研發(fā)新型氮化硅陶瓷材料增強(qiáng)特高壓設(shè)備可靠性

發(fā)布日期：2023-03-14 瀏覽次數(shù)：3069

我國(guó)能源稟賦與能源需求呈逆向分布，形成“西電東送、北電南供”的局面。特高壓直流輸電工程在電能遠(yuǎn)距離、大容量傳輸方面發(fā)揮著重要作用。隨著直流輸電系統(tǒng)電壓等級(jí)的提高、輸送容量的增大，設(shè)備內(nèi)部的電、熱、力學(xué)工況應(yīng)力逐漸增大，對(duì)電工材料的性能提出了更高要求。

氮化硅陶瓷材料在特高壓直流設(shè)備中應(yīng)用潛力巨大

特高壓直流六氟化硫氣體內(nèi)絕緣穿墻套管作為特高壓換流站的核心設(shè)備之一，發(fā)揮著連接換流閥廳內(nèi)部和戶外高壓電氣設(shè)備的重要作用。在特高壓直流六氟化硫氣體內(nèi)絕緣穿墻套管內(nèi)部，支柱絕緣子是最為關(guān)鍵的絕緣結(jié)構(gòu)，起到支撐高壓導(dǎo)桿、減小套管內(nèi)部電場(chǎng)畸變的作用。在實(shí)際運(yùn)行中，高壓導(dǎo)桿不僅承受高達(dá)±800千伏及以上的電壓，而且內(nèi)部通有3150～6300安的直流大電流，最高溫度可達(dá)115攝氏度。支柱絕緣子的上下部之間存在75～85攝氏度的溫度差，電效應(yīng)和熱效應(yīng)都較為顯著。與六氟化硫氣體的絕緣強(qiáng)度相比，支柱絕緣子的表面絕緣強(qiáng)度較低，容易發(fā)生沿面閃絡(luò)，是套管內(nèi)部的絕緣薄弱點(diǎn)。

類似的情況還發(fā)生在氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）以及氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（GIS）等電氣設(shè)備中。其共同點(diǎn)在于支柱絕緣子要長(zhǎng)期經(jīng)受強(qiáng)電場(chǎng)、大溫度梯度以及六氟化硫氣氛等多因素耦合作用，傳統(tǒng)支柱絕緣用材料易發(fā)生本征特性劣化，造成絕緣性能下降，引發(fā)沿面閃絡(luò)，影響電氣設(shè)備安全運(yùn)行。因此，研發(fā)能夠提升特高壓直流六氟化硫氣體內(nèi)絕緣電氣設(shè)備可靠性的新型支柱絕緣子材料具有重要意義。

陶瓷材料作為一種無(wú)機(jī)非金屬材料，具有高機(jī)械強(qiáng)度、高耐久性、低熱膨脹系數(shù)等性能優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備外絕緣領(lǐng)域。傳統(tǒng)外絕緣陶瓷材料主要由石英、長(zhǎng)石、黏土等原料燒結(jié)而成，在特高壓直流六氟化硫氣體內(nèi)絕緣電氣設(shè)備中，絕緣性能和耐腐蝕性能方面無(wú)法滿足應(yīng)用要求。解決這一問題，需要從種類繁多、絕緣特性相差懸殊的陶瓷材料配方體系中選出表面絕緣強(qiáng)度高、與六氟化硫氣體相容性強(qiáng)的高性能陶瓷基礎(chǔ)材料體系。氮化硅陶瓷材料是一種由硅氮元素以共價(jià)鍵結(jié)合的化合物，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、絕緣性能、溫度穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性能，是結(jié)構(gòu)陶瓷家族中綜合性能最為優(yōu)異的一類，在特高壓直流六氟化硫氣體內(nèi)絕緣電氣設(shè)備中應(yīng)用潛力巨大。

研發(fā)新型支柱材料，優(yōu)化支柱結(jié)構(gòu)模型

自2018年起，國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司聯(lián)合華北電力大學(xué)、中材高新材料股份有限公司成立研發(fā)團(tuán)隊(duì)，開展特高壓直流六氟化硫氣體內(nèi)絕緣電氣設(shè)備用氮化硅陶瓷材料研究。

高致密度、高耐腐蝕性、高絕緣強(qiáng)度及優(yōu)良的表面電荷特性是氮化硅陶瓷材料應(yīng)用于特高壓氣體內(nèi)絕緣環(huán)境的決定性因素。為實(shí)現(xiàn)氮化硅陶瓷材料力-電性能的協(xié)同調(diào)控，項(xiàng)目組從原材料、配方體系、制備工藝等角度出發(fā)，采用高純度、亞微米級(jí)氮化硅粉體，通過摻雜釔、鉍等稀土功能離子和鎂、鋁金屬氧化物燒結(jié)助劑，優(yōu)化氮化硅陶瓷材料配方體系，并調(diào)控陶瓷材料的晶格、晶界及缺陷結(jié)構(gòu)。

在優(yōu)選的氮化硅陶瓷配方體系基礎(chǔ)上，研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用先進(jìn)的熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)，制備得到了高致密度氮化硅陶瓷材料。研發(fā)團(tuán)隊(duì)模擬特高壓氣體內(nèi)絕緣運(yùn)行環(huán)境，驗(yàn)證了氮化硅陶瓷材料的服役可靠性。與傳統(tǒng)材料相比，新型氮化硅陶瓷材料在強(qiáng)電場(chǎng)、大溫度梯度、六氟化硫氣氛環(huán)境下的機(jī)械強(qiáng)度、電阻率-溫度變化特性、表面電荷積聚特性及耐腐蝕性等方面均展現(xiàn)出性能優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)的突破為提升氣體內(nèi)支柱絕緣子材料的可靠性提供了新的解決方案。

為優(yōu)化支柱絕緣子結(jié)構(gòu)，2020年，國(guó)網(wǎng)智研院、華北電力大學(xué)、中材高新材料股份有限公司、阿爾斯通意大利公司密切溝通、協(xié)同創(chuàng)新，針對(duì)氣體內(nèi)支柱絕緣子主體結(jié)構(gòu)開展設(shè)計(jì)研究。為滿足±800千伏特高壓直流穿墻套管運(yùn)行工況的支柱絕緣子應(yīng)用要求，研發(fā)團(tuán)隊(duì)將氮化硅材料特性與生產(chǎn)裝配工藝的各項(xiàng)要求融合到陶瓷支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提出了多種不同類型、不同尺寸的氮化硅陶瓷支柱絕緣子模型整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并采用多個(gè)軟件進(jìn)行建模仿真，計(jì)算陶瓷支柱絕緣子在電場(chǎng)、電-熱耦合場(chǎng)、電-熱-流體耦合場(chǎng)的服役可靠性。研發(fā)團(tuán)隊(duì)調(diào)整陶瓷支柱外形輪廓尺寸，并采用縮比模型進(jìn)行性能驗(yàn)證，最終確定采用“啤酒瓶”形狀的支柱。這種構(gòu)型加工難度小，機(jī)械應(yīng)力小，電場(chǎng)分布最優(yōu)。該新型氮化硅陶瓷支柱與阿爾斯通公司傳統(tǒng)支柱相比體積減小50.9%，在電、熱、機(jī)械等各項(xiàng)指標(biāo)上均優(yōu)于阿爾斯通公司傳統(tǒng)支柱。最后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)基于設(shè)計(jì)的氮化硅陶瓷支柱，優(yōu)化設(shè)計(jì)適配的底部及頂部金具，使支柱絕緣子及配套組件外形結(jié)構(gòu)與特高壓直流六氟化硫氣體內(nèi)絕緣穿墻套管內(nèi)部結(jié)構(gòu)匹配。

首支國(guó)產(chǎn)陶瓷支柱套管應(yīng)用于特高壓直流工程

經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，國(guó)網(wǎng)智研院、華北電力大學(xué)在2020年確定了±800千伏特高壓直流六氟化硫氣體內(nèi)絕緣穿墻套管陶瓷支柱絕緣子設(shè)計(jì)方案。該陶瓷支柱絕緣子在中材高新材料股份有限公司生產(chǎn)制造，在山東電工電氣集團(tuán)有限公司完成與套管的裝配。安裝有自主研發(fā)設(shè)計(jì)陶瓷支柱絕緣子的±800千伏特高壓直流六氟化硫氣體內(nèi)絕緣穿墻套管在意大利GE Grid Solutions高壓實(shí)驗(yàn)室根據(jù)《直流應(yīng)用套管》（IEC/IEEE 65700-2014）、《1000伏以上交流電壓用絕緣套管》（IEC 60137-2017）標(biāo)準(zhǔn)開展型式試驗(yàn)，順利通過15項(xiàng)試驗(yàn)。這些試驗(yàn)完整考核了陶瓷支柱絕緣子在多電壓類型下的沿面絕緣強(qiáng)度、局部放電水平及機(jī)械特性。

2021年，裝配有新型陶瓷支柱絕緣子的特高壓直流穿墻套管應(yīng)用于±800千伏陜北—武漢特高壓直流工程武漢換流站。目前，該套管已安全運(yùn)行滿兩年。

該技術(shù)成果攻克了高場(chǎng)強(qiáng)、大溫度梯度、六氟化硫氣氛等條件下支柱絕緣子材料的閃絡(luò)難題，實(shí)現(xiàn)了氮化硅陶瓷材料在特高壓氣體內(nèi)絕緣領(lǐng)域的安全可靠應(yīng)用，提升了特高壓設(shè)備的安全可靠性，對(duì)新型陶瓷材料應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展以及特高壓工程的示范引領(lǐng)具有重大意義。（盧理成侯東姬軍）

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