǎn)化進程，確保超特高壓出線裝置在變壓器系統(tǒng)中安全有效運行，中國電力科學(xué)院設(shè)計并規(guī)范了整套試驗體系，試驗體系包括：特高壓出線裝置電氣絕緣試驗、特高壓出線裝置機械性能試驗、特高壓出線裝置絕緣裕度試驗。中國電科院的三大試驗項目的全部試驗過程對出線裝置的研發(fā)和生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。筆者總結(jié)中國電科院的三大試驗項目對我們絕緣材料制造商的生產(chǎn)出線裝置的研發(fā)與生產(chǎn)指導(dǎo)意義如下：

1、特高壓出線裝置電氣絕緣試驗

出線裝置電氣絕緣試驗項目包括：繞組電阻測量、絕緣電阻計介質(zhì)損耗測量、長時感應(yīng)電壓試驗（ACLD）、線端操作沖擊耐受試驗、線端雷電沖擊耐受試驗、線端雷電截波沖擊耐受試驗、外施耐壓試驗、長時感應(yīng)電壓試驗（ACLD絕緣試驗后1100kV 5min）以及變壓器油試驗。這些試驗項目要求絕緣出線裝置一方面能夠承受各種絕緣試驗及長期運行的要求；另一方面要能承受變壓器、電抗器的所有電氣試驗，而不出現(xiàn)絕緣擊穿、局部放電。

出線裝置電氣絕緣試驗對生產(chǎn)制造商的方向指引：因為出線裝置絕緣水平高，和繞組、套管、升高座、油箱配合，電場分布較復(fù)雜，因此在出線裝置的設(shè)計中根據(jù)變壓器、電抗器的結(jié)構(gòu)特點，建立多種出線裝置及多種直徑升高座計算模型，利用二維和三維電場計算軟件詳細(xì)計算試驗工況下絕緣結(jié)構(gòu)各油隙擊穿場強、電極表面場強及紙板表面爬電場強。作為絕緣材料的生產(chǎn)企業(yè)，要重視出線裝置球頭部位，由于電極和絕緣為同軸布置，故此可采用二維軸對稱場進行計算，可建立1/2球頭部位模型。對于出線裝置轉(zhuǎn)彎部位，電極形狀非對稱布置，采用三維模型進行電場仿真計算。上部均壓球部位電場計算考慮了套管電容芯子對電場計算的影響。

在中國電力科學(xué)院專家的直接指導(dǎo)下，2009年12月25日國產(chǎn)第一套1000kV出線裝置隨同BKD-240Mvar/1000kV并聯(lián)電抗器樣機一次性順利通過全部絕緣試驗考核項目。2010年6月4日，第二套國產(chǎn)出線裝置運抵西安西變，在廠內(nèi)進行裝配預(yù)處理。出線裝置的電氣絕緣性能采用變壓器或電抗器的試驗項目間接對其電氣絕緣進行考核并順利通過。

2、特高壓出線裝置機械性能試驗

對出線裝置的機械性能試驗，中國電力科學(xué)院主要通過振動試驗來驗證出線裝置的機械特性和機械強度，從而保證出線裝置在運輸及長時運行期間機械性能的可靠性，并避免運輸及長時運行期間出線裝置出現(xiàn)變形和絕緣部件松動等情況的發(fā)生。

中國電科院所做的振動試驗的嚴(yán)酷等級由三個參數(shù)共同確定，即：頻率范圍、振動幅值和耐久試驗的持續(xù)時間。試驗過程中在出線裝置的關(guān)鍵部位共安裝10個加速度傳感器，將振動傳感器分別安裝在出線裝置電極的內(nèi)部、最外層隔板及出線裝置的U型轉(zhuǎn)彎處，每個傳感器可檢測X、Y、Z三個方向的振動加速度。振動平臺可在 X、Y、Z三個坐標(biāo)方向上振動，依次進行正弦頻率掃描試驗、寬帶隨機振動及沖擊振動試驗。振動測試結(jié)束后，觀察諧振頻率是否有變化；檢查隔板振動前后是否有位移和扭動；外觀是否有劃痕。振動試驗的固定方式如下圖：

出線裝置機械性能測試對絕緣生產(chǎn)制造商的方向指引：振動試驗要求出線裝置能夠承受運輸及長期運行中所產(chǎn)生的振動，均壓球、均壓管不產(chǎn)生機械變形；均壓球、均壓管外糊絕緣層不產(chǎn)生裂紋、縫隙；絕緣筒支撐件不傾斜、位移、脫落；絕緣筒不產(chǎn)生裂紋、縫隙、位移，粘接部位不開裂。對其結(jié)構(gòu)而言，要求其結(jié)構(gòu)簡單、制造可行、通用性強，和進口特高壓出線裝置可互換，并最終形成標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。

3、特高壓出線裝置絕緣裕度試驗

中國電科院出線裝置絕緣裕度試驗的目的是為確保出線裝置在各種過電壓及長期工作電壓下的運行可靠性，所以在出線裝置與其配套試驗部件（含套管、均壓球、油箱等）上施加操作、雷電沖擊耐受電壓、以及長時工頻耐受電壓的考核。具體試驗項目內(nèi)容包括：絕緣電阻、系統(tǒng)電容及介損測量、預(yù)局放試驗、雷電沖擊試驗、操作沖擊試驗、長時工頻耐壓試驗、絕緣試驗前后油試驗等。通過計算機校核，證明國內(nèi)設(shè)計的均壓球已具有足夠的絕緣裕度，試驗用均壓球有足夠的絕緣裕度，升高座變徑部位，均壓管的絕緣裕度有所降低，但幅度不大，與出線裝置拐彎部位絕緣裕度相當(dāng)。最小絕緣裕度為1.33。特高壓出線裝置關(guān)鍵部位區(qū)域劃分及絕緣裕度對比圖如下：

通過模擬電場計算，國內(nèi)自主設(shè)計的1000kV出線裝置具有足夠的絕緣裕度，能滿足特高壓變壓器、電抗器的要求，且絕緣裕度略大于進口產(chǎn)品的相應(yīng)裕度。最小絕緣裕度位于均壓球下端的圓弧處及出線這種轉(zhuǎn)彎部位。

出線裝置絕緣裕度試驗給我們的生產(chǎn)實踐指導(dǎo)：絕緣裕度試驗旨驗證在振動試驗后以及考慮制造偏差等因素后，出線裝置絕緣強度的設(shè)計裕度，尤其是均壓管與均壓球下端的圓弧及轉(zhuǎn)變處的裕度是整個出線裝置的絕緣裕度瓶頸，這為我們絕緣材料制造商完善出線裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝質(zhì)量控制方案夯定扎實的技術(shù)基礎(chǔ)。

三、三大試驗項目測試結(jié)果對特高壓出線裝置生產(chǎn)制造的攻關(guān)技術(shù)指導(dǎo)

1、模具設(shè)計技術(shù)攻關(guān)

模具結(jié)構(gòu)的合理性不僅關(guān)系到特高壓出線裝置產(chǎn)品的電氣性能與機械性能而且直接關(guān)系到均壓球與均壓管的絕緣裕度，所以在實際設(shè)計與制造過程中需要根據(jù)生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理確定模具結(jié)構(gòu)。在進行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時，充分考慮到其濾水性、脫模性、產(chǎn)品變形和收縮性、模具耐用度等各方面性能。在材料選擇上，模具采用具有重量輕，便于操作的鋁合金材料制作。鋁材具有較好的可塑性，便于制作形狀復(fù)雜的模具；此外，鋁材抗大氣腐蝕性能好，氧氣反應(yīng)能使模具表面生成的氧化鋁薄膜，保證了模具的壽命。

2、均壓球與均壓管的攻關(guān)技術(shù)

絕緣出線裝置的均壓球為曲面成型結(jié)構(gòu)件，為此在實際生產(chǎn)過程中我們設(shè)計制造了專用金屬模具，并使用材質(zhì)均勻的鋁板拉伸拼裝焊接成型。焊接采用氬弧焊，焊接均勻、飽滿、滲透，焊后X光探傷，滿足產(chǎn)品性能要求。制作成型的均壓管、均壓球內(nèi)外表面拋光，表面粗糙度Ra≤1.6μm，滿足產(chǎn)品所需的電氣性能。

3、濕法成型的技術(shù)攻關(guān)

出線裝置絕緣層原材料采用100%未漂硫酸鹽木漿，通過去離子水制造成型濕紙，濕紙通過X光成像檢測后，制作出線裝置絕緣產(chǎn)品。在濕法成型過程中除嚴(yán)格按工藝規(guī)程精心操作外，在生產(chǎn)過程中還重點關(guān)注模具清潔、產(chǎn)品成型精度和產(chǎn)品緊度，同時通過采用分段升溫烘干工藝減少了產(chǎn)品變形機率，提高了產(chǎn)品的尺寸精度。

4、波紋板的研制攻關(guān)

波紋柵和均壓球、均壓管都是出線裝置的重要組成部分，通過改變工藝方法調(diào)整相關(guān)工藝參數(shù)適當(dāng)增加長纖維比例，生產(chǎn)出伸長率超過3%的專用高密度絕緣紙板，用去離子水將高密度絕緣紙板進行適度調(diào)濕，合理控制紙板的養(yǎng)生時間，確保紙板濕度的均勻性，通過緩慢定型、分齒制作確保波紋板達(dá)到技術(shù)要求。

5、卡托、托板及撐條的研制攻關(guān)

高密度絕緣紙板一般含水率在6%左右，干燥后收縮大，容易產(chǎn)生松動現(xiàn)象。為確?？ò寮巴邪鍍?nèi)在性能，采用含水率在2～4%的專用高密度絕緣紙板。

6、特殊的總裝技術(shù)攻關(guān)

出線裝置所有絕緣成型件制作完畢后均采用X光成像檢驗，合格后進入總裝程序。出線裝置為整體花盤式結(jié)構(gòu)，在變壓器運行過程對于油的冷卻和材料的電氣性能均得到了更大的提高，但在裝配過程中提高了裝配難度?；ūP式結(jié)構(gòu)要求對每一層絕緣層進行測量現(xiàn)配，同時需要計算好裝配間隙，裝配后要求結(jié)構(gòu)緊湊，否則將無法進行絕緣層的套裝裝配，或者裝配間隙過大無法進行結(jié)構(gòu)支撐，不能滿足出線裝置的設(shè)計和使用要求。波紋柵的安裝同樣具有較高的難度，安裝時應(yīng)確保其八個裝配孔中心所在平面與均壓管垂直，且對稱于垂直中心軸線的兩兩裝配孔應(yīng)在同一水平面上。

四、結(jié)語

1、出線裝置項目的成功研制為1000kV出線裝置國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。標(biāo)志著我國的變壓器關(guān)鍵部件的自主創(chuàng)新能力又有了新的提高，為推進我國1000kV特高壓線路建設(shè)和重大設(shè)備國產(chǎn)化提供了技術(shù)保證。研究成果在特高壓交流出線裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面達(dá)到了國際先進水平。

2、中國電科院提出了特高壓出線裝置試驗方法與試驗體系，明確了出線裝置的檢驗考核辦法，這為我們出線裝置制造企業(yè)在制造過程中形成關(guān)鍵的生產(chǎn)工藝文件，并最張形成包括特高壓出線裝置的設(shè)計、制造、檢驗等整套標(biāo)準(zhǔn)化文件奠定了基礎(chǔ)。

3、中國電科院對出線裝置試驗體系的建立為絕緣出線裝置成功研制我國首套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的特高壓出線裝置，形成了我國特高壓出線裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法、工藝文件及檢驗和試驗規(guī)范，打破了國外產(chǎn)品在該領(lǐng)域的壟斷提供了強有力的技術(shù)支持。

4、國內(nèi)特高壓出線裝置項目取得的研究成果以及成功應(yīng)用， 使進口特高壓出線裝置的價格大幅下降，由原來的300萬元/套，降為現(xiàn)在的50～60萬元/套，并大大縮減了供貨周期，在“皖電東送”淮南至上海特高壓交流輸電示范工程中共支1.22億元。

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