前不久，“特高壓交流膠浸纖維穿墻套管關鍵技術及應用”通過技術鑒定。鑒定委員會認為，國網(wǎng)電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司(以下簡稱“武漢南瑞”)自主研制的1200千伏交流膠浸纖維穿墻套管具有阻燃防爆、機械強度高、防潮、少維護等優(yōu)勢，在膠浸纖維套管技術上整體達到國際領先水平。
1200千伏特高壓交流膠浸纖維穿墻套管的成功研制為我國特高壓套管質(zhì)量提升提供了新的技術路線和可替代國產(chǎn)化產(chǎn)品。特高壓工程中，套管起到什么作用?我國特高壓套管國產(chǎn)化有怎樣的歷程?新型結(jié)構的特高壓穿墻套管技術又是如何突破的?
什么是特高壓套管
特高壓工程作為電力輸送的“高速路”，能實現(xiàn)大功率遠距離輸電及各區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)，解決不同地區(qū)能源資源分布不均衡的問題。特高壓工程的換流站、實驗站等需要通過特高壓套管引入或引出電壓和電流，起到導電連接、絕緣隔離和機械連接的作用。作為載流導體的特高壓套管是保證系統(tǒng)安全運行的關鍵設備。
根據(jù)不同的應用場合，特高壓套管可分為特高壓交流變壓器套管、特高壓換流變壓器閥側(cè)套管、特高壓全封閉式組合電器(GIS)出線套管和特高壓直流穿墻套管等。其中，特高壓交流變壓器套管從變壓器油箱引出并連接輸電線路，是變壓器繞組引入或引出線的載電通道;特高壓換流變壓器閥側(cè)套管穿過換流閥廳，與換流閥連接，是換流變壓器閥側(cè)繞組的引入或引出線載電通道;特高壓GIS出線套管是GIS設備引出線的載電通道，用來安全連接輸電線路;特高壓直流穿墻套管是換流站電能送出的必經(jīng)通道，連接換流閥廳外直流輸電線路與換流閥廳內(nèi)換流閥的設備，引入或引出特高壓直流電。
在特高壓工程應用場合中，套管運行環(huán)境復雜，需要承受特高電壓、大電流、機械拉力、振動和大氣污染等方面的綜合工況。這對套管的電氣性能、機械性能、溫升控制、密封性能等提出較高要求。常規(guī)電壓等級套管的結(jié)構方案、絕緣材料和生產(chǎn)工藝等不能直接應用于特高壓套管。
特高壓套管國產(chǎn)化有哪些難點
國外廠家在特高壓套管的材料選擇、結(jié)構設計、制造工藝與生產(chǎn)技術方面較為成熟，對特高壓套管的研究與開發(fā)處于領先地位。
近20年，通過技術引進、消化吸收和再創(chuàng)新的發(fā)展歷程，國內(nèi)廠家能夠生產(chǎn)出超高壓、特高壓套管，形成了相對完整的套管產(chǎn)業(yè)鏈。2004年以來，我國相繼研制成功交流750千伏、交流1000千伏系統(tǒng)用油紙變壓器套管及直流±800千伏系統(tǒng)用膠浸紙換流變壓器閥側(cè)套管、直流±1100千伏系統(tǒng)用直流穿墻套管、交流1000千伏系統(tǒng)用純六氟化硫氣體絕緣穿墻套管、直流±1100千伏系統(tǒng)用膠浸紙換流變壓器閥側(cè)套管。這標志著我國已掌握特高壓套管部分關鍵技術，并具備了相應的生產(chǎn)能力。
但是，國內(nèi)套管廠家在特高壓套管的材料、設計、工藝等方面仍存在部分原創(chuàng)性技術薄弱問題，產(chǎn)品穩(wěn)定性和一致性有待提高。
套管的材料選取需要考慮材料的絕緣、化學、力學非線性問題，以及不同材料間的界面效應、空間電荷效應等。套管的結(jié)構設計需要充分考慮材料特性、生產(chǎn)工藝和現(xiàn)場安裝等多種因素，同時需滿足電氣機械應力、溫升和密封等要求。超長超大電容芯子、大型外護套和超長導電桿等部件則要確保加工質(zhì)量和整體裝配精度。這些材料和技術難點導致特高壓工程用套管關鍵技術成為我國特高壓工程的“卡脖子”技術。
新型特高壓套管技術如何實現(xiàn)突破
油紙?zhí)坠?、膠浸紙?zhí)坠芎图兞驓怏w套管是目前特高壓工程中應用較多的套管類型。然而，這些類型的套管在關鍵材料和生產(chǎn)工藝上依賴進口，且存在滲油、漏氣、吸潮等絕緣風險。膠浸纖維干式套管從原材料采購到生產(chǎn)工藝均為國產(chǎn)，且具有阻燃防爆、機械強度高、電氣性能穩(wěn)定、防潮、少維護等優(yōu)勢。
武漢南瑞于2016年成立了專業(yè)套管技術團隊，建立了膠浸纖維干式套管生產(chǎn)線，配備了完善的生產(chǎn)和試驗設備，并逐步掌握了膠浸纖維干式套管的材料特性、結(jié)構設計和生產(chǎn)工藝技術。目前，該公司已研制生產(chǎn)出126～550千伏變壓器套管、40.5～252千伏穿墻套管、145～252千伏GIS出線套管、±200～±400千伏換流變壓器閥側(cè)套管等膠浸纖維干式套管。但是，要想實現(xiàn)這類套管產(chǎn)品在特高壓工程中的應用，仍需要在結(jié)構設計、材料配方和生產(chǎn)工藝技術上進一步突破。
通過大量試驗數(shù)據(jù)對比，技術團隊提出了適用于特高壓套管的新型多基團分子改性膠浸纖維復合材料配方。該配方復合材料的電氣、機械和物理性能更優(yōu)。結(jié)合新復合材料特性，技術團隊有針對性地設計了特高壓穿墻套管的結(jié)構參數(shù)，解決了傳統(tǒng)套管尺寸受限導致的軸向及徑向場強分布不均、溫升過高、密封性差和機械強度不夠等問題，提出了可行的1200千伏特高壓交流膠浸纖維干式穿墻套管結(jié)構。
隨后，武漢南瑞優(yōu)化套管生產(chǎn)工藝，研發(fā)非真空環(huán)境下超長超大直徑套管芯體四軸纏繞和固化工藝，繞制完成套管芯體。裝配后的套管整機順利通過型式試驗，各項技術參數(shù)均滿足國標的要求。
今后，南瑞集團將繼續(xù)開展±800千伏換流變壓器閥側(cè)套管及直流穿墻套管、750千伏及以上電壓等級交流變壓器套管的研制，加速特高壓套管國產(chǎn)化進程。
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