对于出线装置机械强度及电气强度协同提升的技术探讨
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作者:高步林
摘 要：出线装置是变压器/电抗器的核心组件，由绝缘纸板、金属电极、成型件等多种部件通过复杂工艺制造而成，该产品长期依赖进口，国外对该技术严格封锁，无经验借鉴，研制难度极大。国务院发布的《中国制造2025》将其列为重点研发装备，项目依托国家科技支撑计划、火炬计划开展技术攻关。为满足出线装置对绝缘纸板、成型件的性能要求，解决出线装置机械性能与电气性能不能协同提高这一矛盾，本文提出了多浆料混合配方及其磨浆工艺、分时分段热压工艺，解决了高性能绝缘纸板的生产难题。提出了粘结剂新配方及配套热压工艺，提出了各向应力动态调整的生产方法，解决了成型件易变形、开裂的问题。
关键词：变压器出线装置 机械性能与电气性能 机电性能协同提升
超、特高压变压器/电抗器是电力系统的关键设备，其绝缘系统设计直接影响输变电设备的可靠性和经济性，其中绝缘出线装置连接线圈与套管，是输变电设备的核心绝缘导流子系统。自20世纪80年代初我国建成第一回500kV超高压输电工程以来，该类出线装置因技术难以突破，一直依赖进口。2006年以前，国内尚无法制造出具有足够机械强度、电气性能的绝缘纸板及成型件，无法满足超、特高压变压器出线装置的制造需求，为解决这一制约我国超、特高压技术发展的瓶颈，国家明确将“1000kV特高压交流和±800kV直流输变电成套设备的研制，全面掌握500kV交直流和750kV交流输变电关键设备制造技术”列为实现重点突破的主要任务，并在国务院发布的《中国制造2025》的战略任务和重点中明确，到2025年输变电设备等重大装备70%的核心基础零部件、关键基础材料实现自主保障，部分达到国际领先水平，逐步形成整机牵引和基础支撑协调互动的产业创新发展格局。
随着750kV、1000kV超特高压输电技术的发展，目前迫切需要攻克出线装置关键技术，支撑变压器/电抗器自主化研制，因此绝缘出线装置（见图1）项目被列入国家科技支撑计划、火炬计划，是《中国制造2025》重点研发课题。
多年的生产制造经验证明：绝缘出线装置制造涉及绝缘材料配方、成型工艺，出线装置绝缘与导流系统的电、磁、力多物理场协同优化和全工况等效试验验证。在出线装置制造过程中首先要攻克的难题是：出线装置由纸板、成型件和油构成，纸板成型件用来支撑导流体，机械强度要求高，需要加大纸板厚度和密度，但这样又会导致纸板对油的吸浸性变差，绝缘性能降低，因此机械性能和电气性能的不能协同提升这对矛盾一直困绕着我们的整个生产制造过程。
为解决这一矛盾我们进行了多年研究，探索出了如下方法并取得明显成效。
1 采用多浆料混合配方和磨浆工艺，调和密度与吸油性之间的矛盾
基于多浆种木浆纤维原始形态及磨浆后纤维形态的微观分析，通过近8年的研究，探索出了纸板中木浆纤维形态配合与纤维之间结合力、表观密度、吸油性的变化规律，提出了新型多浆种配方和磨浆工艺，使浆料中的纤维形态得到了有效的控制。其机理是：多浆料混合配方及磨浆工艺，增强了浆料中长纤维骨架支撑和短纤维填充作用，增大了纤维表面粗糙度，由此提高了纤维间结合力和纸板对油的吸浸性，即：新型浆料配方中，浆料的长纤维在纸板中起骨架支撑作用、短纤维起填充补缺作用，提高了纸板的密度;通过磨浆工艺，增大木浆纤维表面的粗糙度，提高纸浆纤维之间的结合力和纸板的吸油性，调和了密度与吸油性之间的矛盾，解决了厚纸板易分层的问题，我们研制生产的8mm厚绝缘纸板，较国产常规纸板，厚度增加60%，密度增加14%，吸浸性增加10%，从而实现了厚纸板的生产和电气性能与机械性能的协同提升（见图2）。
2 采用新的粘结剂新配方及其分时、分段热压工艺，实现协同提高
通过高分子改性试验研究，研制了新型粘结剂配方，提高了粘结剂对纸板的渗透性。同时根据粘接剂的性能参数制定了升温、缓压、保温、释放等分时、分段热压工艺曲线（见图3），提升了粘结剂的粘结强度和电气强度，从而实现了成型件压接面的电气和机械性能的协同提高（见图4）。
通过粘接剂新配方和压接工艺的应用，提高了纸板压接面的粘结强度与局部放电起始电压，与常规粘结剂相比，粘结强度增加10%，局部放电起始电压提高102%。
3 湿法成型件干燥定型中的压力、温度控制，实现协同提升
通过设计真空压力模具，结合全等压加压方法，使得湿纸坯内部纤维呈自锁状态。发明了全方位压力自动补偿夹具，使产品在干燥过程中始终处于均匀受力状态，同时提高了成型件紧度，提升了机械强度，并通过温度控制干燥成型，保证了湿法成型件纵、横向收缩率的一致性，解决了湿法成型件变形、开裂及尺寸精确控制等问题，最大收缩率较进口产品降低约17%，变形误差减小了33%，通过运用各向应力动态调整方法，解决了纸板成型件变形、开裂等问题，变形误差减小33%。从而实现了机械性能与电气性能的协同提升。
参考文献
[1] （瑞士）H.P.莫瑟，V.達欣登.“变压器绝缘纸板”[M].朱英洁，赵育文，译.辽宁：辽宁科学技术出版社，1997.
[2] 中国电工技术学会.油纸复合绝缘及变压器、换流变出线装置技术，2009.
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