DQZHAN技術(shù)訊：絕緣管型母線的行業(yè)現(xiàn)狀分析及關(guān)鍵技術(shù)展望

摘要：絕緣管型母線作為一種新型的低壓側(cè)電流輸送設(shè)備，以其獨特優(yōu)勢使其近年來的使用量迅猛增長，但該類設(shè)備應(yīng)用中頻繁發(fā)生的故障及其造成的**后果嚴(yán)重制約了進(jìn)一步推廣。通過對絕緣管型母線生產(chǎn)廠家、應(yīng)用方及相關(guān)文獻(xiàn)的廣泛調(diào)研，總結(jié)了該類設(shè)備行業(yè)現(xiàn)狀、設(shè)備技術(shù)特點，分析了應(yīng)用中出現(xiàn)的典型故障，歸納了該類設(shè)備生產(chǎn)、應(yīng)用環(huán)節(jié)存在的共性問題，并據(jù)此展望解決上述問題所需開展研究的關(guān)鍵技術(shù)。絕緣管型母線的特性適用于各用電行業(yè)對低壓側(cè)電流輸送大容量、高**性和靈活性的需求;中國的該類設(shè)備的生產(chǎn)、應(yīng)用和研究尚屬起步階段，運行中的常見故障暴露出行業(yè)對絕緣管型母線的設(shè)計、生產(chǎn)、安裝、運行和全過程檢測等方面均存在不足，必須從技術(shù)水平和管理制度上尋求優(yōu)化產(chǎn)品和提高產(chǎn)品運行可靠性的方法。

關(guān)鍵詞：絕緣管型母線 低壓輔助設(shè)備 大容量載流 行業(yè)現(xiàn)狀 故障分析 關(guān)鍵技術(shù)

引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)快速的增長，企業(yè)、居民用電量呈直線上升。各電壓等級電力系統(tǒng)，大型光伏、風(fēng)電、核能發(fā)電工程、大型樓宇供電以及石油、冶金等工業(yè)應(yīng)用中的電能傳輸容量不斷增大[1]。此外，由于小動物或其他異物接觸、惡劣環(huán)境影響等造成的變壓器低壓側(cè)短路故障頻發(fā)[2]，引發(fā)人們對低壓側(cè)匯流載流設(shè)備**性的關(guān)注。另外，發(fā)電廠電機(jī)出線、城市地下變電站及樓宇供電系統(tǒng)空間緊湊，對輸電線路制約嚴(yán)重[3]。在這些背景條件下，在發(fā)電機(jī)出口側(cè)、變電站內(nèi)35 kV及以下側(cè)以及樓宇供電系統(tǒng)使用的常規(guī)矩形母線、共箱封閉母線及電力電纜已無法適應(yīng)對低壓(6 kV~35 kV)載流裝置大容量、絕緣化和緊湊化的需求。在此現(xiàn)狀下，一種新型載流設(shè)備—絕緣管型母線(insulated tubular busbar)，得到了日益廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[4]。

絕緣管型母線是導(dǎo)體為銅或鋁質(zhì)金屬圓管外包絕緣的載流導(dǎo)線，絕緣外包有接地金屬屏蔽層。目前常見電壓等級為6~35 kV。相比傳統(tǒng)的載流設(shè)備，具有載流量大[5]、**、敷設(shè)方便、節(jié)省空間等突出優(yōu)勢。

據(jù)不完全統(tǒng)計，僅2014年全年，在國內(nèi)各類變電站專項應(yīng)用的絕緣管型母線年產(chǎn)值已超10億元。然而，近年來，國內(nèi)各行業(yè)使用的絕緣管型母線故障案例，見諸報道的就已遍及湖北、廣東、新疆等近十個省份的數(shù)十座變電站，其中有些甚至是在投運后的一年質(zhì)保期內(nèi)連續(xù)發(fā)生多次故障[6-7]。

絕緣管型母線故障往往不僅會直接引發(fā)大面積停電，而且更會造成與其連接的變壓器、開關(guān)柜等主設(shè)備嚴(yán)重受損[8]，對供電**穩(wěn)定性及可靠性造成的影響惡劣。此外，該類設(shè)備難有通用備品備件，恢復(fù)供電周期長。據(jù)了解，國內(nèi)多次發(fā)生鋼廠、變電站、工礦等用戶因絕緣管型母線故障導(dǎo)致失電停運，有的甚至長達(dá)兩個月之久，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和極為**的社會影響。

為使該類設(shè)備更好地發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，必須從理論、技術(shù)、管理等方面提升該類設(shè)備質(zhì)量及運行可靠性。本文介紹該種設(shè)備的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)特征，歸納其技術(shù)優(yōu)勢和存在的問題，分析故障多發(fā)原因，總結(jié)共性問題，展望優(yōu)化絕緣管型母線性能、提升其運行可靠性應(yīng)進(jìn)行的關(guān)鍵技術(shù)研究思路，供絕緣管型母線生產(chǎn)者、用戶及相關(guān)研究者參考。

1 行業(yè)發(fā)展

絕緣管型母線(設(shè)備外觀見圖1)在中國的發(fā)展相對于國際上起步較晚，在產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)及安裝工藝、質(zhì)量檢測、運行維護(hù)等全環(huán)節(jié)均與國際水平存在一定差距。

1.1 國際發(fā)展情況

國際上，絕緣管型母線的應(yīng)用起步較早，已經(jīng)發(fā)展超過30年，形成成熟的絕緣管型母線產(chǎn)品，主要以德國Preissinger有限公司的絕緣母線(ISOBUS)產(chǎn)品、瑞士雷茲互感器有限公司的SIS絕緣母線系統(tǒng)及德國MGC公司的環(huán)氧樹脂浸漬紙絕緣(resin impregnated paper，RIP)管型母線產(chǎn)品等為代表。其中，德國MGC公司率先將干式套管內(nèi)絕緣使用的環(huán)氧樹脂浸漬紙絕緣及電容屏均勻場強(qiáng)技術(shù)引入母線，制成絕緣管型母線。另兩家代表性公司及其他生產(chǎn)商的產(chǎn)品與之相比，都采用了相同的絕緣材料和固化工藝，只是在部分細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)和加工工藝上有所差別。這些絕緣管型母線目前已廣泛運用于英國、德國、西班牙、美國、加拿大等歐美主流國家的相關(guān)電力應(yīng)用行業(yè)。產(chǎn)品在長期掛網(wǎng)運行中表現(xiàn)穩(wěn)定、可靠，很好地發(fā)揮了其**絕緣、載流能力強(qiáng)、排布緊湊節(jié)省空間且耐候性強(qiáng)等突出優(yōu)勢。這些產(chǎn)品的材料選取及應(yīng)用、結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、制造工藝方案等都已基本成熟。

1.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

絕緣管型母線在中國的應(yīng)用起步較晚，自2004年至今，僅有十余年時間。但設(shè)備需求量穩(wěn)步增長，應(yīng)用領(lǐng)域向電網(wǎng)、發(fā)電、石油、化工等行業(yè)**擴(kuò)展。尤其是中國人口密度大，用電區(qū)域集中，一直存在大容量輸送需求，使得35 kV及以下電壓等級下，電流輸送能力極強(qiáng)的絕緣管型母線有了極大的發(fā)展空間。

在此機(jī)遇下，中國的該類產(chǎn)品呈現(xiàn)出**性的多種型式和多種種類共同發(fā)展的態(tài)勢。按照行業(yè)公認(rèn)的絕緣工藝類型和材料進(jìn)行分類，目前主要有環(huán)氧樹脂浸漬紙絕緣澆注式、聚酯薄膜或聚四氟乙烯絕緣帶繞包式和聚乙烯、三元乙丙橡膠(EPDM)或硅橡膠絕緣擠包式等3種絕緣型式下至少6種類別的產(chǎn)品，如表1所示。

三大種類產(chǎn)品各自結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)流程差異明顯，各成一派。其中，澆注式產(chǎn)品在中國出現(xiàn)*早，采用的生產(chǎn)技術(shù)由歐洲廠家引進(jìn);后來，借鑒干式互感器、套管或中壓單芯絕緣電纜和共箱母線的絕緣結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)技術(shù)，衍生出繞包式和擠包式2種類型的產(chǎn)品。

在以上大類別下，不同廠家在導(dǎo)體連接方式，中間連接處和端部的絕緣設(shè)計方面均有不同的型式結(jié)構(gòu)。

2 設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)特點及難點

絕緣管型母線雖然統(tǒng)一采用管狀銅質(zhì)或鋁質(zhì)導(dǎo)體，但絕緣型式各異。目前中國常見的絕緣管型母線分為澆注式、繞包式和擠包式。3種類型的管型母線具有各自顯著的絕緣結(jié)構(gòu)特征，且在絕緣性能、工藝難度等方面各有優(yōu)勢和難點。

2.1 澆注式絕緣管型母線

2.1.1 結(jié)構(gòu)特征

澆注式絕緣管型母線本體絕緣主要采用絕緣、半導(dǎo)電(粘性)電工皺紋紙帶纏繞，經(jīng)環(huán)氧樹脂真空浸漬，加溫固化，形成一體化固體絕緣。

在端部可以很方便地將半導(dǎo)電帶分層按一定尺寸纏繞主絕緣，形成類似套管中的電容屏結(jié)構(gòu)，達(dá)到控制場強(qiáng)分布，減少場強(qiáng)集中的效果。

澆注式絕緣管型母線接頭一般采用在導(dǎo)體連接外部外罩絕緣套筒的形式。套筒同樣是具有電容屏結(jié)構(gòu)的絕緣筒裝結(jié)構(gòu)，內(nèi)屏與導(dǎo)體連接等電位，外屏為接地導(dǎo)體。兩端與本體密封連接，如圖2所示。

2.1.2 技術(shù)優(yōu)勢和難點

澆注式絕緣管型母線具有以下優(yōu)勢：(1)環(huán)氧浸漬紙絕緣是一種絕緣紙與環(huán)氧樹脂的復(fù)合絕緣，導(dǎo)體、半導(dǎo)體層和絕緣紙經(jīng)加溫固化后，形成致密、緊實的一體化結(jié)構(gòu)，既具有絕緣紙和環(huán)氧的良好絕緣和介電性能，又具有良好機(jī)械特性。已證實該種結(jié)構(gòu)形式能有效保證至少在35 kV及以下電壓等級產(chǎn)品不發(fā)生內(nèi)部局部放電。(2)端部和套筒的電容屏結(jié)構(gòu)能夠有效控制場強(qiáng)，且實現(xiàn)簡單，均壓結(jié)構(gòu)存在于絕緣內(nèi)部，均在工廠預(yù)制，可靠性較高。(3)絕緣套筒保障了設(shè)備在連接處依然保持全絕緣性能，提高了**性。

同時，其絕緣結(jié)構(gòu)和工藝也使得澆注式絕緣管型母線設(shè)備存在以下技術(shù)難點：(1)環(huán)氧材料本身較脆，特別是屏蔽筒，在運輸、安裝中對防止跌落、撞擊的要求較高，同時需要考慮運行中的振動問題，以避免絕緣產(chǎn)生局部缺陷。(2)電容屏結(jié)構(gòu)必須合理設(shè)計，并在生產(chǎn)、安裝中確保尺寸，否則可能導(dǎo)致局部場強(qiáng)集中，危害絕緣。(3)生產(chǎn)澆注式絕緣管型母線需要大型真空澆注和加溫固化設(shè)備，設(shè)備尺寸限制了單根母線長度(目前常規(guī)產(chǎn)品單根長度8 m左右)，又因為其生產(chǎn)工藝復(fù)雜，該結(jié)構(gòu)絕緣管型母線生產(chǎn)難度更大，成本更高。

2.2 繞包式絕緣管型母線

2.2.1 絕緣形式及相關(guān)結(jié)構(gòu)

利用聚四氟乙烯帶或聚酯薄膜材料纏繞，層間涂抹硅油形成主絕緣層。其端部均壓結(jié)構(gòu)也可與澆注式一樣，應(yīng)在絕緣中纏入多層半導(dǎo)電(導(dǎo)電)材料，形成電容屏，均勻場強(qiáng)。繞包式絕緣管形母線中間接頭處存在多種技術(shù)方案。

其一，在接頭處將導(dǎo)體焊接成與本體等外徑的連接結(jié)構(gòu)，然后按照本體的導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層、電容屏層、絕緣屏蔽層和接地層逐層以纏繞方式恢復(fù)，并與所連接的兩段管型母線的端部結(jié)構(gòu)接續(xù)成一個整體的無縫式型式，如圖3所示。類似結(jié)構(gòu)在電力電纜中也有，但一般認(rèn)為現(xiàn)場繞制的絕緣由于絕緣界面、工藝等的影響，其許用場強(qiáng)可考慮設(shè)計為本體的一半[9-10]，因此這種等徑接續(xù)的方式只適用于絕緣裕度較大的低電壓等級絕緣管型母線。

其二，對高電壓等級的絕緣管型母線，可將中間接頭的絕緣做成與澆注式原理相同的屏蔽筒型式，以達(dá)到與澆注式相同效果。

此外，也有在導(dǎo)體連接處直接繞制增強(qiáng)絕緣的方法，但這樣表面并非零電位，因此并不推薦。

2.2.2 技術(shù)優(yōu)勢和難點

繞包式絕緣管型母線具有以下優(yōu)勢：(1)繞包式絕緣管型母線生產(chǎn)工藝簡單，流程環(huán)節(jié)少，產(chǎn)能充足。(2)現(xiàn)場故障恢復(fù)簡單，在故障點破開絕緣，逐層纏繞恢復(fù)絕緣結(jié)構(gòu)即可。

同時，繞包式絕緣管型母線設(shè)備存在以下技術(shù)難點：(1)聚四氟乙烯或聚酯薄膜本身性能優(yōu)異，但其絕緣性能決定于繞包過程中是否形成致密、緊實的多層結(jié)構(gòu)，而且現(xiàn)場安裝接頭時，更難控制質(zhì)量。只有通過嚴(yán)密的工藝手段才能保障其性能。包繞不夠緊實的產(chǎn)品，絕緣層間容易引入氣泡、潮氣，另外，壓緊力下降后，絕緣性能將嚴(yán)重下降，且更容易受潮氣入侵，引發(fā)沿絕緣層間表面的放電。這種情況下，其絕緣強(qiáng)度主要取決于絕緣結(jié)構(gòu)的特性而遠(yuǎn)低于材料本征擊穿強(qiáng)度。(2)繞包式設(shè)備生產(chǎn)起步要求低，大量廠家集中于生產(chǎn)該類型產(chǎn)品，導(dǎo)致該類設(shè)備質(zhì)量差異極大。僅有少量廠家采用機(jī)械纏繞的方式，并嚴(yán)格控制工藝過程，保障絕緣性能。

2.3 擠包式絕緣管型母線

2.3.1 絕緣形式和相關(guān)結(jié)構(gòu)

與電力電纜絕緣幾乎完全相同，利用橡塑材料(聚乙烯，硅橡膠、三元乙丙橡膠)原料呈粘稠的半流體狀性質(zhì)，通過擠包機(jī)在導(dǎo)體表面擠出內(nèi)半導(dǎo)電層、絕緣層和外半導(dǎo)電層。為保證半導(dǎo)電層與導(dǎo)電層結(jié)合緊密，生產(chǎn)中宜采用三層共擠工藝。

擠包式絕緣管型母線與其他絕緣型式設(shè)備*大不同在于擠包式中間接頭與終端中無法插入電容屏形成均壓結(jié)構(gòu)，而是通過預(yù)制件在地屏端部向外延伸形成喇叭口的應(yīng)力錐結(jié)構(gòu)，達(dá)到均勻場強(qiáng)的效果，如圖4所示。這一技術(shù)在電力電纜中發(fā)展已有較長時間，可以直接借用。

2.3.2 技術(shù)優(yōu)勢和難點

擠包式絕緣管型母線的優(yōu)勢與電纜結(jié)構(gòu)相似，絕緣一體性較好、緊實，技術(shù)比較成熟，有電力電纜尤其是高電壓等級電力電纜生產(chǎn)經(jīng)驗的廠家能夠順利轉(zhuǎn)向生產(chǎn)擠包式絕緣管型母線。

絕緣管型母線的結(jié)構(gòu)特征也使得其設(shè)計生產(chǎn)存在如下難點。(1)絕緣管型母線為增大載流量，須擴(kuò)大管徑，此時，擠包時必須避免重力造成的絕緣偏心，這在絕緣尺寸整體半徑增大的條件下工藝難度更大，必須更為準(zhǔn)確地控制整個擠包圓周上的溫度和擠包速度均勻性。(2)擠包型絕緣管型母線的彎管段成型是其生產(chǎn)中的難點。先彎金屬管后擠包，由于現(xiàn)今的技術(shù)水平和設(shè)備限制，尚未有廠家實現(xiàn)。先擠包后彎管會使已成型的絕緣受拉伸和擠壓，一是彎曲半徑受很大限制，相當(dāng)于在絕緣上施加應(yīng)力，拉伸會減薄絕緣而擠壓可能導(dǎo)致氣隙產(chǎn)生;二是預(yù)應(yīng)力會降低材料的機(jī)械和性能。后者應(yīng)在彎曲過程中注意應(yīng)力的釋放。

3 典型性故障原因分析

本文搜集分析了絕緣管型母線近年來運行中出現(xiàn)的典型故障，對具有共性的故障原因進(jìn)行分析和分類。

3.1 型式設(shè)計/生產(chǎn)工藝引入缺陷

絕緣管型母線采用固體絕緣，型式設(shè)計和生產(chǎn)難度較普通母線類設(shè)備大。其絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)充分考慮場強(qiáng)的均勻、絕緣材料間界面強(qiáng)度以及使用中絕緣的防潮等問題;依據(jù)絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計要求選用長期性能穩(wěn)定的絕緣材料;生產(chǎn)中應(yīng)控制絕緣成型工藝，避免引入毛刺、**、懸浮導(dǎo)體或氣泡等缺陷。目前該類設(shè)備在中國發(fā)展尚在起步階段，一些生產(chǎn)廠家對影響該類設(shè)備質(zhì)量和性能的關(guān)鍵點缺乏充分認(rèn)識，沒有足夠的設(shè)計能力和相應(yīng)制造水平，導(dǎo)致設(shè)備質(zhì)量存在問題。

山東某變電站服役不到2年的10 kV硅橡膠擠包絕緣管型母線，在正常運行中的本體彎管處絕緣層擊穿，導(dǎo)致嚴(yán)重?zé)龤?，如圖5所示。

分析設(shè)備絕緣型式，為硅橡膠擠包型絕緣管型母線，但未采取三層共擠工藝，無內(nèi)屏蔽層，僅整體擠出絕緣層，并利用半導(dǎo)電帶材料手工纏繞外屏蔽層。無屏蔽層或屏蔽層制作工藝不佳，生產(chǎn)環(huán)節(jié)容易在絕緣材料和電極間引入氣隙、毛刺等缺陷。擠包式絕緣管型母線的彎管生產(chǎn)工藝為先在直線段上整體擠出絕緣層，再利用彎管機(jī)將導(dǎo)體和絕緣層以一定的彎曲半徑使其形變。即使彎管過程中絕緣未受機(jī)械損傷，彎管內(nèi)側(cè)絕緣受擠壓作用，易產(chǎn)生氣隙;彎管外側(cè)受拉伸作用，絕緣減薄，且相當(dāng)于絕緣中預(yù)施加了較大機(jī)械應(yīng)力，這也將使得彎管處絕緣性能下降。在長期運行中，在較低(相電壓約6 kV)電壓下，缺陷累積發(fā)展，造成擊穿。

目前，絕緣管型母線相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)逐步出臺，行業(yè)監(jiān)管也不斷加強(qiáng)。通過推薦合理的絕緣結(jié)構(gòu)，對設(shè)備進(jìn)行充分、有效的型式試驗檢驗，將能夠有效甄別出質(zhì)量合格產(chǎn)品，從根源上減少該類故障出現(xiàn)的幾率。

3.2 安裝引入缺陷

與電力電纜類似，絕緣管型母線的接頭需要在現(xiàn)場安裝。因此其整體性能，特別是絕緣性能，與現(xiàn)場安裝環(huán)節(jié)緊密相關(guān)。

對絕緣管型母線，安裝環(huán)節(jié)應(yīng)有完整的工藝流程。(1)由于該設(shè)備為長線段、剛性安裝，其尺寸應(yīng)**控制。如控制不當(dāng)，可能造成母線(含絕緣)不同軸，接頭與本體位置與設(shè)計不符等問題，導(dǎo)致絕緣結(jié)構(gòu)不合理，局部場強(qiáng)集中，形成絕緣隱患。(2)安裝環(huán)節(jié)須采取保護(hù)措施，注意防塵、防潮，否則相較于工廠內(nèi)生產(chǎn)，安裝環(huán)節(jié)更易引入毛刺、**、懸浮導(dǎo)體、氣泡或絕緣受潮等缺陷。(3)應(yīng)按工藝要求做好設(shè)備密封等工作，以免在長期運行中影響設(shè)備性能。

湖北某110 kV變電站的10 kV澆注式絕緣管型母線在投運不到10天，中間接頭處發(fā)生擊穿，引發(fā)低壓側(cè)線路大火。

該絕緣管型母線接頭處為軟連接外套，如圖6所示的絕緣屏蔽筒的形式，其連接處均壓結(jié)構(gòu)由母線本體端部和屏蔽筒內(nèi)的電容屏共同構(gòu)成。經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，故障母線屏蔽筒與本體段的配合因錯位而產(chǎn)生不同程度的傾斜，這將導(dǎo)致以下問題。(1)本體及屏蔽筒之間可能形成縫隙導(dǎo)致密封不嚴(yán)，潮氣甚至雨水可能直接進(jìn)入屏蔽筒;(2)屏蔽筒的移動導(dǎo)致電極位置發(fā)生偏移，電場分布與設(shè)計的正常分布相比，發(fā)生畸變，這將使得部分絕緣承受超出設(shè)計值的電場作用，而在較短時間內(nèi)產(chǎn)生缺陷并發(fā)展為故障。

為減少該類故障，須從規(guī)范安裝流程及監(jiān)督管理制度和開展有針對性的現(xiàn)場交接試驗兩方面同步著手，確保安裝環(huán)節(jié)工藝到位。

3.3 運行過程中產(chǎn)生缺陷

絕緣管型母線本身是免維護(hù)設(shè)備，一方面，**的運行環(huán)境也有可能導(dǎo)致設(shè)備在運行中產(chǎn)生缺陷，主要是受潮、機(jī)械損傷以及過熱、過電壓造成的局部絕緣損壞;另一方面，固體絕緣不可避免地存在正常老化和局部薄弱處，正常運行中也可能出現(xiàn)缺陷，主要是局部絕緣電擊穿等絕緣損壞。

陜西某35 kV繞包式絕緣管型母線服役7個月，本體端頭絕緣層擊穿，造成嚴(yán)重?zé)龤А＝?jīng)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，故障母線端部有受潮跡象。造成受潮的原因有：一是該地區(qū)季節(jié)間和晝夜溫差變化很大，絕緣母線護(hù)套材料耐候性不滿足要求，運行過程中反復(fù)出現(xiàn)熱脹冷縮導(dǎo)致開裂、形變，造成密封性下降;二是母線端部為豎直段，接地線從護(hù)套層引出，引出點密封**，易使潮氣甚至雨水進(jìn)入。

聚四氟乙烯材料本身不易受潮，且性能不受潮氣影響，但其纏繞結(jié)構(gòu)使得水分能夠深入絕緣帶層間。另外，端部絕緣層間除了承受徑向垂直場強(qiáng)作用外，還承受軸向水平方向電場作用。上述因素使得繞包式絕緣的層間易發(fā)生沿面放電。圖7所示的是一起典型的繞包式絕緣層間放電類故障，在接地屏端部發(fā)現(xiàn)了沿聚四氟乙烯面表面發(fā)展的樹狀放電痕跡。若這種放電發(fā)展至貫穿電極，將造成擊穿。

要避免該類故障，需要長期積累設(shè)備運行性能相關(guān)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，一方面尋求在設(shè)備運行工況的電、熱、機(jī)械作用和環(huán)境因素綜合作用影響下，提高設(shè)備長期運行性能的方法;另一方面，規(guī)范設(shè)備運維方法及運行中檢測手段，掌握設(shè)備的綜合服役狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)運行中產(chǎn)生的缺陷，從而避免故障的發(fā)生。

4 行業(yè)現(xiàn)階段共性問題

中國絕緣管型母線產(chǎn)品種類眾多，不同種類設(shè)備具有不同的技術(shù)特點及難點，使得絕緣管型母線行業(yè)面臨全新的問題和不同的技術(shù)需求。典型故障原因反映出現(xiàn)階段存在一些共性問題，歸納這些共性問題將有助于找到有效解決途徑。

4.1 設(shè)備生產(chǎn)商能力問題

(1)產(chǎn)品型式設(shè)計能力問題：目前，國內(nèi)絕緣管型母線產(chǎn)品種類繁多，并非所有生產(chǎn)商都具有相應(yīng)的能力和經(jīng)驗。應(yīng)加強(qiáng)行業(yè)交流，規(guī)范設(shè)備型式，提出統(tǒng)一有效的指標(biāo)依據(jù)和設(shè)計要素。

(2)生產(chǎn)能力問題：一些廠家缺少完整的工藝文件，生產(chǎn)中憑經(jīng)驗、靠感覺，部分應(yīng)由機(jī)械操作的工藝環(huán)節(jié)僅靠手工完成，給設(shè)備**可靠性造成隱患。應(yīng)有完整的工藝控制文件和符合工藝要求的工裝、設(shè)備從而保障產(chǎn)品性能達(dá)到設(shè)計要求。

(3)全制造行業(yè)產(chǎn)品自我完善能力問題：故障發(fā)生后，不能簡單地更換產(chǎn)品，而應(yīng)從理論和技術(shù)方面深入分析故障的原因，對產(chǎn)品進(jìn)行完善和提升，防范事故重復(fù)發(fā)生。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)和檢測能力問題

由于絕緣管型母線是低壓輔助類設(shè)備，各界缺乏重視，對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，缺乏統(tǒng)一的行業(yè)限定;對產(chǎn)品質(zhì)量缺乏公認(rèn)的考核標(biāo)準(zhǔn)。這使得有關(guān)部門有心對行業(yè)和設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)管卻缺乏統(tǒng)一公認(rèn)的、具有科學(xué)研究支撐的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范作為依據(jù)。

同樣，在檢測方面也存在以下問題：(1)缺乏可以有效檢驗絕緣管型母線質(zhì)量特別是長期運行可靠性的型式試驗方法。(2)缺乏檢驗設(shè)備生產(chǎn)、安裝質(zhì)量的生產(chǎn)過程檢驗、出廠試驗和現(xiàn)場交接試驗方法和手段。(3)缺乏運維狀態(tài)檢測手段和評價依據(jù)。

目前，中國電力企業(yè)聯(lián)合會、中國電工技術(shù)學(xué)會、國家電網(wǎng)公司等正在出臺基于絕緣管型母線的體系化研究成果的有關(guān)設(shè)備型式結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標(biāo)及其檢測方法、交接驗收直至運行維護(hù)、狀態(tài)檢測等全環(huán)節(jié)的系列化標(biāo)準(zhǔn)。推動標(biāo)準(zhǔn)實施，并在實施過程中不斷完善標(biāo)準(zhǔn)，將使得檢測暴露出來的問題被有效解決。

4.3 體系化理論基礎(chǔ)研究問題

該類設(shè)備在國外技術(shù)較為單一且成熟，公開可查的文獻(xiàn)材料少有見到。僅見2017年俄羅斯西伯利亞聯(lián)邦大學(xué)Egor Moskvichev等開展的環(huán)氧浸漬類絕緣管型母線機(jī)械強(qiáng)度特性研究[11]。

而在國內(nèi)，該類設(shè)備品種眾多，且在應(yīng)用中出現(xiàn)大量問題，因此已引起部分研究者關(guān)注，并在以下方面開展了一定程度的研究工作。

材料基礎(chǔ)特性及其工藝方面：文獻(xiàn)[12]研究了不同制備工藝和結(jié)構(gòu)特性對微孔聚四氟乙烯(PTFE)電纜絕緣材料電氣性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)制備工藝改變會導(dǎo)致PTFE的結(jié)晶度、力學(xué)性能、介電強(qiáng)度發(fā)生變化，進(jìn)而影響其使用壽命。文獻(xiàn)[13]研究不同摻雜配比的PTFE試樣時，發(fā)現(xiàn)材料的配比能夠極大地影響聚合物內(nèi)空間電荷的積聚特性，進(jìn)而影響其電氣性能。文獻(xiàn)[14]在研究環(huán)氧樹脂機(jī)械特性時發(fā)現(xiàn)，不同配比的環(huán)氧樹脂斷裂截面明顯不同，而且溫度對不同配比環(huán)氧樹脂的影響也不相同。文獻(xiàn)[15]研究了用于絕緣管型母線主絕緣的環(huán)氧樹脂在熱老化環(huán)境下的力學(xué)特性，結(jié)果表明在熱老化作用下環(huán)氧樹脂抗拉強(qiáng)度基本呈線性下降，且老化過程中脆性斷裂的概率增加。

缺陷發(fā)展及其表征方面：文獻(xiàn)[16]總結(jié)了聚四氟乙烯絕緣帶繞包式絕緣管型母線的局部放電典型故障，同時進(jìn)行了聚四氟乙烯材料的電、熱聯(lián)合老化試驗，研究老化對材料擊穿電壓和介電特性的影響;中國電力科學(xué)研究院從現(xiàn)場使用適用性的角度出發(fā)，對可能用于絕緣管型母線的檢測狀態(tài)量和指標(biāo)進(jìn)行了分析研究。

安裝工藝方面：文獻(xiàn)[17]在研究管型母線安裝過程工藝時指出，彎曲擾度、軸向偏移等控制量十分重要，安裝過程中需要特別注意。

檢測手段方面：文獻(xiàn)[18]研究絕緣管型母線接頭處局部放電特性時指出，管型母線的接頭是一個易出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)，其關(guān)于接頭局部放電的研究結(jié)果為絕緣管型母線接頭處沿面放電的早期檢測提供了試驗基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[19]采用局部放電檢測中的超聲波檢測法和超高頻檢測法對全絕緣管型母線局部放電進(jìn)行檢測和分析診斷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過綜合運用這兩種方法可以提高局部放電測試的效率。文獻(xiàn)[20]得到了聚四氟乙烯繞包類設(shè)備缺陷的局部放電圖譜典型特征。文獻(xiàn)[21]和文獻(xiàn)[22]則根據(jù)特定的檢測方法得出設(shè)備在運維過程中的狀態(tài)評估方法和運維建議。

這些研究都對了解絕緣管型母線的材料特點、典型放電性缺陷及其發(fā)展、部分工藝要點和檢測方法等方面起到了很大的推動作用。然而，科學(xué)構(gòu)建該類設(shè)備相關(guān)問題研究體系，才能在根本上從提升設(shè)備質(zhì)量和增強(qiáng)設(shè)備性能檢測兩方面遏制事故頻發(fā)現(xiàn)狀，提高設(shè)備運行可靠性。

5 研究展望

結(jié)合絕緣管型母線本身絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)特點、行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的普遍問題，本文認(rèn)為：必須圍繞絕緣管型母線在材料選取、絕緣設(shè)計、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量檢測及運行維護(hù)等全過程，從技術(shù)問題和管理問題兩個層面開展體系化研究工作，才能找出目前設(shè)備故障多發(fā)的根本性解決方法，提高產(chǎn)品運行穩(wěn)定性，并推動該類設(shè)備向更高電壓等級及更廣泛應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。

5.1 技術(shù)問題研究

5.1.1 絕緣管型母線性能優(yōu)化及檢測能力提升的基礎(chǔ)研究

主要是絕緣結(jié)構(gòu)缺陷的影響因素及其發(fā)展的研究。歸納絕緣管型母線在原材料、生產(chǎn)、運輸、安裝及運行中產(chǎn)生的多發(fā)性缺陷種類，研究其受電、熱、機(jī)械及環(huán)境因素作用下發(fā)展的過程特性及其在絕緣管型母線服役特征參量上的相應(yīng)變化。一方面，支撐改進(jìn)工藝，控制缺陷;另一方面，為在運行中選取相應(yīng)的試驗方法，檢測缺陷種類和影響程度提供理論依據(jù)。

5.1.2 絕緣管型母線體系化設(shè)計方法的研究

**分析絕緣管型母線的材料、結(jié)構(gòu)、工藝條件及應(yīng)用環(huán)境等條件，建立完整的絕緣管型母線設(shè)計體系，體現(xiàn)設(shè)備特征，對關(guān)鍵尺寸、參數(shù)以及生產(chǎn)過程中須要達(dá)到的工藝要求進(jìn)行**、科學(xué)的設(shè)計。使得設(shè)備的設(shè)計有章可循，同時能順利向更高電壓等級、更廣應(yīng)用領(lǐng)域升級。

5.1.3 基于多維服役狀態(tài)特征參數(shù)的絕緣管型母線服役狀態(tài)綜合評估技術(shù)研究

在分別研究不同缺陷的發(fā)展特性及其宏觀服役狀態(tài)參數(shù)表征的研究基礎(chǔ)上，建立兩者間的交叉對應(yīng)管理，利用運行中測得的多種服役參數(shù)，綜合分析判斷是否有缺陷，缺陷的種類及其發(fā)展程度，從而綜合判斷絕緣管型母線的服役狀態(tài)，為設(shè)備的運行和維護(hù)提供指導(dǎo)。

5.1.4 絕緣管型母線服役狀態(tài)關(guān)鍵特征參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)研究

為進(jìn)一步提高絕緣母線運維水平，應(yīng)基于多維服役狀態(tài)特征參數(shù)的絕緣管型母線服役狀態(tài)綜合評估技術(shù)研究成果，利用帶電檢測和在線監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)絕緣管型母線服役狀態(tài)關(guān)鍵特征參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測。

5.2 管理問題研究

隨著絕緣管型母線在中國各行業(yè)的推廣應(yīng)用，絕緣管型母線行業(yè)管理當(dāng)下*重要的任務(wù)是編制絕緣管型母線系列標(biāo)準(zhǔn)。這對有效解決當(dāng)前絕緣管型母線在產(chǎn)品設(shè)計、材料選型、生產(chǎn)管控、性能檢測、建設(shè)施工、日常運維、狀態(tài)檢測等全過程缺乏技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可供依據(jù)的難題，為*大限度地發(fā)揮絕緣管型母線的技術(shù)優(yōu)勢與特點提供堅強(qiáng)保障，具有重要意義。

目前，部分廠家在產(chǎn)品全工藝過程的管控，部分運行維護(hù)單位對設(shè)備的交接、運行等環(huán)節(jié)均積累了一定的經(jīng)驗，與之相關(guān)的研究也正在進(jìn)行，以這些工作的成果為基礎(chǔ)，建立該類設(shè)備系列化標(biāo)準(zhǔn)體系的時機(jī)已經(jīng)成熟。

6 結(jié)論

本文著重分析了絕緣管型母線在中國的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)特點和存在問題，并在此基礎(chǔ)上提出了絕緣管型母線當(dāng)下發(fā)展亟待解決的多項問題。主要有以下結(jié)論。

(1)中國絕緣管型母線設(shè)備起步較國外晚，目前行業(yè)尚處在發(fā)展初期，但設(shè)備種類繁多。

(2)絕緣管型母線主要有澆注、繞包和擠包3類，不同種類的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝控制關(guān)鍵點差異甚大，技術(shù)特點各有其突出優(yōu)勢和不足之處，生產(chǎn)、使用中應(yīng)揚長避短。

(3)絕緣管型母線故障頻發(fā)，暴露出設(shè)備在設(shè)計、生產(chǎn)、安裝、運行和全過程檢測中均存在問題之處且目前的研究基礎(chǔ)不足以支撐解決存在的問題。

(4)為提高絕緣管型母線設(shè)備運行穩(wěn)定性，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級，應(yīng)從技術(shù)問題和管理問題兩方面著手開展研究，以研究該類設(shè)備材料可能產(chǎn)生的缺陷的發(fā)展特性和檢測方法為科學(xué)依據(jù)，在技術(shù)上建立該類設(shè)備的綜合設(shè)計體系，在運行中建立設(shè)備狀態(tài)檢測和評價方法體系，研發(fā)帶電檢測、在線監(jiān)測系統(tǒng)，同時在管理層面建立圍繞設(shè)備生產(chǎn)、安裝、交接驗收及運行維護(hù)全環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)體系，為設(shè)備質(zhì)量監(jiān)管提供依據(jù)。

作者：阮羚 , 劉睿 , 趙健康 , 許志斌 , 楊帆 , 朱思瑞 , 李文佩  

參考文獻(xiàn)

[1]周遠(yuǎn)翔, 趙健康, 劉睿, 等. 高壓/超高壓電力電纜關(guān)鍵技術(shù)分析及展望[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(9): 2593-2612.

ZHOU Yuanxiang, ZHAO Jiankang, LIU Rui, et al. Key technical analysis and prospect of high voltage and extra-high voltage power cable[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(9): 2593-2612. (1)

[2]王永文. 電網(wǎng)運行中低壓電器設(shè)備故障原因分析及對策[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備, 2013(4): 61-62.

WANG Yongwen. Analysis and ermeasures of power grid op-eration of low-voltage electrical equipment failures[J]. Modern Manufacturing Technology and Equipment, 2013(4): 61-62. (1)

[3]張星海, 劉鳳蓮, 鄧元實, 等. 35 kV絕緣管型母線運行異常分析及結(jié)構(gòu)探討[J]. 高壓電器, 2016, 52(1): 190-197, 203.

ZHANG Xinghai, LIU Fenglian, DENG Yuanshi, et al. Analysis on abnormal operation and structure of a 35 kV insulating tubular bus bar[J]. High Voltage Apparatus, 2016, 52(1): 190-197, 203. (1)

[4]張北寧. 管形絕緣母線和矩形銅排母線性能比較及應(yīng)用[J]. 水電與新能源, 2010, 92(6): 60-64.

ZHANG Beining. Comparison of acteristics of insulated tubular copper busbar and rectangular copper busbar and their application[J]. Hyower and New Energy, 2010, 92(6): 60-64. (1)

[5]鄧顯波, 歐陽本紅, 孔祥海, 等. 大截面高壓電纜導(dǎo)體交流電阻的優(yōu)化[J]. 高電壓技術(shù), 2016, 42(2): 522-527.

DENG Xianbo, OUYANG Benhong, KONG Xianghai, et al. Opti-mization of AC resistance of large cross-section high-voltage cable conductor[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(2): 522-527. (1)

[6]楊帆, 張耀東, 周啟義, 等. 一起絕緣管型母線故障的綜合缺陷分析及防范措施[J]. 湖北電力, 2015, 39(8): 42-44, 49.

YANG Fan, ZHANG Yaodong, ZHOU Qiyi, et al. Comprehensive defect analysis and preventive measures for an insulated busbar fault[J]. Hubei Electric Power, 2015, 39(8): 42-44, 49. (1)

[7]陳賢熙, 李國偉. 一起變壓器變低全絕緣管型母線絕緣缺陷綜合分析[J]. 中國電業(yè)(技術(shù)版), 2014(11): 25-28.

CHEN Xianxi, LI Guowei. Synthetical analysis of a transformer low voltage side insulated tubular busbar fault[J]. China Electric Power (Technology Edition), 2014(11): 25-28. DOI:10.3969/j.issn.1002-1140.2014.11.009 (1)

[8]趙志剛, 李光范, 李金忠, 等. 基于有限元法的大型電力變壓器抗短路能力分析[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(10): 3214-3220.

ZHAO Zhigang, LI Guangfan, LI Jinzhong, et al. Analyzing the short-cinuit withstanding ability of large power transformer based the FEM method[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(10): 3214-3220. (1)

[9]卓金玉. 電力電纜設(shè)計原理[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1999: 78-93. (1)

[10]劉子玉. 電氣絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計原理(上冊, 電力電纜)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1981: 271-275. (1)

[11]MOSKVICHEV E V, FILIPPOVA Y F, EREMIN N V. Research tasks of mechanical strength and fracture of -resin insulated busbar systems[J]. Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2017, 10(1): 17-23. (1)

[12]程歡. 微孔PTFE電纜絕緣材料的制備和結(jié)構(gòu)、性能的研究[D]. 上海: 復(fù)旦大學(xué), 2009.

CHENG Huan. Reasearch on the preparation, structure and perfor-mances of power cable insulation matierial of microporous polytetrafluoroethylene(PTFE) [D]. Shanghai: Fudan Univercity, 2009. (1)

[13]趙凱, 黨智敏. 四針狀氧化鋅晶須/聚四氟乙烯復(fù)合材料的電氣性能研究[J]. 絕緣材料, 2011, 44(3): 49-52.

ZHAO Kai, DANG Zhimin. Electrical properties of T-ZnO_w/PTFE composites[J]. Insulating Materials, 2011, 44(3): 49-52. (1)

[14]尹桂來, 李建英, 王詩航, 等. GIS用氧化鋁改性環(huán)氧澆注材料的熱學(xué)與力學(xué)性能研究[J]. 絕緣材料, 2014, 47(5): 50-54.

YIN Guilai, LI Jianying, WANG Shihang, et al. Thermal and mechanical properties of epoxy ing materials modified by Al2O3 for GIS [J]. Insulating Materials, 2014, 47(5): 50-54. (1)

[15]張暉, 陽建紅, 李海斌, 等. 濕熱老化環(huán)境對環(huán)氧樹脂性能影響研究[J]. 兵器材料科學(xué)與工程, 2010, 33(3): 41-43.

ZHANG Hui, YANG Jianhong, LI Haibin, et al. Effects of hydro-thermal aging on properties of epoxy resin[J]. Ordnance Material Science and Engineering, 2010, 33(3): 41-43. (1)

[16]張黎明, 朱曉輝, 王永寧, 等. 含缺陷PTFE絕緣管型母線模型的局部放電信號特征分析[J]. 電氣應(yīng)用, 2017, 36(3): 18-22, 73.

ZHANG Liming, ZHU Xiaohui, WANG Yongning, et al. Characteristics analyses of the partial disge signals of insulated tubular busbar models[J]. Electrotechnical Application, 2017, 36(3): 18-22, 73. (0)

[17]鄭國彪. 管型母線安裝工藝的改進(jìn)[J]. 中國電力, 2009, 42(7): 80-83.

ZHENG Guobiao. Technological improvement for tubular bus-bar installation[J]. Electric Power, 2009, 42(7): 80-83. (1)

[18]張亮, 李軍浩, 譚家勇, 等. 絕緣銅管母線接頭處沿面局部放電特性研究[J]. 高壓電器, 2013, 49(11): 94-98.

ZHANG Liang, LI Junhao, TAN Jiayong, et al. Characteristics of surface partial disge on joint of insulated copper busbar[J]. High Voltage Apparatus, 2013, 49(11): 94-98. (1)

[19]鄭云海, 吳奇寶, 何華琴. 全絕緣管母線局部放電的檢測與分析診斷[J]. 絕緣材料, 2010, 43(4): 63-66.

ZHENG Yunhai, WU Qibao, HE Huaqin. Detecting and diagnosis of partial disge in a fully insulated pipe type bus bar[J]. Insulating Materials, 2010, 43(4): 63-66. (1)

[20]GAO Y, CHEN L Y, ZHANG L M, et al. PD acteristics in PTFE insulated tubular busbar models measured with HFCT and acoustic sensor[C]//Properties and Applications of Dielectric Materials. IEEE, 2015: 736-739. (1)

[21]劉鳳蓮, 薛志航, 鄧元實, 等. 絕緣管型母線運行特性及狀態(tài)評估方法[J]. 高電壓技術(shù), 2017, 43(12): 4088-4095.

LIU Fenglian, XUE Zhihang, DENG Yuanshi, et al. Evaluation system of the operation acteristics and states of insulated tubular busbars[J]. High Voltage Engineering, 2017, 43(12): 4088-4095. (1)

[22]鄭釧, 林肖斐, 沈璟, 等. 主變低壓側(cè)管型母線缺陷分析與運維建議[J]. 江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報, 2017, 30(1): 5-7.

ZHENG Chuan, LIN Xiaofei, SHEN Jing, et al. An analysis of defects and maintenance advice for insulating tubular bus bars on low voltage side of main transformer[J]. Journal of Jiangxi Vocational and Technical College of Electricity, 2017, 30(1): 5-7. (1)