新一代合成材料高压电器的发展

摘要：本文介绍了与国内外传统的充油、充气的高压电器完全不同的新一代合成材料的高压电器，包括穿墙套管、电流互感器、电缆终端头在中国的发展过程、这种产品的技术性能和发展前景。

1. 前言

九十年代初期，在中国大地上出现了一种无油、无气（ SF6）、无瓷的以氟塑料为内绝缘，以硅橡胶为外绝缘的完全不同于国内外传统结构的新型高压电器—高压穿墙套管。与传统的充油瓷套管不同，它的 设计思想独特、结构新颖，它的某些技术特性已超过国际标准 IEC 和中国的国家标准 GB ，而且被越来越多的用户所采用。

至今，这种干式系列产品，包括穿墙套管、电流互感器（简称 CT）和电缆终端头已经得到长足的进步和快速的发展。这种产品具有无油、无气、无瓷，体积小、重量轻、防火、防爆、防污闪等突出优点. 自1990年至今，已有10000多台上述产品在电力系统安全运行,没有发生一例事故。

2. 发展过程

众所周知，无论国内或国外市场上， 66Kv 及以上的传统的高压穿墙套管、电缆终端头、电流互感器等大多使用充油瓷套管。它存在易渗漏、易燃、易爆、污闪、维护工作量多、体积大、质量重等一些潜在问题。随着环境的日益恶化，瓷表面的污闪也常有发生，闪络概率随着环境污秽程度而增大。过去都是用增大泄漏比距的办法来解决，但泄漏比距的增大是有限度的，泄漏比距越大，瓷套管的烧成合格率越低，为此，我们开发了一种具有新的结构设计和完全不同以往的材料的新一代产品。

2.1 干式高压穿墙套管的开发九十年代初期，随着城网改造的发展，城市户内变 电站很快的发展起来，对穿墙套管的需求越来越多。面对上述问题，我们必须走一条独具特色的用有机绝缘材料代替油瓷绝缘的新路。

1990年,我们研制出第一批STA型的9只穿墙套管并运行于大连老虎滩变电站,随后,在东北和云南运行了200多只。

但是， STA穿墙套管还存在一些缺点。由于它是用交联聚乙烯电缆制成的，两端需要用支柱绝缘子支撑.为此，我们于1994年研制成功STB型高压穿墙套管。至今已有10000多只STB套管在电网上运行，已经覆盖了从海南 到大庆，从东海岸到新疆的二十几个省、市的地域，详见照片2、3。STB套管的外形见照片1，其结构见图1。

图 1 STB穿墙套管结构图



照片 2 大连老虎滩变电站STA-66运行
 

照片3 STB-110运行在南京
 

2.2• 干式电缆终端头的开发

目前，我国和其他国家的电缆终端头绝大多数均为充油产品，主要结构是在电缆绝缘屏蔽层的端部加装应力锥以改善电场分布，并且装入充油的瓷套管中。不仅体积大、重量重、维护工作量大，而且价格昂贵。

1996年我们在STA穿墙套管的基础上又研制成功了GDZ 型干式电缆终端头，它结构独特、新颖，是在交联聚乙烯电缆的绝缘表面附设若干个相互绝缘的金属均压屏，强迫电缆绝缘表面电压分布均匀,大大提高沿面放电电压和径向击穿电压。它比国内外现有的电缆终端头性能良好、基本不需维护且价格便宜。见结构简图2和等值电路图3。

GDZ电缆终端头已经在中国的许多省份，如山东、广东、河南、河北、辽宁等广泛地推广。由于该产品重量轻，又不须周期性地维护，所以可以不必安装在专门的电缆终端站内而直接地安装在塔头上.见照片4、5。

照片 6 电流互感器外形图

图4 电流互感器结构示意图

照片 7 LRGBJ-110 CT 运行

照片 8 LRGBJ-220 CT 运行
 

3．产品的优良特性

新一代有机合成材料高压电器的结构非常简单，结构上的主要特点是采用氟塑料（聚四氟乙烯）和硅橡胶作为主要绝缘材料，代替油、瓷和 SF6气体，这种结构具有如下许多优点。

3.1 无油、无瓷、防火、防爆、不污染环境；

3.2 体积小、质量轻，结构简单，便于施工,不需维护；

3.3 干式系列产品运行的非常安全，具有极好的防污闪特性。电压分布均匀，大大提高污闪电压；

在 2001年1月22日发生在东北南部和华北北部的一次最严重的污闪事故中在35 ~550kV 的线路上 和 30多个电站内有900多个闪络点，而我们生产的300多只穿墙套管、电流互感器和电缆终端头中没有一只闪络。

主要原因是：

A. 套管绝缘体表面的电位梯度被插入绝缘体的多层导电屏控制，并且硅橡胶伞裙表面紧紧地贴在套管绝缘体上，不似油瓷套管表面与绝缘体表面之间有那么远的间隙。因此，硅橡胶伞裙表面比油瓷套管表面的电场分布更均匀，使闪络电压有很大的提高。

B. 硅橡胶的憎水性比瓷好，水在其表面形成水珠并很快滚落下来，由于这个原因也使闪络电压大大提高。从污秽耐受试验中也得出相同结论。例如，具有 0.3mg/cm 2 等值附盐密的66kV STB 穿墙套管比油瓷套管能耐受更高的电压和更长的时间（ 69kV ，90min） 。

3.4 局部放电量低且具有“自衰”特性。

每一台产品的局部放电量出厂时都低于 5 pC ，这一水平低于 IEC 标准。与 IEC 标准的比较列于表 1

表 1

这种干式组合绝缘的电器产品不仅局部放电量低，而且具有极好的局部放电“自衰”特性。这一特性与油纸绝缘是完全不同的，也是我们在开发这种新型高压电器之初所始未料及的。一般说来，油纸绝缘的高压电器其局部放电的发生随着施加电压的增高和时间的延长而变得愈益严重。但此种有机绝缘薄膜的局部放电特性却与油纸绝缘的正好相反，它随着施加电压的时间的延长越来越好，局部放电量降低、局部放电起始电压提高。大量的运行和试验数据证实了这一结论。在哈尔滨科技大学胡似徽教授的帮助下，我们共同完成了这一课题的试验和研究工作。

1995年我们曾对4年前投入电网运行的大连老虎滩变电站的3＃套管进行了试验、解剖分解，试验结果局部放电量比投运时略有降低，解剖可见内部绝缘及所有材料、元件都完好如初，也进一步证实了这一“局放自衰”的结论。

3.5 介质损耗因数小且介质绝缘热稳定好。

由于氟塑料属中性介质，其介质损耗因数 tanδ很小，为1×10 -4 ,用它制成的高压电器产品的介质损耗因数也很小，而且能够耐受260℃。例如，电流互感器LRGBJ-110及LRGBJ-220样品在国家变压器质量监督检测中心试验值均为0.0003。这一优良的特性将有利于延长产品的寿命。我们曾经对一只66kV高压穿墙套管进行加速老化试验，即在2U 0 (2*66/√3kV)下，通入额定电流IN(600A)，1000h后，又用此套管按110kV的水平(2*110√3kV)重复进行了加速老化试验，连续两个老化试验后的套管不仅没有发现任何损坏，介质损耗因数都没有变化，局部放电量更低，并又通过了工频耐压试验。

LRGBJ-220样品在国家变压器质量监督检测中心还进行了绝缘热稳定试验，证明它不仅介质损耗因数小，而且在长期加热过程中介质损耗因数稳定，稳定时间超过IEC的规定值。

3.6 有较好的热稳定、动稳定和机械耐受特性

2001年，在中国国家变压器质量监督检验中心通过了110kV 和220kV电流互感器的热稳定、动稳定和机械静荷载耐受试验，试验结果列于表2。

表 2 热稳定、动稳定和机械静荷载耐受试验

充油 CT除包饶、组装外，还须进行真空干燥、真空注油等工序，每台产品整个工序须20天，而干式电器每台产品只需包饶、组装后即可试验出厂。每一台产品各工序所经历的时间只须2天。

4.合成绝缘干式高压电器系列产品的发展前景

从 1990年始至今，用硅橡胶和氟塑料（F4）制成的新型的干式高压电器产品，包括干式穿墙套管、干式电流互感器和干式电缆终端头，在电力系统上运行中从未发生过任何事故，被广大用户欢迎。

我们将不断地改进产品结构和提高产品安全性和可靠性，进一步彻底解决充油系列产品漏油、爆炸和污染环境的老大难问题。

参考资料：

王如璋、黄维枢，一种新型高压电流互感器，电力设备， 2001年第2期，24页；

王如璋、廖蔚明、刘艳等，一种新型高压电器－全塑高压穿墙套管，高电压技术。 1996，22（2）；

黄维枢、王如璋， 66～110KV有机绝缘干式电缆终端头，电力设备，2002年第1期，第46页；