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缠绕在轴芯上之前自动绕线机牵引着玻璃纤维粗纱穿过树脂
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ABB 投资扩大绝缘子产能(第二部分)

May 17, 2017 • Bushings, Weekly Article, 最近文章汇总

如本文第一部分所述, 包括中国, 印度和南非在 内的重要电力市场稳步向特高压的转型创造 了对高达1100kV套管、断路器以及其它变电站设备突如其来的急剧需求。在这样的高电压下, 复合 绝缘子展现出了性能和成本两者兼备的优势, 这一优势帮 助复合绝缘子成为了即便不是大多数, 但也是很多这一电 压下所选用的技术。

为了顺应这一趋势, 世界上最大的空心复合绝缘子生产 厂家之一ABB最近提高了产能, 以应对持续增长的对超 大型部件的需求量。

INMR前往瑞典Piteå访问了ABB Composites 公司, 这 可能是世界上最北的电力系统用高压部件生产设施。

“近年来,特高压 (UHV)工程越 来越受人关注创 造了市场对特大 部件的需求,显 然必须要做出改 变,使特大型部 件能够在我们的 车间内移动。”

认识到了新兴市场上的战略机遇, ABB于20世纪90年代后期开始进 军空心复合绝缘子行业。当时, 成 品的制造是在公司位于卢德维卡 (Ludvika)市宽敞的瑞典生产设施 内完成, 与相关的‘下游’产品如套 管和开关的生产基地相邻。在这里, 将ABB Composites下属公司生产 的FRP管表面打底漆并采用特殊挤 压工艺模压上硅橡胶护套。但不久 以后便决定将模压操作改在Piteå 更合理, 以便所有的生产环节在同 一屋檐下完成。

实际上, 长期以来ABB Composites 已经奠定了其复合绝缘材料生产商 的位置, 除了绝缘管之外, 还包括笼 型避雷器用玻璃纤维环, 以及断路 器用绝缘棒。所有这些各异的产品

Photos: INMR © 都有一个共同点, 即采用了纤维缠 绕成型技术, 被视为公司在材料与 生产工艺上的核心技术。

总经理 Markus Holmlund 介绍道, 自2000年绝缘子生产被迁到Piteå 以来, ABB Composites已经供应 了超过100,000支该厂产出的空心 复合绝缘子。而且年产量一直在向 15000支的数量稳步增长, 这反映 了更多采用复合护套取代了陶瓷护 套的明显趋势, 尤其是用于罐式断 路器, 避雷器以及大型HVDC套管。

Holmlund还指出, 近几来, UHV工 程越来越受人关注创造了市场对特 大型部件的需求。显然必须要做出 改变, 使特大型部件能够在车间内 移动。例如, 纤维缠绕成型部门已 将原来的设备全部更换为新机器。 新机器设计为可以生产15m或更长 的绝缘管, 产品的首批应用中包括 用于1100kV换流变压器的长12m 套管绝缘子的订单。Holmlund说, “尽管可以通过粘接来拼接如此长 的绝缘管, 但我们认为, 有理由担 忧采用粘接的方法会影响产品的电 气与机械性能。”

FRP管长期以来是Piteå工厂的主要产 品类别, 但现在市场对超长部件的需 求越来越大 ABB ABB 投资扩大绝缘子产能(第二部分) FRP product

FRP管长期以来是Piteå工厂的主要产
品类别, 但现在市场对超长部件的需
求越来越大

ABB卢德维卡工厂的套管专家Lars Jonsson也赞同这种观点, 他认为,

“由于在挤包成型工艺中,每片伞裙的模压成型在连续不 断的循环内完成,我们倾注了大量努力最大程度提高该步 骤的效率,以避免出现生产瓶颈。”

尽管粘接方法用于陶瓷护套历来表 现良好, 但并不一定用于FRP管也是 如此。他说:“对于陶瓷, 高压缩力有 助于加强环氧胶接处的连接强度, 但 是, 对于复合绝缘子, 则不存在这种 压缩力, 这意味着, 如果绝缘子运行 在极具挑战性的工作环境中, 粘接的 弱点将显现出来。”

科研部经理Anders Holmberg介 绍说,缠绕过程中的其中一个关键 要求是将气孔保持在最低,以确保 绝缘管内部没有任何局部放电活 动。Anders Holmberg说, “使用 新机器后, 我们已经成功地将气孔降 到了能够实现的最低状态。” 缠绕过 程中的另一个关键要求是保护员工 的安全以及控制可能造成的污染。

例如,工作在机器附近一定范围内的 员工必须佩带专门的呼吸仪器,同时 检查所有原料与绝缘管以确保无污 染物进入, 如飞虫。

Piteå工厂科研部门最近的其中一 项研究围绕着如何在绝缘管缠绕 完成后取出钢芯。Holmberg评述说,对于长绝缘子来说,由于绝缘管 重得多,这是一项重要但却艰难的工 作。因此,在不损坏绝缘管的前提下 取出钢芯异常艰难且耗时。

在缠绕和固化之后, 采用与行业内 大致相同的方法对绝缘管进行机 械加工以利于法兰盘的装配。此时, 按常规将绝缘管外层整体剥 掉。Holmberg介绍说, “这道工序 确保了无污染物混入, 并且在处理 绝缘管时,给予我们更多的灵活性。 我们知道,无论在工厂内搬运绝缘管 时出现什么情况,绝缘管始终在模压 工序前保持表面清洁。”

当外层被剥下呈现出无断裂纤维的 干净表面之后, 每支绝缘管被运往 相邻的气候控制室。在控制室内, 对 绝缘管涂覆底漆以确保整支绝缘管 与硅橡胶护套的粘接达到最佳。

独特的模压技术缠绕完成之后, 空心复合绝缘子制 造中的第二道关键工序是将硅橡 胶护套模压在涂了底漆的绝缘管 上。ABB公司采用螺旋挤包专利技 术与特殊工具, 将硅橡胶材料直接 模压在绝缘管表面, 一个接一个模 压成型硅橡胶伞裙。与多数其它绝 缘子供应商所采用的将硅橡胶材 料注入长模腔的注射成型法相比, 该工艺具有本质的差别, 从而可以 同时模压成型多个伞裙。采用这一 工艺一个循环即可模压成型电压等级高至220kV以及有时高于220kV 的绝缘子, 而对于更高电压等级的 绝缘子, 则通常需要两次或两次以 上的注射才能成型。

销售经理RogerSundqvist介绍说, 由于在挤包成型工艺中, 每片伞裙的 模压成型在连续不断的循环内完成, 我们倾注了大量努力最大程度提高 该步骤的效率, 以避免出现生产瓶 颈。所以, 2011年增加了设备的挤出能力。

Sundqvist评论道, “乍一看, 这似 乎挺简单, 但实际上量体定制部件 和工艺需要大笔投资。一旦拥有了 独一无二的可以根据需要生产出 特定伞裙外形的工具, 我们就可以 用来生产任意直径或任意外形的 绝缘管。这基本上涵盖了所有可能 的绝缘子尺寸。”

Sundqvist认为, 的确, 与传统的注 射成型相比, 挤出工艺的主要优点 之一是高度灵活, 不需要订购昂贵 的模具以生产出不同外形的绝缘 子。Sundqvist解释说, “另一个优 点是生产锥形绝缘子不需要更换 工具, 锥形绝缘子因其内部绝缘体 积降低可以大大节省, 正越来越受 欢迎。挤出工艺也给了我们更多设 计上的自由空间, 例如可以为用户提 供诸如锥形电站支柱绝缘子这样非 常规的产品。”

Holmlund补充说, 挤出成型工艺 的另一个优点是, 当注射机内部的 模具打开以将产品取出时不存在合 模缝。他说, “这意味着, 挤出成型 的整支绝缘子护套上均无缝。我们 通常很愿意告诉客户, 采用我们的工 艺生产的绝缘子是由整支绝缘管与 整支护套构成, 无论是内部结构还是 硅橡胶中均没有接头。”

ABB套管部门的Jonsson从用户的 角度解释说, 在套管多年的运行寿 命期中, 无缝护套的设计消除了随 着产品的老化潮气经由缝隙或接头 侵入的风险, 这是无缝套管设计的特 殊优势。他同时还强调, 或许这种模压成型技术的终极优势在于能够轻 而易举地生产大半径顶端光滑伞裙 的护套, 从而使水滴滴落, 而不是流 过伞裙下表面。Jonsson强调说,“这 种‘滴水檐’确保水滴滑落并且提高 撕裂强度。但主要优点是将电场强度 与闪络风险降到最低。”他还评述说, 尽管这种伞裙的设计也有可能应用于传统的注射成型,但成本高昂,因 此在实际生产中并不常见。

鉴于工厂的设备已升级到了可 以生产最大尺寸的绝缘子, ABB Composites当前的生产目标聚焦 在实现工艺自动化上。Holmlund 坦言, “我们达到这一目标尚有距离, 但正在接近,即将产品放入机器中, 基本上是按下‘开始’键, 机器自动 完成剩下的所有工作。”

另一个目标是生产更精益,以进一步 减少交货时间,Holmlund说,“尽管 我们已经能在不到2天的时间内生产 诸如800kV直流绝缘子这样的高难产品, 但我们仍在寻求消灭半成品 绝缘管的库存。这意味着未来某一 天可以做到接到订单才进行纤维缠 绕, 使我们能从挤出工艺优异的灵活 性中充分受益。”

高温硫化 (HTV) 硅橡胶护套材料

护套组分是影响复合绝缘子长期运 行性能的其中一个重要特性, 据称, 与其它材料相比, 硅橡胶的某些组 分具有优异的长期憎水特性。事实 上, 行业内以及广大用户一直存在 的其中一个争议是如何比较HTV硅橡胶与液体硅橡胶 (LSR) 在这方 面的性能。

ABB Composites的挤出成型 工艺仅使用粘性HTV硅橡胶材 料。Holmberg指出, 决定绝缘子性 能优劣的不仅只是材料而且还有伞 裙设计, 用户明白这一点非常重要。 他叙述说, 尽管如此, 2007年, ABB 仍对HTV与LSR两种材料进行了对比 评估, 对两支绝缘子完全相同但仅护 套不同的产品同时进行了1000小时 盐雾试验, 第一支采用LSR护套, 伞裙 边缘尖锐, 伞倾角较小的常规设计, 第二支采用HTV护套, 伞倾角较大, 伞裙边缘更厚的ABB设计。

据Holmberg介绍, 将研究结果绘 制成图显示, 螺旋型HTV制品的腐 蚀低得多。他看着试验结果评述说, “LSR样品含有相对较多的小分子量 (LMW) 环硅氧烷, 而HTV样品则含 有更多的填料。但是问题的关键并 不在于LMW总体含量, 而在于确保 LMW的含量始终足以允许从材料主 体迁移到表面。我们的研究甚至显示 填料的存在有助于加强迁移机理。”

Holmberg继续说到进行了更多的对 比研究, 目标是验证ABB绝缘子伞裙 中LMW硅氧烷的长期稳定性。他说, 研究结果证实了, 通过硅橡胶生胶中 的平衡过程, 这些关键的分子基团得 以再生, 因此其浓度始终维持在2%左 右。这些基团随后向伞裙表面迁移, 迁移速度由表面状况决定, 其数量 可以使伞裙表面在污秽条件下保持 憎水性。据Holmberg介绍, 对运行 十年之后的绝缘子性能进行的测量 结果显示, 材料主体中的LMW硅氧 烷含量与全新材料相同, 表明材料 的憎水性能并未随着时间而退化。

他说, “我们并未在配方中添加硅油, 因为我们认为这只不过是暂时获得 优异憎水性的措施。我们的目标是 护套材料的憎水性长期维持在稳定 而且足够的平衡状态下。”

Holmberg还回答了现场搬运此类 绝缘子的施工和维护人员经常会提到的其中一个问题, 即如果搬运中造 成伞裙轻微裂纹或撕裂应该如何处 理。他解释说, 多数情况下这些问题 不会对绝缘子的安全运行构成威胁, 除非这些损伤刚好发生在带电端附 近的高应力区域。他建议无论是哪 种情况都在现场使用RTV硅橡胶将 裂纹补上, 或者在损伤极端的情况下 安装新伞裙以替代原有的, 并采用热 风枪将其固化。

Holmberg说:“当现场维护人员对 陶瓷和硅橡胶绝缘子采用同样的搬 运方法时我们发现了问题。这可能会 导致伞裙的永久变形或表面损伤。 维护人员需要意识到必须始终按照 制造商提供的说明来维护装备有复 合绝缘子的设备。”

对于清洗,Holmberg建议只有在非 常严酷的运行环境中才有清洗的必 要,通常使用抹布、水或异丙基酒精 进行人工擦洗已足够。高压水枪清洗

空心复合绝缘子可能给绝缘子带来 持久的机械损伤,因此既不需要也不 推荐使用高压水枪。

尽管最近已完成了产能与产量的升 级, 但总经理Holmlund看到了未 来道路上的几项挑战。其中之一是 面临着这样的事实, 即陶瓷绝缘子生产商已经设法做到了控制成本, 目 前的市场标价极具竞争力, 尤其是用 于145kV或220kV电压等级的产品。 他说, 这一策略减缓了发生在2000 年至2009年之间从陶瓷绝缘子向 空心复合绝缘子转换的速度。例如, 目前通常在约550kV电压等级下复 合与陶瓷产品的成本相当, 而超过 550kV电压等级, 复合产品的成本 几乎总是更低。

他认为, 最好的应对措施是继续在 生产工艺上下功夫, 不仅瞄准更加 精益的生产, 而且达到最优化使用 昂贵的材料, 尤其是硅橡胶护套。 例如, 一支800kV直流绝缘子消耗 的硅橡胶达200-300kg,他感觉这 超过了实际所需要的用量。

他坦承,与此同时,减少硅橡胶材料 或许意味着挤出成型的伞裙更薄, 这 反过来则需要依靠改进对机器的控 制。他说, “我们正在朝着减少硅橡胶用量的目标努力, 我们已有了好 的想法, 即通过调整配方与工艺参 数来实现这一目标。当然, 最终目标 是降低成本。”

Holmlund认为, 另一个具备降低成 本潜力之处是提高绝缘管材料的利 用率。他说, “纤维缠绕成型是复杂 的工艺, 缠绕期间的污秽或瑕疵可以 导致整支绝缘管报废。尽管如此, 根 据从其它市场得到的生产经验, 我们 非常了解, 与被替代的注射成型工艺 相比, 采用挤出工艺, 我们已经成功 地降低了成本, 而且也相信生产的产 品 更 好 。”

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