智能电网面面观 - Wacker Chemie AG


智能电网面面观

可再生能源的发电量正在日益增加。但是,由于风能或太阳能供电量受天气影响波动巨大,电网运营商必须始终把握有关电网现状的最新信息。采用硅胶填充并配备了内置光缆的复合空心绝缘子有助于加快所需测量设备的安装速度。

Reinhausen Power Composites有限责任公司的有机硅复合空心绝缘子成品。

欧洲的电力供应格局正在发生变化——电力市场已在很大程度上实现了对外开放,跨境电力交易呈上升态势,而且电网中的风能和太阳能设备日益增多。在德国,政府正在大张旗鼓地推行能源转型方案,实现向可再生能源的转变。而世界其他地区的风能、太阳能或水力发电量也在日益增加。据国际能源署(IEA)估计,截至2050年,中东地区四分之一以上、中国15%以上的发电量将来自可再生能源。

不过,由于风力涡轮机和光伏系统的发电量主要取决于天气状况,实现电力供需平衡变得愈发困难。这就会对电网稳定性以及供电安全造成影响——现有电网崩溃的风险将逐渐增加。在极端情况下,停电故障还会对电网构成威胁。

为了确保供电高度稳定,电网运营商需要控制和调节电力供应。为此,它们需要始终把握有关系统现状的全方位信息,随时了解电网动态。“在可再生能源领域变革的推动下,电网运营商对信息的需求将持续增长,”瓦克有机硅下属的输配电行业用有机硅技术支持部门负责人Renate Glowacki预测道。

“未来的电网将远比现在更灵活,其自我控制和调节能力将日趋增强,”工业工程专业毕业、主攻方向为电气工程的Glowacki继续说道。具有远见卓识的行业精英们目前正在谈论建立智能电网。不过,目前的电网也并不是完全不具备智能功能,至少高压电网属于这种情况。开关站的测量和传感器技术可以不断提供最新信息,例如有关电压、电流或输电线频率的信息。数字化信息和通信系统对所提供的信息进行评估,如有必要可自动启动开关操作,并将相关信息转发至控制室。控制室内的技术人员可采取其他的控制和调节措施。

每一批次的POWERSIL® Gel C 670在发货之前都会在博格豪森基地的应用实验室接受质量检验。这种凝胶易浇注,甚至连最小的空穴都能渗入。这就有助于避免产生气泡,并能提高介电强度。此外,固化后的凝胶粘附性极好,并能自由拉伸。

保护灵敏测量头

与高压技术中的其他设备一样,电网监测专用设备需要可靠的电绝缘性。设备的所有带电部件(通常是整个测量头)必须与地面和接地设备绝缘,并且往往固定在空心绝缘子上。“很多高压变电站的测量仪器设在户外,电网运营商越来越倾向于采用有机硅复合空心绝缘子,”Reinhausen Power Composites有限责任公司(RPC)开发部负责人Armin Merten博士说。这家总部位于巴伐利亚州雷根斯堡的公司是全球领先的有机硅复合空心绝缘子生产商之一。

新一代测量头可发出光信号;此外,许多测量头还需要在有光条件下才能提供信息。光缆的功能是传输光。它们将测量头与通信系统的测量点相连接。时至今日,我们一直通过所谓的绝缘子串,即链状连接的长棒型绝缘子对光缆进行引导。除了携带测量头的支柱绝缘子之外,绝缘子串是另一大元件。“敏感的光缆不能简单地自由悬挂,而必须依靠机械支撑,以防止受损或破裂,”Merten解释说。“同时,这种支撑不应与地面或接地接线盒之间形成导电通路。这也正是为何光缆需要借助绝缘子串进行引导的原因所在。”

空心绝缘子

空心绝缘子更像是一根中空的绝缘管,外面套着一排环形伞裙。空心绝缘子尤其适用于套管、仪表变压器、断路器和过电压保护设备等各种电工设备的外部绝缘。空心绝缘子传统上一直采用一种深褐色或灰色硬陶瓷制造。另外,复合空心绝缘子由玻璃纤维增强塑料(GRP)管组成,GRP管两端装有法兰,并带有弹性聚合物伞裙。伞裙的首选材料是有机硅弹性体。GRP管可赋予复合空心绝缘子必需的机械强度和不渗透性。有机硅伞裙则能提供可靠的电绝缘保护。法兰用于绝缘子的现场装配。用于高压技术的复合空心绝缘子可制成大尺寸。通常来说,其长度约为1米/100,000伏。

不过,对电网运营商而言,这种绝缘子串会增加成本,而他们希望尽量避免这种额外成本。“几年前,有位客户问我们,有没有办法引导光缆穿过支柱绝缘子内部,而无需使用绝缘子串,”Merten回忆道。RPC公司受此启发,成功开发了可安全引导内置光缆的复合空心绝缘子。这种复合空心绝缘子可充当测量头或传感器用支柱绝缘子,不再需要另外使用绝缘子串。

内置光缆

这种复合空心绝缘子含有多个可随时连接的塑料涂层光缆。这些略微弯曲的光缆可被引导通过采用金属盖闭合并组成空心绝缘子基本结构的玻纤增强塑料(GRP)管,并从绝缘子两侧伸出来。GRP管的空腔由可压缩硅胶完全填满,以便光缆嵌入凝胶。

“空腔必须采用高度绝缘的介质填满,因为空气的介电强度很低,其在高压应用领域就显得有些‘力不从心’,”Merten解释说。介电强度是指整个绝缘介质在被电弧击穿之前能够承受的最高电压。

一位RPC公司的员工正在对绝缘子进行测试。

从理论上讲,可以使用绝缘效果更好的绝缘气体或绝缘油,但这样做会增加漏电的风险。绝缘介质会挥发,进入周围环境,与此同时,空气也会进入空腔。因此,如果使用的是气体或液体绝缘介质,应对整个系统进行定期检查和维修,这对电网运营商而言既费时又费钱。像固化硅胶等固体绝缘介质就不存在上述问题。“有了硅胶,复合空心绝缘子就能在长达数十年时间里正常运转,且无需维护,”Merten说。

经过对各种固体绝缘介质进行全面测试,RPC公司最终决定使用瓦克的POWERSIL® Gel C 670。这种可浇注加成固化硅橡胶产品不同于传统硅橡胶,不会固化形成弹性体,但会形成柔软的高粘性凝胶。“固化橡胶可形成宽松的交联结构,极其温和而柔韧,并能紧密贴合固体表面,”Glowacki说。“此外,配制POWERSIL® Gel C 670使用的特殊填料不仅能让凝胶具有可压缩性,同时还能赋予其低密度。”除此之外,这种凝胶还具有有机硅特有的优势:即抗老化和良好的电绝缘性,不会对其他材料造成化学侵蚀,且无已知健康危害。

为何选择有机硅复合空心绝缘子?

由于设计和材料方面的原因,有机硅复合空心绝缘子与陶瓷同类产品相比具有众多优势。首先,它们的重量要轻三分之一。由于重量更轻,它更便于电厂内电气设备的装配、运输和安装。由于其具有弹性,复合空心绝缘子可以抗震,而且在运输中不会破损,无论是遇到故意破坏还是火灾都不会爆炸。由于有机硅弹性体具有极高的憎水性,甚至可以赋予污垢沉积物憎水性,有机硅复合空心绝缘子不必进行现场清洗。这就最大限度地减少了维护工作量。此外,有机硅典型的抗老化性也不容忽视。由于具备以上优势,复合空心绝缘子拥有很长的使用寿命,且维护成本最低。复合空心绝缘子的另一大优势是其制造周期要比陶瓷绝缘子更短。

理想的固有粘性

这种硅胶凭借其特有的性能特征赢得了RPC公司的青睐,开发部负责人Merten对这种材料的固有粘性赞赏有加:“这种硅胶对GRP管、光缆和金属法兰具有极好的粘附性。这对我们来说至关重要,因为即便不同材料的热膨胀性存在差异,凝胶也不会与其他元件分离。”如果填料分离,就会形成气泡,而高压技术人员总是像避瘟疫一样设法避免气泡产生。Merten解释其中的原因:“气泡表面会发生局部放电,逐渐损坏绝缘介质,并最终导致绝缘子失效。”

由于硅胶具有可压缩性,会自行抵消密封GRP管内的热膨胀效果,并在膨胀过程中根据既定空间的大小调节自身体积。由于绝缘子长期承受每天和季节性的温度波动,而且在运转过程中还会发热,上述特性具有重要的实践意义。如果温度升高,密封在GRP管内的凝胶因为具有可压缩性而只会出现稍许膨胀,不会导致GRP管爆裂。如果温度下降,凝胶几乎也不会收缩,但还会占据既定空间,并且不会与其他元件分离——可压缩性和胶粘性在此时配合得天衣无缝。

测试Reinhausen Power Composites制造的复合空心绝缘子。

为了填满空腔并且不产生气泡,RPC公司将液态POWERSIL® Gel C 670从下方注入复合空心绝缘子内。并且是在略微超压的条件下加注凝胶,因此硅胶已受到一定程度的压缩。“由于超压经过精确计量,即使面对西伯利亚的寒冬时节,我们也能确保凝胶始终紧密贴合管壁表面,”Merten解释说。填充之后,凝胶在室温条件下需要约8小时即可固化。

作为一种柔软而温和的材料,可压缩凝胶能为内置光纤电缆提供最佳保护,抵御外部机械影响。对Merten来说,有一件事是肯定的:“我们提供的新型专用复合空心绝缘子中的光纤电缆被安全可靠地固定住。POWERSIL® Gel C 670是能满足我们的需求的理想灌封料。”瓦克专门为输配电应用提供POWERSIL®系列专用有机硅,其中不仅包括硅胶,还包括弹性体和有机硅涂层。

“POWERSIL® Gel C 670是能满足我们的需求的理想灌封料。”

Armin Merten博士 Reinhausen Power Composites 有限责任公司开发部负责人
一位RPC公司的员工正在对绝缘子进行测试。

首次大批量生产

此外,RPC公司还将瓦克硅橡胶用于生产复合空心绝缘子伞裙:双组分液体硅橡胶POWERSIL® XLR® 630。RPC公司在相对低压条件下将这种低粘度有机硅喷涂到GRP管表面。POWERSIL® XLR® 630专为上述流程设计,并在业内广泛使用。

“我们与瓦克之间早已不是简单的供应商关系,”Merten解释说。“瓦克有机硅的技术服务工程师总能及时解决我们在技术上的疑难问题,这点我们非常认可。此外,我们还能在新型产品的开发过程中得到专业技术支持。”

如今,首批配备了内置光缆的复合空心绝缘子已投入使用。作为现代化改造项目的一部分,它们与光学仪器互感器一起用于新西兰110千伏变电站。当地使用的空心绝缘子约1.5米高,内径约15厘米。

配备了内置光缆的复合空心绝缘子甚至还有更多功能:电缆的光纤还能用作光传感器和温度传感器。光缆不仅能传输信号,还能传递信息,所以新型专用复合空心绝缘子主要适用于监测其他电气设备。例如,如果设备发生故障,它们就能及时检测是否存在电弧。这有助于排查故障设备,故障设备随后会被自动关闭——这可谓是朝着智能电网又迈出了坚实的一步。由于新型复合空心绝缘子具有无限的应用潜力,瓦克今后将继续为定制有机硅产品的开发提供支持。