高效抵御恶劣的海洋环境 - Wacker Chemie AG


高效抵御恶劣的海洋环境

风电场和太阳能发电厂的电力供应正逐渐趋于分散,建设新的输电线路和变电站势在必行。其中空心绝缘子是必不可少的,这种绝缘子采用瓦克的低粘度液体硅橡胶并通过低压充模工艺加工而成。有机硅可承受极端的气候条件——即使是恶劣的海洋环境。

现代社会中,稳定的电力供应如同空气一般重要。然而,许多地区安装的电力基础设施——电厂、电网和变电站——都无法满足作业要求。新兴经济体需要更高效的电网来应对迅猛增长的电力需求。尤其在向可再生能源转型的过程中,工业化国家亟需对其同步电网进行现代化改造和扩建,以确保电力的稳定供应。在德国,随着风能的使用越来越广泛,架设一条贯穿南北的高性能输电线势在必行。这是因为风力涡轮机几乎全部位于风力资源丰富的德国北部,而最大的电力用户——例如工业行业——则主要位于德国南部。不仅如此,电网的拓扑结构也亟需得到改变,因为发电的区域越来越分散,而且发电的时间难以预测。此外,除了风力发电,还必须借助大量太阳能发电站来确保电力的供应。

计量和混合单元将低粘度液体硅橡胶导入可加热模具中,模具在硅橡胶固化期间在合模单元中紧密闭合。

无论在哪里建造电厂、输电线、变电站或对其进行现代化改造,都需要高压绝缘子和设备——而且多年来,这种需求在世界范围内日益增长。出于安全考虑,导电元件必须进行绝缘处理,所以电网运营商和能源供应商必须采用性能可靠的绝缘子。绝缘子失效可能导致闪络和短路,并触发电网内部受影响的元件自动关闭。最严重的后果则可能导致整个地区停电。 高压电网需要不同类型的绝缘子:长棒型和空心型。空心型绝缘子常用于需要外部绝缘的有源电子元件或设备。 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。高压空心绝缘子可为套管、仪表变压器、断路器、过电压保护设备、电缆终端以及其他电工设备提供外部绝缘保护。

污闪

露天绝缘子经常暴露在高湿度环境下。当它们表面的污垢被雾气、露水或雨水润湿时,会形成一个导电的污染层。如果形成连续的导电带,流经那里的泄漏电流就会导致该污染层不同程度地受热,从而形成干燥区。如果电压上升到一定高度,则可能引起整块干燥区发生不稳定的小规模局部放电——这就是我们夜间看到的蓝色辉光。如果干燥区继续扩大并最终引发稳定的大面积电弧放电(高电流密度引发发气体放电),则将对电网构成威胁。这种电弧放电被称为闪络,因为它可以击穿整个绝缘子。污闪会产生很高的短路电流,因此必须不惜一切代价全力避免。 有机硅屏蔽具有的持久憎水表面在这方面具有很大的优势,因为它可以阻止连续导电污染层的形成。

连接高压电网的高架电线所使用的绝缘子在其大约四十年左右的使用寿命期内一直都暴露在各种恶劣的自然环境下。在这整个期间,无论是由于温度变化、紫外线辐射、湿气还是污染等原因,都必须确保绝缘子稳定运行,不发生突发情况。绝缘子上如果出现污垢会非常危险,因为湿气可能使其导电,从而引起污闪。

户外应用 的要求极为严苛

传统的高压绝缘子通常采用一种深褐色或灰色硬陶瓷制造。“这种陶瓷材料具有优异的绝缘特性,”瑞士Erlinsbach的Gardy技术股份有限公司的工程师Rainer F. Röder说,这家公司多年来一直为空心绝缘子产业提供技术咨询。“但问题是水会弄湿陶瓷表面。这就意味着带污垢的陶瓷绝缘子极易发生污闪。此外,陶瓷绝缘子还很重,而且很容易碰碎。”

有机硅复合空心绝缘子则没有这些缺陷。它们由两端装有铝合金法兰的玻璃纤维增强塑料(GRP)管和有机硅弹性体制成的伞裙组成。GRP管及其牢固安装和粘接的法兰可提供必需的机械强度和密封性能,而伞裙则可凭借其典型的有机硅特性赋予绝缘子电绝缘性。法兰用于绝缘子的现场装配。

显著的憎水性

位于高压电线杆前的145 kV TE Axicom空心绝缘子(TE Connectivity生产)。

与陶瓷表面不同的是,有机硅表面具有永久的憎水性。它甚至可以将憎水性转移到附着的浮尘颗粒上。在高空气污染地区、集约化农区以及沿海地区,这是一个巨大的优势,Hans-Jörg Winter博士介绍说,20多年来他一直在瓦克有机硅业务部门负责中高压输电技术市场部的一个应用实验室。“雨水和露水只会从有机硅伞裙成珠滚落,” Winter博士补充说。“即使伞裙多年暴露在户外恶劣的自然环境之下,也不会有污闪的风险,因为它不会形成连续的导电膜。” 有机硅复合空心绝缘子极其牢固、具有抗震性,而且比同类陶瓷产品要轻得多。它们可以承受内部高压——最高可达大气压力100倍——且在内部高压下不会碎裂,也就是说,它们具有防爆性。

此外,制造复合绝缘子的速度可比陶瓷绝缘子快得多。 设备制造商、发电厂和电网运营商看中这些优势,而且也越来越多地开始使用复合空心绝缘子,尤其是在高压输电领域。“最初,有机硅复合空心绝缘子主要用于220千伏以上的高压,这对于低电压而言,太贵了,” Rainer Röder介绍说。如今,它们已经越来越多地用于72千伏电压电平。“这种趋势无疑对复合绝缘子的推广非常有利,”他自信地说道。

用于高压技术的空心绝缘子可制成各种尺寸。电压越高,绝缘子越长,电压每增加100千伏,绝缘子的长度就增加1米。但这样的尺寸要求并不有利于实现高品质绝缘子的经济高效生产,特别是当绝缘子按订单生产且每份订单一般仅含几套产品的时候。

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,它们的重量只有陶瓷绝缘子的三分之一。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。由于采用特殊设计,复合空心绝缘子可以防爆、抗震,且在运输中不会破损。而凭借其卓越的憎水性以及可以赋予污垢沉积物憎水性的特性,有机硅复合空心绝缘子不必进行现场清洗。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。最后还有一点,复合空心绝缘子的制造周期要比陶瓷绝缘子短得多。

自二十世纪八十年代以来,有机硅复合空心绝缘子开始进入商业化生产。“当年,采用特定伞裙形状的定制解决方案可谓风靡一时。人们还针对这些解决方案设计了专门的生产方法,因此它们价格不菲,” Röder回忆道。“随着时间的推移,这一情况发生了改变。如今,设备制造商则根据一系列规定的伞裙形状和直径来设计他们的产品。”这就为开发经济高效的工业生产方法铺平了道路。

在大气压条件下的低压充模技术已被证明是工业用有机硅屏蔽部件的最佳生产方法。虽然它非常类似于传统的注射成型工艺,但其充模压力非常低。其原理很简单:首先将需要包覆有机硅的GRP管插入到一个可充注屏蔽材料的对开阴模中。模具闭合后,可浇注的液体硅橡胶就自动注入其中,并在温度升高时固化。

在仪表变压器前合影(左起):Rainer Röder(Gardy公司顾问)、Martin Boss(Pfiffner公司副总裁兼技术总监)、Hans-Jörg Winter博士(瓦克)和Johan Dewitte(瓦克)

俗话说:“细节决定成败”。液体硅橡胶的粘度必须足够低,以确保在大气压力下浇注时不会在模具中产生任何气泡。 此外,液体硅橡胶必须适用于长时间加工,并能在130 °C以下的热模里尽快固化为有机硅弹性体,否则,GRP管就会软化变形。

传统的液体硅橡胶并不适用于这种工艺。“它们粘度过高,必须在高压下才能注射,而且需要昂贵的注射成型模具,”Winter博士解释说。原则上,可使用瓦克系列产品中的另一种橡胶,即POWERSIL® 600,它具备必需的低粘度,且固化的弹性体具备优异的技术特性。“唯一的问题是模具需要在每次装填操作之前进行冷却处理,否则,在完整装填之前就会开始固化, ”这位材料专家补充说。这一情况使得空心绝缘子制造商转而寻找其他替代产品。

直到瓦克于2000年推出以POWERSIL® XLR® 630命名的一种双组份橡胶,浇注工艺才迎来突破。“该产品融合了两种不同橡胶体系的全部优点,”Winter博士说。双组份超低粘度液体硅橡胶——XLR®是特种液体橡胶(Extra Liquid Rubber)的缩写,它是采用低压充模工艺制作有机硅伞裙的最理想的产品选择,并为该工艺在行业中的推广使用作出了积极贡献。 Röder说,80%的复合空心绝缘子现在都采用低压充模工艺制成。“近年来,几乎所有安装复合空心绝缘子产品线的公司都选择了这一工艺,并使用瓦克的XLR®有机硅,”这位行业专家解释说。

低压充模工艺的诞生地

TE Connectivity公司(原泰科电子,前身为Cellpack股份有限公司)在其瑞士沃伦生产基地开创性地发明了低压充模技术。该公司属于TE Connectivity集团,总部位于瑞士沙夫豪森市。“该生产基地是有机硅屏蔽材料低压充模技术的诞生地——1988年,就是在这里,低压充模技术才具备生产可行性并首次应用于生产工业屏蔽材料,”当时担任公司总经理的Röder说道。正是由于有了沃伦生产厂,TE Connectivity才凭借Axicom品牌得以成为全球领先的复合绝缘子制造商。该公司每年生产数以千计的高压设备用复合空心绝缘子,这些产品全部采用低压充模工艺制成。“十多年来,我们只使用POWERSIL® XLR® 630作为管护套。有了这种有机硅,我们可以经济高效且准确无误地生产产品,”TE Connectivity高压产品市场总监Robert Strobl博士说。

这家公司不仅使用有机硅屏蔽材料,还自己缠绕GRP管。多年来,该公司已经积累了非常丰富的专业技术知识。沃伦生产基地迄今为止已经制造了数十万个用于72千伏到1,100千伏电压的复合空心绝缘子。Strobl博士坚信,与瓦克的合作是决定成功的关键因素之一:“瓦克的技术服务工程师总能及时解决我们在技术上遇到的疑难问题。而且,这种有机硅多年来始终如一地保持着同样的高品质。”

空心绝缘子的结构

典型应用: 仪表变压器

Pfiffner Messwandler股份有限公司落户于瑞士Hirschthal。这家中型企业是久负盛誉的电压和电流转换器制造商,其转换器适用于输配电的所有电压电平。这些小型专用变压器能将高电压或电流转换为可测量电平,这样它们就能进一步通过电子控制设备实现自动处理。

之所以这样做,有两个原因:首先,单是出于计费的需要,每家电力生产商、电网运营商和能源供应商都想知道电能的确切传输量。为此所采用的变压器必须满足高精确性要求。其次,变压器对于保护电网是必不可少的。它们专为感知所有的过电压或短路电流而设计,必要时,评估电子元件会发送信号以关闭受影响的电网区段。仪表变压器于是成为输配电的重要元件,数以十万计的仪表变压器遍布全球各地——从电厂到变电站,每条电缆的接线端都能找到它们的身影。

“我们坚信,有机硅复合空心绝缘子将成为变压器外部绝缘部件的标准。”

Fritz Hunziker Pfiffner Messwandler 股份有限公司所有者

用于高压设备的仪表变压器往往是定制的。“我们的专业技术在于针对既定应用精准确定变压器的规格,并制造出能绝对可靠地工作约40年且无需任何维护的产品,” Pfiffner Messwandler股份有限公司所有者Fritz Hunziker说。“我们坚信,有机硅复合空心绝缘子将成为变压器外部绝缘部件的标准。我们已经在50%的高压设备上使用了复合空心绝缘子。它们的实用优点非常突出,以至于我们的客户越来越多地订购带复合空心绝缘子的变压器,即便它们的价格可能会更贵一些。”

有机硅弹性体

有机硅弹性体是基于聚有机硅氧烷生成的橡胶弹性固体。它通过硅橡胶固化而成,在固化过程中,有机硅高分子聚合物链互相进行化学交联。有机硅弹性体不吸水,并且可形成具有高憎水性的表面。它们不仅具有阻燃性,而且能减缓机械振动,是非常不错的电气绝缘子。有机硅弹性体的典型特性是它在承受各种物理和化学应力方面有卓越的表现。例如,它们的化学、物理和技术特性在-45°C到180°C的温度范围内可以保持恒定。它们还具有非凡的抗老化性: 能持久承受热、机械和电负荷,并可持续暴露在氧气、臭氧和紫外线辐射下——同时它们的介电特性不会发生任何变化。正是由于这一系列卓越的性能,使有机硅弹性体成为输配电的理想绝缘子。它为有效确保户外电气设备的运行可靠性作出了巨大贡献。

随着全球电网的扩建,仪表变压器及其他电控设备的需求量呈增长趋势。市场对复合空心绝缘子的需求也随之上升。低压充模已被证明是非常成功的制造技术,并配备有专门的机器设备,而且瓦克的有机硅产品POWERSIL®XLR®630也可按工艺和机器量身定制。瓦克开发人员目前正致力于进一步研发加工速度更快、粘度更低的液体有机硅,旨在将有机硅复合空心绝缘子的生产成本降至更低。