硅材料在高压电气绝缘领域的应用

党镇平1 李西育2
　　（1. 西安高压电器研究院，西安710077；2. 西安西电高压套管有限公司，西安712044）
　　摘要：有机硅材料是化工新材料的重要组成部分，广泛应用于航空航天、电子信息、电力电气、建筑工程、新能源、汽车机械、铁道电气化等几乎所有工业领域和高新技术领域。我国有机硅在“十一五”期间取得显著成就，行业快速发展，产量、消费量年均增速均超过20%，远高于全球平均水平，总市值超过200 亿元，是全球有机硅产业发展的主要推动力。以有机硅材料为主的复合绝缘子在高压、超高压输电绝缘子中用量约占50%，在特高压线路中高达70%，同时在绝缘子中将无机硅和有机硅结合在一起使用。电网建设对有机硅材料的需求持续旺盛。
　　关键词：绝缘子；硅橡胶；电瓷；硅涂料
　　1 电力建设与特高压发展
　　近十年以来，我国电力发展异常迅猛，电力建设与特高压也面临新的机遇和挑战。据查，国家电网公司“十二五”期间规划投资15000 亿元，南方电网公司投资将超过5000 亿元，规划建设一个安全可靠的现代化大电网。“十二五”期间是中国特高压电网发展的重要阶段，除了规划建设“三华”（华北、华中、华东）、西北、东北三大同步电网，形成“三纵三横一环网”外，还将建成11 条特高压直流输电工程。未来5 年，特高压的投资金额有望达到5000 亿元。
　　电力和特高压建设的发展助推了绝缘子行业和硅材料产业的前进步伐。据统计，2010 年绝缘子行业工业总产值约为140 亿元，2011 年增长应不低于8%，其中含有机硅材料的产品增长幅度更大。同时得益于电气化铁路和城市轨道交通领域飞速发展的契机，绝缘子行业快速增长的一个崭新领域逐渐形成，硅材料的应用也越来越广泛。2 绝缘子产品与高压电气设备
　　2.1 输电线路绝缘子
　　目前，输电线路上使用的绝缘子主要有盘形悬式瓷绝缘子、盘形悬式玻璃绝缘子、高压线路柱式瓷绝缘子、棒形悬式复合绝缘子等种类。其中，线路柱式和棒形悬式复合绝缘子的使用量最大，广泛应用于各种等级电压系统。复合绝缘子具有结构紧凑、强度高、重量轻、弹性好、不易破碎、不易受人为破坏、优异的憎水性、不用清扫、泄漏距离长、不测零值、少维护和安装运输方便等优点，世界各地都已广泛应用，逐渐成为这个领域中的主流产品。
　　图1 1000kV 交流棒形悬式复合绝缘子
　　2.2 电站用绝缘子
　　电站用绝缘子主要有支柱绝缘子和空心绝缘子。
　　支柱绝缘子主要起电气绝缘和机械支撑作用， 可应用于隔离开关、母线支柱、电抗器、串补平台、特种变压器等电器设备。按主绝缘材料分为瓷支柱绝缘子、玻璃支柱绝缘子和复合支柱绝缘子三种。玻璃质支柱绝缘子主要是以叠锥体结构为代表，在中国市场尚未见到该类绝缘子的使用信息。瓷支柱绝缘子具有丰富的运行经验，良好的机电性能，伞形丰富。国内支柱瓷绝缘子的成型工艺分湿法成型和等静压干法成型。但瓷支柱绝缘子的污秽性能较差。复合支柱绝缘子机电性能优良、防污性能优异、重量轻、制造工艺筒单、直径和结构高度不易受制造工艺限制、灵活性强、散热性好、防爆性能优良和运行维护简便，该产品属于不可击穿型绝缘子。其独特的优点使传统瓷、玻璃绝缘子正在逐渐丧失市场的主导地位，并成为交直流系统用绝缘子新一代产品。
　　空心复合绝缘子主要和其它电器产品配合使用，作为整个产品的外绝缘或机械支撑，可应用于变压器、开关、互感器、电缆端子、避雷器等电器设备。按主绝缘材料分为复合空心绝缘子、瓷空心绝缘子。空心复合绝缘子具有良好的耐污性能、抗震性能，体积小、重量轻、安全可靠。空心复合绝缘子在超高压、特高压领域应用已经有了很大突破， 尤其是在直流输电项目中，显示出很多优势。
　　2.3 10kV 及以下等级绝缘子
　　图3 ±400kV 穿墙套管
　　10kV 及以下等级的绝缘子应用量大，涉及品种最多，其主要应用领域及特点表现在以下几个方面：
　　1. 智能化电站：智能化电站，就是将变电站调配、控制及保护功能智能化。当低压负荷量增加时， 变电站送出满足增加负荷量的电量，当低压负荷量减小时，变电站送出电量随之减少，确保节省能源。因此智能化电站为今后重点发展的领域。
　　2. 配电：配电是电力系统中直接与用户相连并向用户分配电能的环节，配电网的建设，将是此类绝缘子今后5 年中应用量最大的领域。
　　3. 城市化发展：近些年随着绝缘子产品的进步， 针对城市建设所需绝缘子已经从单纯的数量、占有率慢慢过渡到可靠性上，由于其安全可靠性逐步增强，也越来越多的应用于城市化发展建设。
　　图2 ±800kV 复合支柱绝缘子
　　图1 1000kV 交流棒形悬式复合绝缘子
　　图3 ±400kV 穿墙套管
　　4. 城市轨道交通：绝缘子广泛应用于电气化铁路的架空接触网，是高铁等先进轨道交通装备关键部件，与传统瓷和玻璃材料产品相比，复合绝缘子重量更轻，强度更大，可靠性更强。
　　5. 远程无线通讯、环保除尘等。
　　无机硅材料广泛存在于电瓷类产品，如普通瓷（SiO2 含量70% 左右）、高硅瓷（SiO2 含量75% 左右） 和铝质瓷（SiO2 含量50% 左右）。电瓷行业每年制瓷量约为30 万吨。
　　复合类（硅橡胶）产品：棒悬与支柱——环氧引拔棒，其玻璃纤维含量大于85%；空心复合绝缘子——绝缘管，其玻璃纤维含量大于80%。
　　3 硅橡胶材料
　　3.1 硅橡胶材料的应用
　　涂料：作为瓷或玻璃绝缘子提高耐污能力的一种方法，已广泛使用。尤其在一些重污秽地区取得了良好的运行效果。其缺点是寿命周期较短。
　　高温硫化硅橡胶（HTV）：在中国用量最大， 广泛使用于线路绝缘子和各种电站绝缘子，运行稳定可靠，同时具有耐污、耐蚀损、耐老化及成本低等优点，逐渐成为市场的主流产品。
液体硫化硅橡胶（LSR）：主要用于220kV 以上的空心绝缘子产品，目前性能指标均能满足市场要求，但价格偏高是限制其发展的一个重要因素。
　　室温硫化硅橡胶（RTV）：主要在低电压等级及特殊领域应用。
　　3.2 硅橡胶材料在绝缘子行业的应用机理
　　复合绝缘子属棒形绝缘子，它以玻璃纤维增强树脂引拔棒( 管) 作为内绝缘，硅橡胶制成的伞裙作为外绝缘，主要起电气绝缘和机械固定作用。下图是硅橡胶单体的分子式： R O CH3 CH3 m R2 p CH3 O CH3 n O CH3 R
　　传统绝缘子材料为瓷或玻璃，其表面呈亲水性， 耐污秽能力差，同时由于产品机械可靠性低、体积大、重量大，给安装、使用及维护带来了诸多不便。以硅橡胶材料为外绝缘的复合绝缘子产品有良好的憎水性及耐老化特性，同时配合其它合成材料制造的产品机械可靠性较高、体积小、重量轻，便于使用和维护。因此随着设计、材料配方与工艺的成熟， 其用量不断增加，应用范围也在不断扩展。
　　4 目前现状
　　4.1 目前的应用现状
　　线路复合绝缘子
　　下表为三种主要类型绝缘子所占比例变化情况，从表中可以看出，复合绝缘子近五年的占有率大幅提升。
　　目前整个绝缘子行业年生产量已超过500 万只。此数据是经过与瓷绝缘子和玻璃绝缘子数量对比后进行统计的。
瓷 玻璃 复合
绝缘子总量统计 35.32%  28.84%  35.84%
近五年绝缘子统计 23.05%  29.81%  41.14%
　　电站复合绝缘子
　　电站复合绝缘子目前刚开始大批量应用，正在开发更多的产品种类，实际应用数量不少、比例不大，其发展潜力巨大。
　　4.2 目前的技术现状
　　喷涂技术：随着硅橡胶涂料大量使用，喷涂正成为推广的重点技术。以前的喷涂主要在施工现场作业，比如电站，但随着其应用的增大，技术的成熟， 喷涂完全可以直接在工厂完成，因此自动化喷涂也成为了趋势。自动化喷涂作业生产效率高，具有工厂化制造优势、良好的憎水性、迁移性和自洁性等优点。
硅橡胶成型：早期由于质量和结构的限制，发展比较迟缓。早期的绝缘子有内楔式、外楔式和胶装式，目前的主流结构是压接式。目前在中国大量使用的是端头压接工艺，硅橡胶伞裙采用注射工艺。此工艺主要的优点是介面质量比较好，整个工艺比较稳定成熟。注射成型由中国西安电瓷研究所90 年代初开发并推广，目前最大直径产品的注射工艺技术、设备均出于中国。成型工艺的发展也带动了成型设备的长足发展，主要体现在注射机的大型化、密炼机（捏合机）和模具的规模化。大型化的HTV 硅橡胶注射机由中国主导，LSR(RTV) 硅橡胶注射机也正在中国推广并放大应用；密炼机则逐步引用到聚氨酯、硅橡胶领域，并深化推广。中国已制造出1.5m×1.5m× (2.5~5.5)m 的大型模具，是迄今为至世界上最大的注射模具。
　　老化寿命：中国主要通过实际运行及模拟试验方法对HTV、LSR、RTV 材料进行老化寿命研究。运行经验证明中国HTV 高温硅橡胶绝缘材料的使用寿命可定位为25 年以上，设计寿命30 年~50 年； RTV 的使用寿命5 年～ 10 年（使用寿命与结构设计有关）。硅橡胶材料老化的主要表现为：迁移性降低、憎水性降低、电蚀损、粉化、开裂、漏电起痕和硬化等。以前的评定方式注重粉化、开裂、漏电起痕和硬化等指标。而新的评定方式除了以上要求外， 更重视迁移性降低、憎水性降低、电蚀损等方面的指标，同时老化设计寿命也必须延至50 年。
　　硅橡胶材料老化的因素主要为电气和环境应力，包括电场强度、紫外线、潮气、化学侵蚀、生物侵蚀、风化、污秽和热应力等。对于不同的地区和不同的产品，应该有针对性地综合各种因素，分出什么因素是主因。这些因素对材料寿命的更深入影响目前还在进一步研究中。
　　产品标准：目前主要的产品标准体系有国际电工委员会（IEC）、国标GB、ISO 和美标等。其中由于研究及应用等因素影响，IEC 和GB 较强，ISO 和美标等较弱，中国比较常用的标准体系是IEC 和GB。通用的几个标准主要有：IEC 61109、IEC 61462 和IEC 62217。其中IEC 61109 从1992 年开始使用， 它主要针对线路绝缘子，这一标准是迄今为止技术上最成熟、经验最丰富的标准；IEC 61462 从1998 年开始使用，主要针对电器设备。 随着品种开发和完善，标准的体系也在不断的成熟完善。
　　5 瞻望
　　复合绝缘子拥有诸多优点，如耐污能力强、机械性能可靠、体积小和重量轻等，已经呈现出逐步替代瓷、玻璃绝缘子的趋势，用量和比例将会逐步加大。电力系统中特高压交、直流系统建设和电网智能化的发展，对设备可靠性和耐污性要求更高， 复合绝缘子在这些领域的优势是瓷绝缘子无法比的。特别是在直流工程应用领域，由于其具有维护成本低的巨大优势，其用量将会大量增加。随着国家城市化的发展，城市轨道交通、电气化铁路领域的应用也将逐步加大。
　　在技术研发上，复合绝缘子还有待在电站产品开发、寿命、结构设计配合和产品标准化应用方面做进一步的深度研究。产品开发及寿命方面需要着重于扩展产品种类研究、产品长期寿命研究、材料长期特性研究和特殊环境应用研究；结构设计方面则需要在产品可靠性、经济性、科学性上开展广泛研究；在标准化应用上，要注重工程设计标准化、产品系列化、设备标准化和工装模具标准化的研究。总之，应该在基础理论技术和制造技术方面开展深入研究，使得复合绝缘子产业能够健康、科学的强势发展