高壓電纜附件外絕緣材料的發(fā)展

高壓電纜附件外絕緣材料的發(fā)展

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會的不斷發(fā)展和供電、附件生產(chǎn)技術(shù)的日益成熟，供電、電纜逐漸取代了空洞的路線，成為城市能源運輸?shù)闹饕绞?。高壓電纜附件技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了材料的更新。鑒于客戶對高壓電纜附件的安裝性、維護(hù)方便性、安全性等方面的要求,硅橡膠逐漸取代了其它材料,成為附件產(chǎn)品中的重要原材料。我國電纜附件的發(fā)展經(jīng)歷了從繞包式到金屬殼體、瓷套+灌膠,再到尼龍、塑料、環(huán)氧外殼+灌膠(1960~1987年),再到熱縮式、硅橡膠預(yù)制式+熱縮套管、預(yù)制式+冷縮套管(1988~2000年)、硅橡膠全冷縮式。不同電壓等級、不同結(jié)構(gòu)形式電纜附件中應(yīng)力錐所選的絕緣材料不同,絕緣材料逐漸從瓷套+環(huán)氧樹脂+三元乙丙橡膠轉(zhuǎn)變?yōu)楣柘鹉z復(fù)合套管+硅橡膠+環(huán)氧樹脂。尤其在近些年,硅橡膠全冷縮式附件的發(fā)展,大大帶動了硅橡膠在高壓電纜附件中的應(yīng)用。在日本,整體預(yù)制式硅橡膠冷縮接頭已成功應(yīng)用到400kV電壓等級;而在中國,110kV硅橡膠整體預(yù)制式終端、220kV硅橡膠整體預(yù)制式接頭、220kV硅橡膠復(fù)合套管式終端已開始大面積投入電網(wǎng)運行。目前,就產(chǎn)品品種而言,中國已基本接近國際水平,呈現(xiàn)出與國際同步發(fā)展的態(tài)勢。本文主要論述了在不同結(jié)構(gòu)的高壓電纜附件中硅橡膠部件所起的作用,通過比較電纜終端的外絕緣材料瓷套和硅橡膠復(fù)合套管,以及整體預(yù)制式接頭的外絕緣材料三元乙丙橡膠與硅橡膠的性能,論述硅橡膠作為高壓電纜附件外絕緣材料的優(yōu)缺點。1高壓電纜附件高壓電纜附件主要分為兩大類:終端和接頭。其中電纜終端是安裝在電纜線路末端、具有一定絕緣和密封性能、用以連接電纜與電網(wǎng)或其它電氣設(shè)備(如架空線、變壓器、GIS開關(guān)等)的電纜附件;接頭是安裝在電纜與電纜之間、使兩根及以上電纜導(dǎo)體聯(lián)通、并具有一定絕緣和密封性能的電纜附件。高壓及超高壓交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜接頭技術(shù)難度要高于終端。圖1是按照產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)以及主要部件的原材料進(jìn)行的高壓電纜附件分類。從圖1可以看出,在最終的6種高壓電纜附件中,硅橡膠在3種產(chǎn)品中得到應(yīng)用,甚至更多。由此可見,硅橡膠在高壓電纜附件中起著舉足輕重的作用。2中連接橡膠的性能比較2.1硅系復(fù)合套管材料特性交聯(lián)電纜終端的外絕緣材料主要分為瓷套和硅橡膠復(fù)合套管兩種,二者的性能比較見表1。從表1可以看出,硅橡膠復(fù)合套管在抗?jié)耖W及污閃性、安全性、安裝便捷性、維護(hù)保養(yǎng)方面優(yōu)于瓷套。硅橡膠套管由于質(zhì)量輕,方便運輸和現(xiàn)場安裝;它還具有優(yōu)良的防爆性。終端內(nèi)絕緣發(fā)生擊穿時,終端內(nèi)部壓力劇增,會使瓷套爆炸;瓷套是脆性材料,爆炸后的碎片會殃及周圍其它電氣設(shè)備和人員。從安裝及安全性考慮,硅橡膠復(fù)合套管會逐漸取代瓷套。硅橡膠復(fù)合套管之所以具有如此優(yōu)異的性能,是因為硅橡膠具有如下特點。一是抗電暈、抗電蝕性好。硅橡膠的主鏈由Si—O鍵組成,Si上連接有機(jī)基團(tuán),兼具有機(jī)、無機(jī)材料的特點;所以,抗電暈、抗電蝕性能特別好。二是優(yōu)越的耐熱性和耐寒性。由于Si—O鍵的鍵能顯著高于C—C和C—O鍵的鍵能,所以硅橡膠的耐熱性大大優(yōu)于有機(jī)材料,可在較高溫度下保持高彈性;硅橡膠的耐熱性還表現(xiàn)在燃燒時生成不燃的SiO2灰燼而自熄,且燃燒時放出的氣體主要是CO2和水,毒性很低。由于分子間作用力小及主鏈非常柔順,因而硅橡膠的耐低溫性能也非常優(yōu)異,在較低的溫度下能保持高彈性。而且,在-50~+200℃的溫度范圍內(nèi),硅橡膠的電性能和物理機(jī)械性能基本不變。三是電絕緣性優(yōu)良。硅橡膠復(fù)合套管的爬距可比相同絕緣等級的瓷套的爬距減少1/4;而在同等高度的產(chǎn)品上,復(fù)合套管的爬距可比瓷套絕緣爬距增加許多。而且,即使燃燒后剩下的灰分(SiO2)也能保持一定的絕緣能力。四是憎水性、抗?jié)耖W及污閃性能好。硅橡膠具有優(yōu)異的憎水性,吸水性小于0.015%;所以很適合在潮濕環(huán)境或沿海鹽霧地區(qū)使用,且在嚴(yán)重污穢環(huán)境下使用不會產(chǎn)生閃絡(luò),這比瓷套優(yōu)越。五是優(yōu)異的耐老化、抗紫外線性能。硅橡膠的主鏈無雙鍵存在,而且Si—O鍵的鍵長大約是C—C鍵鍵長的一倍半;因此,硅橡膠具有優(yōu)異的耐老化、抗紫外線性能,大大延長了硅橡膠制品的壽命。美國道康寧公司在佛羅里達(dá)和密歇根進(jìn)行的室外暴曬試驗表明,硅橡膠在自由狀態(tài)下暴曬數(shù)年,性能無顯著變化。綜上所述,由硅橡膠制成的復(fù)合套管可在各種氣候條件及污穢環(huán)境中使用,這是其它材料無法比擬的。硅橡膠是目前最理想、最可靠的高壓電纜附件外絕緣材料。2.2景觀區(qū)三維橡膠制件表2是三元乙丙橡膠與硅橡膠的性能比較。三元乙丙橡膠作為高壓電纜附件的絕緣材料已有很長歷史了。它屬于非極性材料,故具有優(yōu)異的電絕緣性能,尤其是耐電暈和游離放電特性突出;耐老化性也十分優(yōu)良,在空氣中160℃下經(jīng)過20天老化后仍保持彈性;但由于硬度大,造成現(xiàn)場安裝難度比較大。而硅橡膠制件具有硬度低、回彈性好、現(xiàn)場安裝快捷方便等特點,目前逐漸被廣大用戶接受。從表2可以看出,硅橡膠和三元乙丙橡膠相比,雖然機(jī)械性能稍差;但拉斷伸長率和回彈性高、硬度較低。硅橡膠整體預(yù)制式接頭正是利用上述特性制成的。整體預(yù)制式接頭是在工廠內(nèi)注射成型,再經(jīng)擴(kuò)徑、襯以塑料螺旋支撐管;現(xiàn)場安裝時,將預(yù)擴(kuò)張件套在經(jīng)過處理的電纜末端或接頭處,抽出內(nèi)部支撐的塑料螺旋條,壓緊在電纜絕緣上即可(安裝示意圖見圖2)。因為整體預(yù)制式接頭是在常溫下靠彈性回縮,這就需要橡膠柔軟度、回彈性好,這一點三元乙丙膠無法同硅橡膠相比。當(dāng)然,硅橡膠也有一些缺點,最主要的是抗撕裂性比較差。這就要求在生產(chǎn)制造以及現(xiàn)場安裝過程中,必須保證硅橡膠件不能有任何劃傷,以免附件產(chǎn)品在運行過程中絕緣體逐漸撕裂,最終導(dǎo)致絕緣體擊穿。隨著材料科學(xué)的發(fā)展,硅橡膠的機(jī)械性能也在提升,如日本廠家使用LSR硅橡膠制作的400kV的高壓電纜接頭已經(jīng)投入使用。3可實現(xiàn)對電纜附件的新需求硅橡膠由于優(yōu)良的電氣性能、耐候性、抗老化性、彈性及硬度低等特點在高壓電纜附件中逐漸取代了其它外絕緣材料。針對不同結(jié)構(gòu)形式、電壓等級的電纜附件,采用不同形