电瓷行业发展的探讨

电瓷行业发展的探讨 电瓷行业发展的探讨 谢清云吕怀发姚君瑞 (西安电瓷研究所 710077) 一、发展的总趋势 在不到三十年间，我国电瓷行业的发展经历了深刻的变化。现在，尽管在 产量上，瓷绝缘制品占有绝对优势，但“电瓷”两字已不能概括本行业的全部 内 准涵，电瓷行业从纯无机材料领域介入有机复合材料领域。所以，本行业应更确地称作绝缘子避雷器行业或工业。 回顾绝缘子避雷器行业的发展历史，一个明显的事实就是，输变电及电气 自动化技术的发展需要，是此行业发展的原动力;而满足输变电及电气自动化 技术发展的需要，便是绝缘子避雷器工业发展的目标，在这种意义上讲，输变 电及电气自动化技术发展方向决定了绝缘子避雷器行业的发展趋势。 2l世纪，我国的输变电及电气自动化技术的发展将与世界电力网发展的 趋势一样，向特高压输变电控制以及自动化与智能化方向发展，交流系统标称 电压将达到1000kV;直流输电所占份额将增加，系统额定电压为?500kV。此 外，高压输变电网的建设面临着越来越大的环保压力，可供线路走廊用地日趋 减小，紧凑型输电线路成为解决这一问题的趋向;日益严格的防无线电污染要 求，也要求输变电设备的电晕和局部放电水平减到最小。因此紧凑化、大容量 输变电技术和无电晕、低无线电干扰水平的产品是将来发展的方向。这一方面 具体到绝缘子和避雷器上，有以下几个总的趋势: ?用于外绝缘的绝缘子尺寸增大，机械负荷提高，以满足电压等级升高后 外绝缘和机械负荷提高的要求。特别是面临污闪问题。 ?在提高材料的绝缘特性，提高抗老化特性，以满足直流输变电的要求。 ?发展大容量复合功能产品，以满足紧凑输变电设备的需要。 ?电压越高，事故引起的危害越大，所以可靠性要求越高。产品的可靠性 也许是一个永远需要解决的问题，可靠性的保证在于设计和制造工艺的保证。 ?主配设各的智能化与自动化，要求绝缘产品小型化。 二、产品结构的调整 从材料角度来看，绝缘子避雷器丈体上可以分为瓷绝缘子、玻璃绝缘子、 有机复合绝缘子、SiC避雷器、ZnO避雷器，对应于电瓷材料、玻璃、有机 有机复合材料、电子或功能陶瓷材料。目前SiC避雷器已逐步退出运行，及 四类材料并存，有机复合外套避雷器发展势头很猛。 其余 作为金属氧化物避雷器的核心部件(ZnO电阻片已成为并在以后也将成为 首选电子材料，在很长时间内必将独霸避雷器制造，当然这并不排除某些新材 料的冲击，如基于Y—B—cu-o的压敏电阻器[1】，也不排除基于ZnO为主，其它 组分的根本性改变，如P系ZnO压敏电阻，但其基本点都在于提高单位体积 容量和电位梯度及改善其保护特性，以适应产品紧凑化发展的需要和用户更的 紧凑的全封闭组合电器。 为 与避雷器相比，电瓷材料绝缘子、玻璃绝缘子及有机复合绝缘子之间的竞 争和调整正处于进行之中。目前瓷绝缘子仍占有相当优势，占85,以上;玻璃 和复合绝缘子所占份额不会超过15,口]。瓷绝缘子在今后若干年内仍占国内市 场的主导地位，主要原因如下:我国已积累近80年数千万片的运行经验;国 家及工艺规范经多年证明十分有效和稳定;在线检测技术成熟，用户对其 设计和生产十分了解。但其固有的缺点[3】:笨重、易碎;瓷材料的亲水性表面 使瓷绝缘子及瓷套式避雷器耐污性能差，靠改进伞形增大爬距，不仅加大了制 造难度和成本，耐污性能也改进不多;运行维护工作量大、费用高，电压等级 越多(矛盾越突出(这对污秽相对较重的地区如城网更为突出:瓷套式避雷器 在结构上存在着内部易“呼吸”作用而受潮(且由于瓷套表面易于形成水膜， 在污 能相秽情况下会引起避雷器内部芯体电位分布不均，造成局部过负荷且防爆性 机，对较差。这些缺点给复合绝缘子和有机复合外套避雷器的发展提供了楔其根本原因在于无机材料难于从根本上提高其耐污性能。 30多年来，在绝缘子及避雷器外绝缘材料表面，人类通过不断努力取得 了重大进展。由环氧树脂、聚四氟乙烯、乙丙橡胶、硅橡胶等有机材料为伞裙 护套的绝缘子，不仅在实验中进行了各项严酷的试验，而且在电网中也进行了 试运行。其中只有耐老化性能优异且唯一具有憎水性迁移特点的硅橡胶材料一 枝独秀，得到世界各国的一致肯定。 有机复合绝缘材料及工艺研究在国外开始较早。六、七十年代国外开始发 展用聚合物制的伞套和玻璃钢芯棒组成复合绝缘子。到七十年代末，已有二十 余国家和地区采用了这种产品，初期在llOkV线路上试运行。到80年代发展 到765kV，并已挂在百万伏级试验线路上试运行。到80年代末，美国的复合 绝缘子用量占线路绝缘子市场的20,，近来据说已超过30,，接近40,。欧洲 的用量也在迅速扩大。世界绝缘子王国日本，近年来也在大力发展这种绝缘子。 其主要优点有:(1)重量轻、体积小、不易破损;(2)机械强度高、高强度等 级产品结构及重量与普通新产品并无很大差异:(3)产品表面具有憎水性，不 会形成水膜，故污闪电压很高(大大减少甚至消除了污闪事故;(4)产品不需 清扫，摆脱了每年爬杆清扫绝缘子的繁重劳动，运行费用大为减少;(5)产品 为不可击穿型，免除了零值检测;(6)生产过程短、节能显著。 有机材料的优点决定了它是发展方向，但其缺点却为瓷材料和玻璃材料长 期应用提供了条件。有机材料的老化问题不能完全让用户放心，目前对其使用 抱谨慎乐观的态度，超高压等级线路中瓷绝缘子占有绝对优势{玻璃纤维增强 有机复合材料(FRP)，是有机复合绝缘子的承力核心，有机硅橡胶材料，目前 仅作为外绝缘应用，而FRP存在不明原因的脆性断裂而引起掉线的问题还未 底解决“1;与瓷材料相比FRP较大的弹性变形问题，目前限制了其在要求精彻 定位的场合使用;标准和工艺规范的正规和完善急待解决。 确 玻璃绝缘子目前总量处于第二位，其机械性能总体上优于瓷绝缘子，曾经 一时有取代线路瓷绝缘子的呼声，但其在运行中的自爆和对其电性能(尤其是 在直流下的电绝缘性的担心，使其在将来会受到比瓷绝缘子更大的挑战。 具本从产品品种来看有以下几个明显的趋势: ?有机复合材料绝缘子已开始从线路绝缘子向电站绝缘子方向发展，而有 机外套避雷器和电流互感器己领风气之先。 ?刚性支撑型线路绝缘子将得到发展。 ?全封闭组合电器用罐式避雷器呈增长态势(无油化套管将成为发展方 向。 ?线路型复合功能避雷器(如绝缘子避雷器)将形成一个新的探索方向[5]。 三、技术发展动向 在输变电技术发展的驱动下，几种材料之间的相互竞争日益激烈，各自设 法解决自身的缺陷而同时发展，其结果目前难以预料，下面就几个主要方面进 行讨论。 I(电瓷制造发展的技术动向 我国电瓷制造业近二十年来，经历了深刻的变化，己以长石一石英一粘土 三元普通质瓷，发展到长石一煅烧矾土一粘土铝质高强度瓷，其抗弯强度到 160MPa，与世界先进水平相当，体积电阻率从10“Q(cm到i0”o(c皿01，但材 料性能在产品上的利用率远低于国外先进水平，因此，要使产品大型化材料性 能利用率提高(主要是机械性能)，除了设计上采用有效的统计分析和科学的 使用应力选择外，根本的问题是工艺水平的提高。 如前所述，瓷绝缘子的致命问题是耐污问题，在目前湿法成型的条件下， 从产品伞型结构变化来解决的，其有效性将不会很大，尽管在改善瓷绝缘 子表面状态。如进行过不少尝试，也取得了一定效果。但或因制造复杂或因运 行费用高，而阻碍了其发展。半导体釉c71和表面涂憎水层一度被认为是瓷绝缘 子提高耐污性能的有效武器，利用半导体釉所产生的表面温升可提高瓷绝缘子 的耐污能力。锡锑半导体釉已有一定的生产和运行经验[8]，表面有机涂层一般 可采用人工定期(卜2年,次)涂硅脂或涂液体室温硫化硅橡胶，国外已取得 了良好的结果，现在己在加拿大、欧洲及非洲既有线路广泛采用，目前国内也 有这方面的报道和初步运行经验，但因运行费用高及运行寿命短，而很难推广: 此外，通过特殊技术将亲水的无机材料表面处理成憎水性的表面也是有可能 的，如80年代末期晒]，美国纽约一家电瓷公司提出了利用等离子处理瓷表面 的新方法，使交流线路绝缘子的污闪电压提高50,，但遗憾的是还处于试验阶 段。 瓷棒型悬式绝缘子是实心不可击穿型，完全没有盘形悬式绝缘子可能出现 的零值劣化现象。由于其结构的特点，与相同长度的盘形绝缘相比，泄漏距离 相当于普通盘形绝缘子的1(2倍，从而提高了它的防污性能。因不用担心击穿 和老化问题，被认为是线路中最可靠的元件，国外，特别是在欧洲，已广泛采 用。要高效生产可靠性和高强度的棒型及棒型悬式绝缘子，应发展基于干法生 产的等静压成型技术。等静压成型技术有以下特点: ?等静压技术克服了湿法成型对粘土原料的苛刻要求，为制造强度更高的 瓷材料提供了可能。湿法成型的先决条件，是要坯料有良好的可塑性，可塑性 来源于塑性粘土，材料强度的提高依赖于瘠性原料在中的加入量，如石英， 煅烧矾土和工业煅烧d_A1。03，瘠性原料的提高将直接影响坯料的可塑性，过 多的引入配方使湿法成型造成困难甚至成为不可能。而干法成型的等静压技术 没有这一限制。此外，目前可塑性好且能用于电瓷制造性能稳定的粘土原料己 出现短缺，己成为电瓷制造业一个明显的问题。这一问题的出现也给等静压技 术的发展提供了机会。 ?等静压技术生产的产品瓷质均匀性较高，分散性小，提高了产品的可靠 性。等静压技术从根本上克服了湿法挤制成型坯体螺旋结构所带来的缺陷。 ?等静压技术占面积小，生产周期短，效率高。 目前，电瓷行业等静压技术己成为电瓷制造的热点。国内喷雾干燥设备和 等静压设备已能基本满足需要，随着对其生产技术的掌握和修坯设各的开发， 等静压技术将得到长足的发展。 与其它干压成型技术问题相似等静压技术的核心问题是要使喷雾颗粒在较 小压力下，能有良好的流动或重排特性，较小压力下颗粒能变形和破碎，以达 到内摩擦力小，成型密度均匀和气孔率低的目的。在这种意义上讲，配方中过 多的粘上将是不利的。 国外等静压技术已从较简单的制造小体积实心产品，发展到大体积瓷套产 品的制造。 2(避雷器用电阻片带I造技术动向 随着全封闭组合电器及为降低线路跳闸进而 有可能降低系统绝缘水平发展 起来的线路悬挂式避雷器等产品的发展，要求有更高能量吸收能力和小型化的 避雷器，其关键问题在于高性能非线电阻片或阀片的研制。 ZnO压敏陶瓷的发现与发展是在日本(发明人M(Matsuoka等)，但较多 基础研究与理论研究是在美国进行的M。对导电模型最为关注的时期是的 70年 代中后期，80年代应用研究迅速加快。我国ZnO压敏陶瓷的起步并不 迟于美国，最早在1973年己经开始，1985年前，我国ZnO压敏陶瓷晚，略 术都是参考国外专利说明自行摸索的，1985年“七五”期间，从日本的全部技 制造技术后才真正形成产业，现在已达到世界制造业的一般水平:电位引进其 高到250V,trim，一般200V,唧:制品直径最大到130mm，瞬态能量梯度最 达200J,cm3;残压比UIojU。(^在l„7左右。而日本[1“1“，己将电位梯吸收能力 度为 400V,mm，长时间(3ms)能量吸收能力300J,cm3的阀片投入使用。因此，提高闽片电位梯度和能量耐受能力，降低ZnO电阻片残压比成为将来的可能和 向。为了达到此目的必需研究下面的问题: 方 ?改变配方和烧结工艺，以获得细小晶粒的显微结构。显微结构分析表明， 现有生产阀片晶粒平均在20,301xm之间，烧成过程晶粒的长大成为决定性 因素。降低烧成温度和配方中引入阻止晶粒生长的更有效成份是可行的方的 向。 ?改善成型技术提高坯体的均匀性，减少气孔率以提高容量。目前国内基 本上没得到系统的研究和广泛的重视。这里有几个突出的问题:一是喷雾造粒 的形貌和颗粒的级配对成型及最终性能的影响;二是成型过程各阶段的压力分 配对成型密度不均匀性的影响;三是成型辅助添加剂，如粘接剂、润滑剂等， 对成型质量的影响。 3(直流电压下的材料性能 在直流电场下，绝缘子或避雷器均不同程度上存在三个问题:直流污秽、 金属附件的电化学腐蚀和材料的老化问题。因此要求所用材料污秽条件下的DC 耐受电压高，金属材料耐腐蚀性强或有防腐措施以及直流电场下的高阻特性。 对于污闪问题，只有选择产品的几何特性和表面特性加以解决，别无它法，金 属的防腐闯题属于另一个领域，在此不做介绍。 瓷材料几乎不存在老化问题，在配方中引入碱土金属离子，如B可大幅度 提高其绝缘电阻，这一方法已经实用化。 玻璃材料在直流电场下N离子迁移，引起材料的绝缘性能和机械性能的劣 化或因绝缘子瞬时温度升高引起热击穿，这两种情况是玻璃绝缘子需要解决的 问题，其手段不外乎是利用“双碱效应”和“压碱效应”以提高玻璃绝缘子材 料的 下，体积电阻率。对于玻璃绝缘子来说，另一个问题是在污秽和局部放电作用表面的腐蚀是比较突出的问题。 高压直流系统中，施加在各种避雷器上的电压波形差异较大，避雷器负载 随其在配置设备中的位置不同而有所不同。纯直流条件下，阀片的泄漏电流随 时间变化规律呈增大趋势[1“。所以研究直流输变电系统中不同波形时，对ZnO 阀片的老化特性影响。找出合适的老化试验方法、老化规律，并与材料的配方 工艺联系起来，以制造高性能的直流阀片是直流避雷器制造和发展关键技术之 四、基础性研究 综上所述，有下列几个较明显的基础性问题有待开展研究工作。 1(瓷材料的机械统计特性和机械疲劳特性。 2(有机材料的老化机理及应力腐蚀断裂机理。 3(ZnO压敏材料在不同电压波形下的老化机理及导电模型。 4(金属附件的电化学腐蚀及防腐。 5(材料表面特性和产品结构对防污性能的影响。 五、结束语 要满足输变电技术发展的要求还有许多工作需要进行，除了上述材料和产 品技术需要发展外，另一重要问题是相应于产品的标准制定的检测设备和方法 的完善，这一点不但对产品发展方向有影响，对系统的安全更有重大影响。今 天我们在很大程度上无法准确预测将来具体的技术发展方向，也无法断言每种 40 产品的兴衰存亡，而我们的探讨只是提供了一些可能。也许在即将到来的世纪 中，超导技术的成熟己成为现实，到那时，高电压输变电技术面临革命性的变 革。 参考文献: [1】日本专利63—104710，三菱电机株式会社 【2]闰芷苓，从观代绝缘子技术国际会议看我国线路绝缘发展趋势，电瓷避雷器，No(1998 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