Материал эпоксидной смолы высокого напряжения 1100 кВ: свойства, стандарты и применение

Порог 1100 кВ и чего он требует от эпоксидной смолы

Передача сверхвысокого напряжения (СВН) при 1100 кВ переменного тока представляет собой нынешний потолок технологий коммерческих электросетей. Государственная сетевая корпорация Китая в январе 2019 года подала напряжение на первую в мире линию переменного тока напряжением 1100 кВ — проект Чжуньдун-Ваньнань, протяженностью более 3000 км через шесть провинций и способную передавать электроэнергию. 12 ГВт мощности . С тех пор дополнительные коридоры сверхвысокого напряжения были введены в эксплуатацию или строятся в Китае, Индии и Бразилии, в результате чего напряжение 1100 кВ превратилось в живую инженерную среду, а не в лабораторную спецификацию.

В этом классе напряжения каждый материал в системе изоляции работает на границе своих рабочих характеристик или вблизи нее. Эпоксидная смола, используемая в оборудовании напряжением 1100 кВ — прокладках распределительных устройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ), настенных вводах, трансформаторах тока и измерительных трансформаторах сухого типа, — должна удовлетворять диэлектрическим, механическим и термическим требованиям, которые качественно отличаются от требований на напряжение 110 кВ или 500 кВ. Напряженность электрического поля внутри литого изолятора увеличивается с ростом напряжения, и при напряжении 1100 кВ Напряжение начала частичного разряда (PDIV) и напряжение гашения частичного разряда (PDEV) стать первичными квалификационными критериями, а не вторичными проверками.

Следствием этого является то, что высоковольтный материал на основе эпоксидной смолы для применения на напряжении 1100 кВ не может быть выбран из стандартного ассортимента продукции без специальной проверки. Рецептура, распределение частиц наполнителя по размерам, содержание пустот после отливки и однородность отвержденной матрицы — все это требует более жесткого контроля, чем марки для более низкого напряжения.

Критические свойства материала для Эпоксидная смола для электрических систем высокого напряжения

Несколько свойств отличают эпоксидную смолу для применения в электротехнике высокого напряжения на уровне 1100 кВ от стандартных составов для электротехники. Каждый из них напрямую связан с режимом отказа, наблюдаемым при эксплуатации или типовом тестировании.

Требование частичного разряда заслуживает особого внимания. В элегазовых прокладках напряжением 1100 кВ напряжение электрического поля в тройном соединении, где встречаются металл, эпоксидная смола и газ SF₆, является точкой наибольшего напряжения в геометрии изолятора. Пустоты размером всего 50 мкм на этом переходе или рядом с ним могут вызвать частичный разряд при рабочем напряжении, а совокупная эрозия от устойчивого частичного разряда в конечном итоге приведет к перекрытию. Это стимулирует использование системы смол сверхнизкой вязкости в сочетании с вакуумным литьем для получения отливок без пустот, а также строгий контроль размера частиц наполнителя для предотвращения агломерации вблизи критических поверхностей.

Расширение сети сверхвысокого напряжения и его влияние на спрос на эпоксидные материалы

Глобальный трубопровод сверхвысокого напряжения является основным драйвером спроса на высоковольтные материалы на основе эпоксидной смолы класса 1100 кВ. В 14-м пятилетнем плане Китая (2021–2025 гг.) и в его последующих рамках предусмотрены дальнейшие инвестиции в коридоры переменного и постоянного тока сверхвысокого напряжения, чтобы соединить генерацию возобновляемых источников энергии на северо-западе и юго-западе с центрами нагрузки на восточном побережье. К середине 2020-х годов Государственная сетевая корпорация Китая и China Southern Power Grid совместно ввели в эксплуатацию или строили более 30 линий сверхвысокого напряжения, каждая из которых требует подстанций, оборудованных КРУЭ, измерительными трансформаторами и ограничителями перенапряжения с литой эпоксидной изоляцией.

Индийская Power Grid Corporation опубликовала спецификации для испытательных станций напряжением 1200 кВ и пилотных сегментов электропередачи в рамках своего Национального плана электроэнергетики, нацеленного на передачу электроэнергии на большие расстояния от гидро- и солнечных ресурсов. Бразильская компания ANEEL одобрила исследования линий сверхвысокого напряжения, соединяющих гидроэнергетические мощности Амазонки с Сан-Паулу и Рио-де-Жанейро. Эти проекты представляют собой значительный будущий спрос на квалифицированные системы литья эпоксидной смолы класса 1100 кВ за пределами Китая.

Сдвиг в сторону постоянный ток высокого напряжения (HVDC) при ±800 кВ и ±1100 кВ добавляет еще одно измерение квалификации материала. Постоянное напряжение воздействует на эпоксидную смолу иначе, чем переменное напряжение: накопление объемного заряда в объеме смолы и на границах раздела со временем изменяет эффективное распределение поля, явление, менее выраженное в условиях переменного тока. Поэтому составы эпоксидных смол для оборудования постоянного тока сверхвысокого напряжения требуют определения характеристик в соответствии с протоколами старения в электрическом поле постоянного тока, включая стандарт IEC 62895 для кабельных аксессуаров высокого напряжения, на который производители оборудования все чаще ссылаются как на эталон даже для некабельных изоляционных компонентов.

Нормы испытаний и квалификационные требования на напряжение 1100 кВ

Ни один стандарт IEC или IEEE не рассматривает квалификацию материала эпоксидной смолы специально для оборудования на 1100 кВ; вместо этого квалификация состоит из множества стандартов, применяемых к конечному продукту и составляющим его материалам. Инженеры и группы закупок, работающие с эпоксидной смолой для высоковольтного электрооборудования этого класса напряжения, обычно используют следующую схему.

• МЭК 62271-203 (Распределительное устройство в металлическом корпусе с элегазовой изоляцией): регулирует типовые и регламентные испытания КРУЭ при номинальном напряжении выше 52 кВ, включая диэлектрические испытания прокладок и вводов, которые служат функциональной аттестацией системы литой эпоксидной изоляции.
• МЭК 60270 (Измерение частичных разрядов): Эталонный стандарт для методологии измерения частичного разряда, применимый ко всей высоковольтной изоляции, выполненной эпоксидным литьем. Предельные значения частичного разряда при типовых испытаниях для прокладок КРУЭ на 1100 кВ указаны в стандартах на оборудование, но испытания частичного разряда на уровне материала в соответствии с IEC 60270 обычно проводятся во время разработки рецептуры.
• МЭК 60587 (Устойчивость к трекингу и эрозии): актуально для эпоксидных изоляторов и компонентов наружного применения, подвергающихся поверхностному загрязнению, согласно сравнительному индексу трекинга (CTI). Для наружного оборудования сверхвысокого напряжения обычно требуется напряжение CTI ≥ 600 В (группа материалов I).
• ГБ/Т 22707 и соответствующие китайские национальные стандарты: разработанные внутри страны стандарты оборудования сверхвысокого напряжения, разработанные частично в рамках национальных исследовательских программ с участием поставщиков материалов, устанавливают протоколы испытаний, специально откалиброванные для систем переменного тока 1000 кВ и систем постоянного тока ±800 кВ / ±1100 кВ.
• МЭК 60455 (Реактивные соединения на основе смол для электроизоляции): стандарт на базовый материал, охватывающий вязкость, время гелеобразования, Tg, диэлектрические свойства и механические характеристики эпоксидных систем, предназначенных для электроизоляции всех классов напряжения.

Помимо соблюдения формальных стандартов, производители оборудования на напряжение 1100 кВ обычно устанавливают свои собственные протоколы квалификации, в том числе ускоренное термическое старение при 105 °C в течение 1000 часов , испытания на механический удар в соответствии со стандартом IEC 60068-2-27 и проверку сейсмических характеристик для установок в сейсмоопасных регионах. Поставщики материалов, стремящиеся попасть в цепочки поставок сверхвысокого напряжения, должны быть готовы поддержать полное тестирование на системном уровне в мощных лабораториях производителей оборудования, а не только тестирование купонов на материалы на своих собственных объектах.