DQZHAN技術(shù)訊：絕緣管型母線的行業(yè)現(xiàn)狀分析及關(guān)鍵技術(shù)展望

摘要：絕緣管型母線作為一種新型的低壓側(cè)電流輸送設(shè)備，以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其近年來的使用量迅猛增長(zhǎng)，但該類設(shè)備應(yīng)用中頻繁發(fā)生的故障及其造成的**后果嚴(yán)重制約了進(jìn)一步推廣。通過對(duì)絕緣管型母線生產(chǎn)廠家、應(yīng)用方及相關(guān)文獻(xiàn)的廣泛調(diào)研，總結(jié)了該類設(shè)備行業(yè)現(xiàn)狀、設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)，分析了應(yīng)用中出現(xiàn)的典型故障，歸納了該類設(shè)備生產(chǎn)、應(yīng)用環(huán)節(jié)存在的共性問題，并據(jù)此展望解決上述問題所需開展研究的關(guān)鍵技術(shù)。絕緣管型母線的特性適用于各用電行業(yè)對(duì)低壓側(cè)電流輸送大容量、高**性和靈活性的需求;中國的該類設(shè)備的生產(chǎn)、應(yīng)用和研究尚屬起步階段，運(yùn)行中的常見故障暴露出行業(yè)對(duì)絕緣管型母線的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、運(yùn)行和全過程檢測(cè)等方面均存在不足，必須從技術(shù)水平和管理制度上尋求優(yōu)化產(chǎn)品和提高產(chǎn)品運(yùn)行可靠性的方法。

關(guān)鍵詞：絕緣管型母線 低壓輔助設(shè)備 大容量載流 行業(yè)現(xiàn)狀 故障分析 關(guān)鍵技術(shù)

引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)快速的增長(zhǎng)，企業(yè)、居民用電量呈直線上升。各電壓等級(jí)電力系統(tǒng)，大型光伏、風(fēng)電、核能發(fā)電工程、大型樓宇供電以及石油、冶金等工業(yè)應(yīng)用中的電能傳輸容量不斷增大[1]。此外，由于小動(dòng)物或其他異物接觸、惡劣環(huán)境影響等造成的變壓器低壓側(cè)短路故障頻發(fā)[2]，引發(fā)人們對(duì)低壓側(cè)匯流載流設(shè)備**性的關(guān)注。另外，發(fā)電廠電機(jī)出線、城市地下變電站及樓宇供電系統(tǒng)空間緊湊，對(duì)輸電線路制約嚴(yán)重[3]。在這些背景條件下，在發(fā)電機(jī)出口側(cè)、變電站內(nèi)35 kV及以下側(cè)以及樓宇供電系統(tǒng)使用的常規(guī)矩形母線、共箱封閉母線及電力電纜已無法適應(yīng)對(duì)低壓(6 kV~35 kV)載流裝置大容量、絕緣化和緊湊化的需求。在此現(xiàn)狀下，一種新型載流設(shè)備—絕緣管型母線(insulated tubular busbar)，得到了日益廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[4]。

絕緣管型母線是導(dǎo)體為銅或鋁質(zhì)金屬圓管外包絕緣的載流導(dǎo)線，絕緣外包有接地金屬屏蔽層。目前常見電壓等級(jí)為6~35 kV。相比傳統(tǒng)的載流設(shè)備，具有載流量大[5]、**、敷設(shè)方便、節(jié)省空間等突出優(yōu)勢(shì)。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅2014年全年，在國內(nèi)各類變電站專項(xiàng)應(yīng)用的絕緣管型母線年產(chǎn)值已超10億元。然而，近年來，國內(nèi)各行業(yè)使用的絕緣管型母線故障案例，見諸報(bào)道的就已遍及湖北、廣東、新疆等近十個(gè)省份的數(shù)十座變電站，其中有些甚至是在投運(yùn)后的一年質(zhì)保期內(nèi)連續(xù)發(fā)生多次故障[6-7]。

絕緣管型母線故障往往不僅會(huì)直接引發(fā)大面積停電，而且更會(huì)造成與其連接的變壓器、開關(guān)柜等主設(shè)備嚴(yán)重受損[8]，對(duì)供電**穩(wěn)定性及可靠性造成的影響惡劣。此外，該類設(shè)備難有通用備品備件，恢復(fù)供電周期長(zhǎng)。據(jù)了解，國內(nèi)多次發(fā)生鋼廠、變電站、工礦等用戶因絕緣管型母線故障導(dǎo)致失電停運(yùn)，有的甚至長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)月之久，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和極為**的社會(huì)影響。

為使該類設(shè)備更好地發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，必須從理論、技術(shù)、管理等方面提升該類設(shè)備質(zhì)量及運(yùn)行可靠性。本文介紹該種設(shè)備的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)特征，歸納其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和存在的問題，分析故障多發(fā)原因，總結(jié)共性問題，展望優(yōu)化絕緣管型母線性能、提升其運(yùn)行可靠性應(yīng)進(jìn)行的關(guān)鍵技術(shù)研究思路，供絕緣管型母線生產(chǎn)者、用戶及相關(guān)研究者參考。

1 行業(yè)發(fā)展

絕緣管型母線(設(shè)備外觀見圖1)在中國的發(fā)展相對(duì)于國際上起步較晚，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及安裝工藝、質(zhì)量檢測(cè)、運(yùn)行維護(hù)等全環(huán)節(jié)均與國際水平存在一定差距。

1.1 國際發(fā)展情況

國際上，絕緣管型母線的應(yīng)用起步較早，已經(jīng)發(fā)展超過30年，形成成熟的絕緣管型母線產(chǎn)品，主要以德國Preissinger有限公司的絕緣母線(ISOBUS)產(chǎn)品、瑞士雷茲互感器有限公司的SIS絕緣母線系統(tǒng)及德國MGC公司的環(huán)氧樹脂浸漬紙絕緣(resin impregnated paper，RIP)管型母線產(chǎn)品等為代表。其中，德國MGC公司率先將干式套管內(nèi)絕緣使用的環(huán)氧樹脂浸漬紙絕緣及電容屏均勻場(chǎng)強(qiáng)技術(shù)引入母線，制成絕緣管型母線。另兩家代表性公司及其他生產(chǎn)商的產(chǎn)品與之相比，都采用了相同的絕緣材料和固化工藝，只是在部分細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)和加工工藝上有所差別。這些絕緣管型母線目前已廣泛運(yùn)用于英國、德國、西班牙、美國、加拿大等歐美主流國家的相關(guān)電力應(yīng)用行業(yè)。產(chǎn)品在長(zhǎng)期掛網(wǎng)運(yùn)行中表現(xiàn)穩(wěn)定、可靠，很好地發(fā)揮了其**絕緣、載流能力強(qiáng)、排布緊湊節(jié)省空間且耐候性強(qiáng)等突出優(yōu)勢(shì)。這些產(chǎn)品的材料選取及應(yīng)用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝方案等都已基本成熟。

1.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

絕緣管型母線在中國的應(yīng)用起步較晚，自2004年至今，僅有十余年時(shí)間。但設(shè)備需求量穩(wěn)步增長(zhǎng)，應(yīng)用領(lǐng)域向電網(wǎng)、發(fā)電、石油、化工等行業(yè)**擴(kuò)展。尤其是中國人口密度大，用電區(qū)域集中，一直存在大容量輸送需求，使得35 kV及以下電壓等級(jí)下，電流輸送能力極強(qiáng)的絕緣管型母線有了極大的發(fā)展空間。

在此機(jī)遇下，中國的該類產(chǎn)品呈現(xiàn)出**性的多種型式和多種種類共同發(fā)展的態(tài)勢(shì)。按照行業(yè)公認(rèn)的絕緣工藝類型和材料進(jìn)行分類，目前主要有環(huán)氧樹脂浸漬紙絕緣澆注式、聚酯薄膜或聚四氟乙烯絕緣帶繞包式和聚乙烯、三元乙丙橡膠(EPDM)或硅橡膠絕緣擠包式等3種絕緣型式下至少6種類別的產(chǎn)品，如表1所示。

三大種類產(chǎn)品各自結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)流程差異明顯，各成一派。其中，澆注式產(chǎn)品在中國出現(xiàn)*早，采用的生產(chǎn)技術(shù)由歐洲廠家引進(jìn);后來，借鑒干式互感器、套管或中壓?jiǎn)涡窘^緣電纜和共箱母線的絕緣結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)技術(shù)，衍生出繞包式和擠包式2種類型的產(chǎn)品。

在以上大類別下，不同廠家在導(dǎo)體連接方式，中間連接處和端部的絕緣設(shè)計(jì)方面均有不同的型式結(jié)構(gòu)。

2 設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)及難點(diǎn)

絕緣管型母線雖然統(tǒng)一采用管狀銅質(zhì)或鋁質(zhì)導(dǎo)體，但絕緣型式各異。目前中國常見的絕緣管型母線分為澆注式、繞包式和擠包式。3種類型的管型母線具有各自顯著的絕緣結(jié)構(gòu)特征，且在絕緣性能、工藝難度等方面各有優(yōu)勢(shì)和難點(diǎn)。

2.1 澆注式絕緣管型母線

2.1.1 結(jié)構(gòu)特征

澆注式絕緣管型母線本體絕緣主要采用絕緣、半導(dǎo)電(粘性)電工皺紋紙帶纏繞，經(jīng)環(huán)氧樹脂真空浸漬，加溫固化，形成一體化固體絕緣。

在端部可以很方便地將半導(dǎo)電帶分層按一定尺寸纏繞主絕緣，形成類似套管中的電容屏結(jié)構(gòu)，達(dá)到控制場(chǎng)強(qiáng)分布，減少場(chǎng)強(qiáng)集中的效果。

澆注式絕緣管型母線接頭一般采用在導(dǎo)體連接外部外罩絕緣套筒的形式。套筒同樣是具有電容屏結(jié)構(gòu)的絕緣筒裝結(jié)構(gòu)，內(nèi)屏與導(dǎo)體連接等電位，外屏為接地導(dǎo)體。兩端與本體密封連接，如圖2所示。

2.1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)和難點(diǎn)

澆注式絕緣管型母線具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)環(huán)氧浸漬紙絕緣是一種絕緣紙與環(huán)氧樹脂的復(fù)合絕緣，導(dǎo)體、半導(dǎo)體層和絕緣紙經(jīng)加溫固化后，形成致密、緊實(shí)的一體化結(jié)構(gòu)，既具有絕緣紙和環(huán)氧的良好絕緣和介電性能，又具有良好機(jī)械特性。已證實(shí)該種結(jié)構(gòu)形式能有效保證至少在35 kV及以下電壓等級(jí)產(chǎn)品不發(fā)生內(nèi)部局部放電。(2)端部和套筒的電容屏結(jié)構(gòu)能夠有效控制場(chǎng)強(qiáng)，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，均壓結(jié)構(gòu)存在于絕緣內(nèi)部，均在工廠預(yù)制，可靠性較高。(3)絕緣套筒保障了設(shè)備在連接處依然保持全絕緣性能，提高了**性。

同時(shí)，其絕緣結(jié)構(gòu)和工藝也使得澆注式絕緣管型母線設(shè)備存在以下技術(shù)難點(diǎn)：(1)環(huán)氧材料本身較脆，特別是屏蔽筒，在運(yùn)輸、安裝中對(duì)防止跌落、撞擊的要求較高，同時(shí)需要考慮運(yùn)行中的振動(dòng)問題，以避免絕緣產(chǎn)生局部缺陷。(2)電容屏結(jié)構(gòu)必須合理設(shè)計(jì)，并在生產(chǎn)、安裝中確保尺寸，否則可能導(dǎo)致局部場(chǎng)強(qiáng)集中，危害絕緣。(3)生產(chǎn)澆注式絕緣管型母線需要大型真空澆注和加溫固化設(shè)備，設(shè)備尺寸限制了單根母線長(zhǎng)度(目前常規(guī)產(chǎn)品單根長(zhǎng)度8 m左右)，又因?yàn)槠渖a(chǎn)工藝復(fù)雜，該結(jié)構(gòu)絕緣管型母線生產(chǎn)難度更大，成本更高。

2.2 繞包式絕緣管型母線

2.2.1 絕緣形式及相關(guān)結(jié)構(gòu)

利用聚四氟乙烯帶或聚酯薄膜材料纏繞，層間涂抹硅油形成主絕緣層。其端部均壓結(jié)構(gòu)也可與澆注式一樣，應(yīng)在絕緣中纏入多層半導(dǎo)電(導(dǎo)電)材料，形成電容屏，均勻場(chǎng)強(qiáng)。繞包式絕緣管形母線中間接頭處存在多種技術(shù)方案。

其一，在接頭處將導(dǎo)體焊接成與本體等外徑的連接結(jié)構(gòu)，然后按照本體的導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層、電容屏層、絕緣屏蔽層和接地層逐層以纏繞方式恢復(fù)，并與所連接的兩段管型母線的端部結(jié)構(gòu)接續(xù)成一個(gè)整體的無縫式型式，如圖3所示。類似結(jié)構(gòu)在電力電纜中也有，但一般認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)繞制的絕緣由于絕緣界面、工藝等的影響，其許用場(chǎng)強(qiáng)可考慮設(shè)計(jì)為本體的一半[9-10]，因此這種等徑接續(xù)的方式只適用于絕緣裕度較大的低電壓等級(jí)絕緣管型母線。

其二，對(duì)高電壓等級(jí)的絕緣管型母線，可將中間接頭的絕緣做成與澆注式原理相同的屏蔽筒型式，以達(dá)到與澆注式相同效果。

此外，也有在導(dǎo)體連接處直接繞制增強(qiáng)絕緣的方法，但這樣表面并非零電位，因此并不推薦。

2.2.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)和難點(diǎn)

繞包式絕緣管型母線具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)繞包式絕緣管型母線生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，流程環(huán)節(jié)少，產(chǎn)能充足。(2)現(xiàn)場(chǎng)故障恢復(fù)簡(jiǎn)單，在故障點(diǎn)破開絕緣，逐層纏繞恢復(fù)絕緣結(jié)構(gòu)即可。

同時(shí)，繞包式絕緣管型母線設(shè)備存在以下技術(shù)難點(diǎn)：(1)聚四氟乙烯或聚酯薄膜本身性能優(yōu)異，但其絕緣性能決定于繞包過程中是否形成致密、緊實(shí)的多層結(jié)構(gòu)，而且現(xiàn)場(chǎng)安裝接頭時(shí)，更難控制質(zhì)量。只有通過嚴(yán)密的工藝手段才能保障其性能。包繞不夠緊實(shí)的產(chǎn)品，絕緣層間容易引入氣泡、潮氣，另外，壓緊力下降后，絕緣性能將嚴(yán)重下降，且更容易受潮氣入侵，引發(fā)沿絕緣層間表面的放電。這種情況下，其絕緣強(qiáng)度主要取決于絕緣結(jié)構(gòu)的特性而遠(yuǎn)低于材料本征擊穿強(qiáng)度。(2)繞包式設(shè)備生產(chǎn)起步要求低，大量廠家集中于生產(chǎn)該類型產(chǎn)品，導(dǎo)致該類設(shè)備質(zhì)量差異極大。僅有少量廠家采用機(jī)械纏繞的方式，并嚴(yán)格控制工藝過程，保障絕緣性能。

2.3 擠包式絕緣管型母線

2.3.1 絕緣形式和相關(guān)結(jié)構(gòu)

與電力電纜絕緣幾乎完全相同，利用橡塑材料(聚乙烯，硅橡膠、三元乙丙橡膠)原料呈粘稠的半流體狀性質(zhì)，通過擠包機(jī)在導(dǎo)體表面擠出內(nèi)半導(dǎo)電層、絕緣層和外半導(dǎo)電層。為保證半導(dǎo)電層與導(dǎo)電層結(jié)合緊密，生產(chǎn)中宜采用三層共擠工藝。

擠包式絕緣管型母線與其他絕緣型式設(shè)備*大不同在于擠包式中間接頭與終端中無法插入電容屏形成均壓結(jié)構(gòu)，而是通過預(yù)制件在地屏端部向外延伸形成喇叭口的應(yīng)力錐結(jié)構(gòu)，達(dá)到均勻場(chǎng)強(qiáng)的效果，如圖4所示。這一技術(shù)在電力電纜中發(fā)展已有較長(zhǎng)時(shí)間，可以直接借用。

2.3.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)和難點(diǎn)

擠包式絕緣管型母線的優(yōu)勢(shì)與電纜結(jié)構(gòu)相似，絕緣一體性較好、緊實(shí)，技術(shù)比較成熟，有電力電纜尤其是高電壓等級(jí)電力電纜生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的廠家能夠順利轉(zhuǎn)向生產(chǎn)擠包式絕緣管型母線。

絕緣管型母線的結(jié)構(gòu)特征也使得其設(shè)計(jì)生產(chǎn)存在如下難點(diǎn)。(1)絕緣管型母線為增大載流量，須擴(kuò)大管徑，此時(shí)，擠包時(shí)必須避免重力造成的絕緣偏心，這在絕緣尺寸整體半徑增大的條件下工藝難度更大，必須更為準(zhǔn)確地控制整個(gè)擠包圓周上的溫度和擠包速度均勻性。(2)擠包型絕緣管型母線的彎管段成型是其生產(chǎn)中的難點(diǎn)。先彎金屬管后擠包，由于現(xiàn)今的技術(shù)水平和設(shè)備限制，尚未有廠家實(shí)現(xiàn)。先擠包后彎管會(huì)使已成型的絕緣受拉伸和擠壓，一是彎曲半徑受很大限制，相當(dāng)于在絕緣上施加應(yīng)力，拉伸會(huì)減薄絕緣而擠壓可能導(dǎo)致氣隙產(chǎn)生;二是預(yù)應(yīng)力會(huì)降低材料的機(jī)械和性能。后者應(yīng)在彎曲過程中注意應(yīng)力的釋放。

3 典型性故障原因分析

本文搜集分析了絕緣管型母線近年來運(yùn)行中出現(xiàn)的典型故障，對(duì)具有共性的故障原因進(jìn)行分析和分類。

3.1 型式設(shè)計(jì)/生產(chǎn)工藝引入缺陷

絕緣管型母線采用固體絕緣，型式設(shè)計(jì)和生產(chǎn)難度較普通母線類設(shè)備大。其絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮場(chǎng)強(qiáng)的均勻、絕緣材料間界面強(qiáng)度以及使用中絕緣的防潮等問題;依據(jù)絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求選用長(zhǎng)期性能穩(wěn)定的絕緣材料;生產(chǎn)中應(yīng)控制絕緣成型工藝，避免引入毛刺、**、懸浮導(dǎo)體或氣泡等缺陷。目前該類設(shè)備在中國發(fā)展尚在起步階段，一些生產(chǎn)廠家對(duì)影響該類設(shè)備質(zhì)量和性能的關(guān)鍵點(diǎn)缺乏充分認(rèn)識(shí)，沒有足夠的設(shè)計(jì)能力和相應(yīng)制造水平，導(dǎo)致設(shè)備質(zhì)量存在問題。

山東某變電站服役不到2年的10 kV硅橡膠擠包絕緣管型母線，在正常運(yùn)行中的本體彎管處絕緣層擊穿，導(dǎo)致嚴(yán)重?zé)龤?，如圖5所示。

分析設(shè)備絕緣型式，為硅橡膠擠包型絕緣管型母線，但未采取三層共擠工藝，無內(nèi)屏蔽層，僅整體擠出絕緣層，并利用半導(dǎo)電帶材料手工纏繞外屏蔽層。無屏蔽層或屏蔽層制作工藝不佳，生產(chǎn)環(huán)節(jié)容易在絕緣材料和電極間引入氣隙、毛刺等缺陷。擠包式絕緣管型母線的彎管生產(chǎn)工藝為先在直線段上整體擠出絕緣層，再利用彎管機(jī)將導(dǎo)體和絕緣層以一定的彎曲半徑使其形變。即使彎管過程中絕緣未受機(jī)械損傷，彎管內(nèi)側(cè)絕緣受擠壓作用，易產(chǎn)生氣隙;彎管外側(cè)受拉伸作用，絕緣減薄，且相當(dāng)于絕緣中預(yù)施加了較大機(jī)械應(yīng)力，這也將使得彎管處絕緣性能下降。在長(zhǎng)期運(yùn)行中，在較低(相電壓約6 kV)電壓下，缺陷累積發(fā)展，造成擊穿。

目前，絕緣管型母線相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)逐步出臺(tái)，行業(yè)監(jiān)管也不斷加強(qiáng)。通過推薦合理的絕緣結(jié)構(gòu)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行充分、有效的型式試驗(yàn)檢驗(yàn)，將能夠有效甄別出質(zhì)量合格產(chǎn)品，從根源上減少該類故障出現(xiàn)的幾率。

3.2 安裝引入缺陷

與電力電纜類似，絕緣管型母線的接頭需要在現(xiàn)場(chǎng)安裝。因此其整體性能，特別是絕緣性能，與現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)節(jié)緊密相關(guān)。

對(duì)絕緣管型母線，安裝環(huán)節(jié)應(yīng)有完整的工藝流程。(1)由于該設(shè)備為長(zhǎng)線段、剛性安裝，其尺寸應(yīng)**控制。如控制不當(dāng)，可能造成母線(含絕緣)不同軸，接頭與本體位置與設(shè)計(jì)不符等問題，導(dǎo)致絕緣結(jié)構(gòu)不合理，局部場(chǎng)強(qiáng)集中，形成絕緣隱患。(2)安裝環(huán)節(jié)須采取保護(hù)措施，注意防塵、防潮，否則相較于工廠內(nèi)生產(chǎn)，安裝環(huán)節(jié)更易引入毛刺、**、懸浮導(dǎo)體、氣泡或絕緣受潮等缺陷。(3)應(yīng)按工藝要求做好設(shè)備密封等工作，以免在長(zhǎng)期運(yùn)行中影響設(shè)備性能。

湖北某110 kV變電站的10 kV澆注式絕緣管型母線在投運(yùn)不到10天，中間接頭處發(fā)生擊穿，引發(fā)低壓側(cè)線路大火。

該絕緣管型母線接頭處為軟連接外套，如圖6所示的絕緣屏蔽筒的形式，其連接處均壓結(jié)構(gòu)由母線本體端部和屏蔽筒內(nèi)的電容屏共同構(gòu)成。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，故障母線屏蔽筒與本體段的配合因錯(cuò)位而產(chǎn)生不同程度的傾斜，這將導(dǎo)致以下問題。(1)本體及屏蔽筒之間可能形成縫隙導(dǎo)致密封不嚴(yán)，潮氣甚至雨水可能直接進(jìn)入屏蔽筒;(2)屏蔽筒的移動(dòng)導(dǎo)致電極位置發(fā)生偏移，電場(chǎng)分布與設(shè)計(jì)的正常分布相比，發(fā)生畸變，這將使得部分絕緣承受超出設(shè)計(jì)值的電場(chǎng)作用，而在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生缺陷并發(fā)展為故障。

為減少該類故障，須從規(guī)范安裝流程及監(jiān)督管理制度和開展有針對(duì)性的現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)兩方面同步著手，確保安裝環(huán)節(jié)工藝到位。

3.3 運(yùn)行過程中產(chǎn)生缺陷

絕緣管型母線本身是免維護(hù)設(shè)備，一方面，**的運(yùn)行環(huán)境也有可能導(dǎo)致設(shè)備在運(yùn)行中產(chǎn)生缺陷，主要是受潮、機(jī)械損傷以及過熱、過電壓造成的局部絕緣損壞;另一方面，固體絕緣不可避免地存在正常老化和局部薄弱處，正常運(yùn)行中也可能出現(xiàn)缺陷，主要是局部絕緣電擊穿等絕緣損壞。

陜西某35 kV繞包式絕緣管型母線服役7個(gè)月，本體端頭絕緣層擊穿，造成嚴(yán)重?zé)龤?。?jīng)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，故障母線端部有受潮跡象。造成受潮的原因有：一是該地區(qū)季節(jié)間和晝夜溫差變化很大，絕緣母線護(hù)套材料耐候性不滿足要求，運(yùn)行過程中反復(fù)出現(xiàn)熱脹冷縮導(dǎo)致開裂、形變，造成密封性下降;二是母線端部為豎直段，接地線從護(hù)套層引出，引出點(diǎn)密封**，易使潮氣甚至雨水進(jìn)入。

聚四氟乙烯材料本身不易受潮，且性能不受潮氣影響，但其纏繞結(jié)構(gòu)使得水分能夠深入絕緣帶層間。另外，端部絕緣層間除了承受徑向垂直場(chǎng)強(qiáng)作用外，還承受軸向水平方向電場(chǎng)作用。上述因素使得繞包式絕緣的層間易發(fā)生沿面放電。圖7所示的是一起典型的繞包式絕緣層間放電類故障，在接地屏端部發(fā)現(xiàn)了沿聚四氟乙烯面表面發(fā)展的樹狀放電痕跡。若這種放電發(fā)展至貫穿電極，將造成擊穿。

要避免該類故障，需要長(zhǎng)期積累設(shè)備運(yùn)行性能相關(guān)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，一方面尋求在設(shè)備運(yùn)行工況的電、熱、機(jī)械作用和環(huán)境因素綜合作用影響下，提高設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行性能的方法;另一方面，規(guī)范設(shè)備運(yùn)維方法及運(yùn)行中檢測(cè)手段，掌握設(shè)備的綜合服役狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中產(chǎn)生的缺陷，從而避免故障的發(fā)生。

4 行業(yè)現(xiàn)階段共性問題

中國絕緣管型母線產(chǎn)品種類眾多，不同種類設(shè)備具有不同的技術(shù)特點(diǎn)及難點(diǎn)，使得絕緣管型母線行業(yè)面臨全新的問題和不同的技術(shù)需求。典型故障原因反映出現(xiàn)階段存在一些共性問題，歸納這些共性問題將有助于找到有效解決途徑。

4.1 設(shè)備生產(chǎn)商能力問題

(1)產(chǎn)品型式設(shè)計(jì)能力問題：目前，國內(nèi)絕緣管型母線產(chǎn)品種類繁多，并非所有生產(chǎn)商都具有相應(yīng)的能力和經(jīng)驗(yàn)。應(yīng)加強(qiáng)行業(yè)交流，規(guī)范設(shè)備型式，提出統(tǒng)一有效的指標(biāo)依據(jù)和設(shè)計(jì)要素。

(2)生產(chǎn)能力問題：一些廠家缺少完整的工藝文件，生產(chǎn)中憑經(jīng)驗(yàn)、靠感覺，部分應(yīng)由機(jī)械操作的工藝環(huán)節(jié)僅靠手工完成，給設(shè)備**可靠性造成隱患。應(yīng)有完整的工藝控制文件和符合工藝要求的工裝、設(shè)備從而保障產(chǎn)品性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(3)全制造行業(yè)產(chǎn)品自我完善能力問題：故障發(fā)生后，不能簡(jiǎn)單地更換產(chǎn)品，而應(yīng)從理論和技術(shù)方面深入分析故障的原因，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行完善和提升，防范事故重復(fù)發(fā)生。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)能力問題

由于絕緣管型母線是低壓輔助類設(shè)備，各界缺乏重視，對(duì)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，缺乏統(tǒng)一的行業(yè)限定;對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量缺乏公認(rèn)的考核標(biāo)準(zhǔn)。這使得有關(guān)部門有心對(duì)行業(yè)和設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)管卻缺乏統(tǒng)一公認(rèn)的、具有科學(xué)研究支撐的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范作為依據(jù)。

同樣，在檢測(cè)方面也存在以下問題：(1)缺乏可以有效檢驗(yàn)絕緣管型母線質(zhì)量特別是長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性的型式試驗(yàn)方法。(2)缺乏檢驗(yàn)設(shè)備生產(chǎn)、安裝質(zhì)量的生產(chǎn)過程檢驗(yàn)、出廠試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)方法和手段。(3)缺乏運(yùn)維狀態(tài)檢測(cè)手段和評(píng)價(jià)依據(jù)。

目前，中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)、中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)、國家電網(wǎng)公司等正在出臺(tái)基于絕緣管型母線的體系化研究成果的有關(guān)設(shè)備型式結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標(biāo)及其檢測(cè)方法、交接驗(yàn)收直至運(yùn)行維護(hù)、狀態(tài)檢測(cè)等全環(huán)節(jié)的系列化標(biāo)準(zhǔn)。推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，并在實(shí)施過程中不斷完善標(biāo)準(zhǔn)，將使得檢測(cè)暴露出來的問題被有效解決。

4.3 體系化理論基礎(chǔ)研究問題

該類設(shè)備在國外技術(shù)較為單一且成熟，公開可查的文獻(xiàn)材料少有見到。僅見2017年俄羅斯西伯利亞聯(lián)邦大學(xué)Egor Moskvichev等開展的環(huán)氧浸漬類絕緣管型母線機(jī)械強(qiáng)度特性研究[11]。

而在國內(nèi)，該類設(shè)備品種眾多，且在應(yīng)用中出現(xiàn)大量問題，因此已引起部分研究者關(guān)注，并在以下方面開展了一定程度的研究工作。

材料基礎(chǔ)特性及其工藝方面：文獻(xiàn)[12]研究了不同制備工藝和結(jié)構(gòu)特性對(duì)微孔聚四氟乙烯(PTFE)電纜絕緣材料電氣性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)制備工藝改變會(huì)導(dǎo)致PTFE的結(jié)晶度、力學(xué)性能、介電強(qiáng)度發(fā)生變化，進(jìn)而影響其使用壽命。文獻(xiàn)[13]研究不同摻雜配比的PTFE試樣時(shí)，發(fā)現(xiàn)材料的配比能夠極大地影響聚合物內(nèi)空間電荷的積聚特性，進(jìn)而影響其電氣性能。文獻(xiàn)[14]在研究環(huán)氧樹脂機(jī)械特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同配比的環(huán)氧樹脂斷裂截面明顯不同，而且溫度對(duì)不同配比環(huán)氧樹脂的影響也不相同。文獻(xiàn)[15]研究了用于絕緣管型母線主絕緣的環(huán)氧樹脂在熱老化環(huán)境下的力學(xué)特性，結(jié)果表明在熱老化作用下環(huán)氧樹脂抗拉強(qiáng)度基本呈線性下降，且老化過程中脆性斷裂的概率增加。

缺陷發(fā)展及其表征方面：文獻(xiàn)[16]總結(jié)了聚四氟乙烯絕緣帶繞包式絕緣管型母線的局部放電典型故障，同時(shí)進(jìn)行了聚四氟乙烯材料的電、熱聯(lián)合老化試驗(yàn)，研究老化對(duì)材料擊穿電壓和介電特性的影響;中國電力科學(xué)研究院從現(xiàn)場(chǎng)使用適用性的角度出發(fā)，對(duì)可能用于絕緣管型母線的檢測(cè)狀態(tài)量和指標(biāo)進(jìn)行了分析研究。

安裝工藝方面：文獻(xiàn)[17]在研究管型母線安裝過程工藝時(shí)指出，彎曲擾度、軸向偏移等控制量十分重要，安裝過程中需要特別注意。

檢測(cè)手段方面：文獻(xiàn)[18]研究絕緣管型母線接頭處局部放電特性時(shí)指出，管型母線的接頭是一個(gè)易出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)，其關(guān)于接頭局部放電的研究結(jié)果為絕緣管型母線接頭處沿面放電的早期檢測(cè)提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[19]采用局部放電檢測(cè)中的超聲波檢測(cè)法和超高頻檢測(cè)法對(duì)全絕緣管型母線局部放電進(jìn)行檢測(cè)和分析診斷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過綜合運(yùn)用這兩種方法可以提高局部放電測(cè)試的效率。文獻(xiàn)[20]得到了聚四氟乙烯繞包類設(shè)備缺陷的局部放電圖譜典型特征。文獻(xiàn)[21]和文獻(xiàn)[22]則根據(jù)特定的檢測(cè)方法得出設(shè)備在運(yùn)維過程中的狀態(tài)評(píng)估方法和運(yùn)維建議。

這些研究都對(duì)了解絕緣管型母線的材料特點(diǎn)、典型放電性缺陷及其發(fā)展、部分工藝要點(diǎn)和檢測(cè)方法等方面起到了很大的推動(dòng)作用。然而，科學(xué)構(gòu)建該類設(shè)備相關(guān)問題研究體系，才能在根本上從提升設(shè)備質(zhì)量和增強(qiáng)設(shè)備性能檢測(cè)兩方面遏制事故頻發(fā)現(xiàn)狀，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。

5 研究展望

結(jié)合絕緣管型母線本身絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的普遍問題，本文認(rèn)為：必須圍繞絕緣管型母線在材料選取、絕緣設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)及運(yùn)行維護(hù)等全過程，從技術(shù)問題和管理問題兩個(gè)層面開展體系化研究工作，才能找出目前設(shè)備故障多發(fā)的根本性解決方法，提高產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定性，并推動(dòng)該類設(shè)備向更高電壓等級(jí)及更廣泛應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。

5.1 技術(shù)問題研究

5.1.1 絕緣管型母線性能優(yōu)化及檢測(cè)能力提升的基礎(chǔ)研究

主要是絕緣結(jié)構(gòu)缺陷的影響因素及其發(fā)展的研究。歸納絕緣管型母線在原材料、生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝及運(yùn)行中產(chǎn)生的多發(fā)性缺陷種類，研究其受電、熱、機(jī)械及環(huán)境因素作用下發(fā)展的過程特性及其在絕緣管型母線服役特征參量上的相應(yīng)變化。一方面，支撐改進(jìn)工藝，控制缺陷;另一方面，為在運(yùn)行中選取相應(yīng)的試驗(yàn)方法，檢測(cè)缺陷種類和影響程度提供理論依據(jù)。

5.1.2 絕緣管型母線體系化設(shè)計(jì)方法的研究

**分析絕緣管型母線的材料、結(jié)構(gòu)、工藝條件及應(yīng)用環(huán)境等條件，建立完整的絕緣管型母線設(shè)計(jì)體系，體現(xiàn)設(shè)備特征，對(duì)關(guān)鍵尺寸、參數(shù)以及生產(chǎn)過程中須要達(dá)到的工藝要求進(jìn)行**、科學(xué)的設(shè)計(jì)。使得設(shè)備的設(shè)計(jì)有章可循，同時(shí)能順利向更高電壓等級(jí)、更廣應(yīng)用領(lǐng)域升級(jí)。

5.1.3 基于多維服役狀態(tài)特征參數(shù)的絕緣管型母線服役狀態(tài)綜合評(píng)估技術(shù)研究

在分別研究不同缺陷的發(fā)展特性及其宏觀服役狀態(tài)參數(shù)表征的研究基礎(chǔ)上，建立兩者間的交叉對(duì)應(yīng)管理，利用運(yùn)行中測(cè)得的多種服役參數(shù)，綜合分析判斷是否有缺陷，缺陷的種類及其發(fā)展程度，從而綜合判斷絕緣管型母線的服役狀態(tài)，為設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)提供指導(dǎo)。

5.1.4 絕緣管型母線服役狀態(tài)關(guān)鍵特征參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

為進(jìn)一步提高絕緣母線運(yùn)維水平，應(yīng)基于多維服役狀態(tài)特征參數(shù)的絕緣管型母線服役狀態(tài)綜合評(píng)估技術(shù)研究成果，利用帶電檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)絕緣管型母線服役狀態(tài)關(guān)鍵特征參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

5.2 管理問題研究

隨著絕緣管型母線在中國各行業(yè)的推廣應(yīng)用，絕緣管型母線行業(yè)管理當(dāng)下*重要的任務(wù)是編制絕緣管型母線系列標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)有效解決當(dāng)前絕緣管型母線在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料選型、生產(chǎn)管控、性能檢測(cè)、建設(shè)施工、日常運(yùn)維、狀態(tài)檢測(cè)等全過程缺乏技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可供依據(jù)的難題，為*大限度地發(fā)揮絕緣管型母線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)提供堅(jiān)強(qiáng)保障，具有重要意義。

目前，部分廠家在產(chǎn)品全工藝過程的管控，部分運(yùn)行維護(hù)單位對(duì)設(shè)備的交接、運(yùn)行等環(huán)節(jié)均積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，與之相關(guān)的研究也正在進(jìn)行，以這些工作的成果為基礎(chǔ)，建立該類設(shè)備系列化標(biāo)準(zhǔn)體系的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。

6 結(jié)論

本文著重分析了絕緣管型母線在中國的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)和存在問題，并在此基礎(chǔ)上提出了絕緣管型母線當(dāng)下發(fā)展亟待解決的多項(xiàng)問題。主要有以下結(jié)論。

(1)中國絕緣管型母線設(shè)備起步較國外晚，目前行業(yè)尚處在發(fā)展初期，但設(shè)備種類繁多。

(2)絕緣管型母線主要有澆注、繞包和擠包3類，不同種類的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝控制關(guān)鍵點(diǎn)差異甚大，技術(shù)特點(diǎn)各有其突出優(yōu)勢(shì)和不足之處，生產(chǎn)、使用中應(yīng)揚(yáng)長(zhǎng)避短。

(3)絕緣管型母線故障頻發(fā)，暴露出設(shè)備在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、運(yùn)行和全過程檢測(cè)中均存在問題之處且目前的研究基礎(chǔ)不足以支撐解決存在的問題。

(4)為提高絕緣管型母線設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，應(yīng)從技術(shù)問題和管理問題兩方面著手開展研究，以研究該類設(shè)備材料可能產(chǎn)生的缺陷的發(fā)展特性和檢測(cè)方法為科學(xué)依據(jù)，在技術(shù)上建立該類設(shè)備的綜合設(shè)計(jì)體系，在運(yùn)行中建立設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法體系，研發(fā)帶電檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)在管理層面建立圍繞設(shè)備生產(chǎn)、安裝、交接驗(yàn)收及運(yùn)行維護(hù)全環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)體系，為設(shè)備質(zhì)量監(jiān)管提供依據(jù)。

作者：阮羚 , 劉睿 , 趙健康 , 許志斌 , 楊帆 , 朱思瑞 , 李文佩  

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