全絕緣澆注母線在10 kV母線連接中的性能研究

雷翔勝，王彥峰

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510080）

從最初的裸母線、金屬母線到封閉母線，母線的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段。封閉母線常見(jiàn)的類型主要有離相母線和共箱母線2種，能夠克服一般裸母線導(dǎo)體完全裸露導(dǎo)致的溫度過(guò)高、受潮、灰塵引發(fā)絕緣性不佳等問(wèn)題。然而，隨著應(yīng)用程度的加深，封閉母線也逐漸暴露出易老化受潮、封閉性隨使用時(shí)間提升而下降等不良現(xiàn)象，需要研發(fā)性能更為優(yōu)異的全絕緣澆注母線進(jìn)行代替[1-4]。全絕緣澆注母線是一種新型固體絕緣母線，耐壓可達(dá)5 000 V以上。全絕緣澆注母線復(fù)合絕緣材料具有優(yōu)越的電氣絕緣性能、機(jī)械性能及良好的散熱性能，且防水、防火、防爆、防腐蝕，產(chǎn)品尺寸較小，布置相對(duì)靈活，可有效地解決母線橋布置和電纜的電容電流的問(wèn)題。本文針對(duì)全絕緣澆注母線進(jìn)行10 kV母線段連接時(shí)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，通過(guò)與傳統(tǒng)封閉母線進(jìn)行對(duì)比，挖掘全絕緣澆注母線應(yīng)用缺陷，并針對(duì)這一缺陷進(jìn)行優(yōu)化。

1 全絕緣澆注母線及其性能優(yōu)勢(shì)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

某型號(hào)典型全絕緣澆注母線結(jié)構(gòu)如圖1所示。該全絕緣澆注母線主要由母線導(dǎo)體、絕緣材料、澆注模具等組成。母線導(dǎo)體一般采用銅排或鋁排，三相導(dǎo)體外表面采用絕緣性能十分良好的復(fù)合絕緣材料澆注而成；復(fù)合絕緣材料則通常以環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料為基體，混合石英砂等惰性無(wú)機(jī)礦物材質(zhì)，按特定配方及工藝要求精確配制整體澆注成型；澆注模具為母線連接時(shí)提供進(jìn)行材料澆注成型的環(huán)境，連接完成以后通常會(huì)做拆除處理。

圖1 典型全絕緣澆注母線結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical fully insulated casting bus structure

1.2 性能優(yōu)勢(shì)

（1）卓越的“四防”性能。全絕緣澆注母線的“四防”性能主要指防火、防水、防腐以及防爆[5-7]。全絕緣澆注母線中的復(fù)合絕緣材料具有不易燃燒且能夠?qū)崿F(xiàn)自熄等優(yōu)勢(shì)，且材料自身低煙、無(wú)毒，能夠滿足75 ℃條件下長(zhǎng)達(dá)3 h的燃燒試驗(yàn)。卓越的防火性能，能夠幫助全絕緣澆注母線應(yīng)用于某些消防安全等級(jí)較高的場(chǎng)合。通過(guò)澆注模具對(duì)母線導(dǎo)體連接處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)澆注，能夠保證母線具有較高的密封性能，從而隔絕外部水分，全絕緣澆注母線的系統(tǒng)防護(hù)等級(jí)通常能夠達(dá)到IP86等級(jí)，非常適合戶外雨雪、高潮濕、電纜溝等環(huán)境。高度密封的現(xiàn)場(chǎng)澆注工藝以及環(huán)氧樹(shù)脂的低可燃性，能夠有效隔絕外部可燃?xì)怏w與帶電部件的接觸，從而使粉塵、可燃性氣體環(huán)境下如煤礦、石油化工等工作場(chǎng)景下可以安全使用。環(huán)氧樹(shù)脂及石英成分具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠有效避免母線導(dǎo)體腐蝕和霉變[8-10]，可以被廣泛應(yīng)用于化工廠、沿海地區(qū)等場(chǎng)合。

（2）小體積布置方便。一種典型的共箱母線與全絕緣澆注母線體積對(duì)比如圖2所示?？梢悦黠@看出，與一般共箱母線相比，全絕緣澆注母線的結(jié)構(gòu)更為緊湊、體積更小（僅為共箱母線體積的1/5左右），更方便開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)布置。此外，全絕緣澆注母線還可以根據(jù)電網(wǎng)設(shè)計(jì)需求靈活制備直線段、轉(zhuǎn)彎段、T接段以及盤(pán)頭等，現(xiàn)場(chǎng)安全和施工更加方便。

（3）高機(jī)械強(qiáng)度。固化以后的環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，較一般的橡膠、塑料等的耐磨性和耐沖擊性能更好，一般全絕緣澆注母線的防撞等級(jí)能夠達(dá)到IK10。

（4）耐老化防開(kāi)裂。環(huán)氧樹(shù)脂與石英砂等惰性無(wú)機(jī)礦物材料的配比，能夠充分保證澆注成型以后的母線結(jié)構(gòu)整體擁有統(tǒng)一的熱膨脹系數(shù)（主要指復(fù)合絕緣材料與母線導(dǎo)體），能夠在外界環(huán)境變化時(shí)保證結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，有效防止絕緣體開(kāi)裂。因而，通常情況下全絕緣澆注母線能夠有效、安全運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)50年而不需要維護(hù)。

圖2 典型的共箱母線與全絕緣澆注母線體積對(duì)比Fig.2 Volume comparison of typical common-box busbar and fully insulated cast busbar

2 應(yīng)用分析

2.1 系統(tǒng)描述

10 kV全絕緣澆注母線連接項(xiàng)目屬于中壓全絕緣澆注母線系統(tǒng)，系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖3所示。

圖3 10 kV全絕緣澆注母線連接項(xiàng)目系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 System structure of 10 kV fully insulated casting bus connection project

該系統(tǒng)主要應(yīng)用于10 kV全絕緣澆注母線連接項(xiàng)目，但實(shí)際該結(jié)構(gòu)能夠滿足額定電壓3.15～35.00 kV、額定電流630～6 300 A交流高防護(hù)要求系統(tǒng)，其防護(hù)等級(jí)能夠達(dá)到IP68。

系統(tǒng)根據(jù)母線導(dǎo)體的選擇可以分為鋁排和銅排2種，不同母線導(dǎo)體的系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。鋁排與銅排導(dǎo)體的選擇需要根據(jù)具體的項(xiàng)目設(shè)計(jì)需求進(jìn)行選擇，選擇銅排作為母線導(dǎo)體材料。在進(jìn)行母線連接時(shí)，采用銅排裸接，將母線導(dǎo)體的銅排分別夾接母線外漏銅排接頭，在連接前用酒精、保潔布對(duì)銅排接頭進(jìn)行擦拭，充分保證基礎(chǔ)面的潔凈和光滑；完成裸接以后盡量立即完成澆注工作，部分未完成澆注的母線導(dǎo)體用保鮮膜、膠帶進(jìn)行保護(hù)，防止銅排產(chǎn)生氧化，之后進(jìn)行重新清潔以后才可進(jìn)行澆注。

表1 不同母線導(dǎo)體的系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of different busbar conductors

2.2 應(yīng)用時(shí)的問(wèn)題分析

10 kV母線連接項(xiàng)目采用全絕緣澆注母線、共箱母線、小離相母線以及電纜母線時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比情況見(jiàn)表2。與共箱母線、小離相母線等相比，全絕緣澆注母線具有防護(hù)等級(jí)高、占據(jù)空間小、長(zhǎng)時(shí)間免維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。但由于該項(xiàng)技術(shù)需要應(yīng)用大量的絕緣材料和澆注工藝。因此，對(duì)絕緣材料的配比、制備以及澆注工藝的要求均較高，屬于當(dāng)前限制該工藝進(jìn)一步大范圍開(kāi)展應(yīng)用的因素之一。

表2 全絕緣澆注母線優(yōu)缺點(diǎn)Tab.2 Advantages and disadvantages of fully insulated casting bus

2.3 問(wèn)題處理

為解決10 kV母線連接項(xiàng)目采用全絕緣澆注母線時(shí)出現(xiàn)的對(duì)絕緣材料及澆注工藝要求較高這一難題，通過(guò)絕緣材料對(duì)比和制備配比方案的確定，進(jìn)行了充分的系統(tǒng)優(yōu)化處理。開(kāi)展全絕緣澆注母線絕緣材料制備的目的：①確定絕緣材料最佳配比，降低材料制備難度；②提升環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的耐沖擊損傷能力、耐熱能力。在此前提下，本文利用表3所示的材料進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)脂基絕緣復(fù)合材料的制備。

Ⅰ組為根據(jù)傳統(tǒng)的全絕緣澆注母線絕緣材料制備方法所選擇的原材料；Ⅱ組為本文改進(jìn)后的絕緣材料制備原材料。絕緣材料的制備總共可分為6個(gè)步驟：①將填充料進(jìn)行充分干燥，保證石英粉及偶聯(lián)化硅微粉處于150 ℃條件下干燥7.5 h以上；②將環(huán)氧樹(shù)脂融化以后加入攪拌鍋內(nèi)與干燥完成的石英粉或偶聯(lián)化硅微粉進(jìn)行融合；③將步驟②所得混合物進(jìn)行真空脫氣處理，保證脫氣處理時(shí)的溫度為130 ℃左右，真空度高于670 Pa；④在另一攪拌鍋內(nèi)對(duì)納迪克酸酐、甲基四氫苯酐等與填充料進(jìn)行混合，在52 ℃條件下進(jìn)行攪拌和真空脫氣處理，真空度高于670 Pa；⑤將步驟④所得混合料與步驟③所得混合料在真空條件下注入攪拌鍋內(nèi)并進(jìn)行融合，同時(shí)加入聚壬二酸酐、JDY-050活性增韌劑等增韌劑，在充分?jǐn)嚢枰院蠹尤肫S基二甲胺、DMP-30等促進(jìn)劑；⑥在真空狀態(tài)下，打開(kāi)全絕緣澆注母線的澆注閥門(mén)進(jìn)行澆注，并對(duì)澆注體的各項(xiàng)性能進(jìn)行對(duì)比分析。

表3 絕緣材料配比原材料Tab.3 Insulation material ratio raw materials

最終結(jié)果表明，①Ⅰ、Ⅱ兩組材料相比，Ⅱ組材料在膨脹系數(shù)一致性、耐沖擊損傷能力以及耐熱性等方面均優(yōu)于Ⅰ組；②Ⅱ組中各項(xiàng)材料的最佳配比（質(zhì)量），環(huán)氧樹(shù)脂:偶聯(lián)化硅微粉=1.00∶2.05，甲基四氫苯酐∶偶聯(lián)化硅微粉=7∶12。Ⅱ組各材料最佳質(zhì)量配比為環(huán)氧樹(shù)脂 100 Pbw、固化劑66 Pbw、增韌劑16 Pbw、促進(jìn)劑0.26 Pbw、填充料300 Pbw、著色劑31 Pbw、脫模劑5.6 Pbw。

3 結(jié)語(yǔ)

全絕緣澆注母線在10 kV母線連接項(xiàng)目具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)性能，如卓越的“四防”性能、小體積布置方便、高機(jī)械強(qiáng)度等；與典型的母線連接方式共箱母線、小離相母線、電纜母線等相比更值得進(jìn)行推廣。本文針對(duì)10 kV母線連接項(xiàng)目中全絕緣澆注母線澆注材料配比工藝及澆注難度大等問(wèn)題進(jìn)行處理，認(rèn)為復(fù)合絕緣材料中環(huán)氧樹(shù)脂 100 Pbw、固化劑66 Pbw、增韌劑16 Pbw、促進(jìn)劑0.26 Pbw、填充料300 Pbw、著色劑31 Pbw、脫模劑5.6 Pbw時(shí)，系統(tǒng)整體能夠獲得最為理想的膨脹一致性、耐沖擊損傷能力、耐熱能力等。環(huán)氧樹(shù)脂與其他惰性無(wú)機(jī)礦物材質(zhì)的質(zhì)量配比，能直接影響最終的母線連接效果，全絕緣澆注母線在10 kV母線連接項(xiàng)目應(yīng)用既充分利用該材料的性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)需要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境、設(shè)計(jì)需求等針對(duì)材料配比進(jìn)行具體優(yōu)化。