北極星智能電網在線訊:我國能源稟賦與能源需求呈逆向分布，形成“西電東送、北電南供”的局面。特高壓直流輸電工程在電能遠距離、大容量傳輸方面發揮著重要作用。隨著直流輸電系統電壓等級的提高、輸送容量的增大，設備內部的電、熱、力學工況應力逐漸增大，對電工材料的性能提出了更高要求。

氮化硅陶瓷材料在特高壓直流設備中應用潛力巨大

特高壓直流六氟化硫氣體內絕緣穿墻套管作為特高壓換流站的核心設備之一，發揮著連接換流閥廳內部和戶外高壓電氣設備的重要作用。在特高壓直流六氟化硫氣體內絕緣穿墻套管內部，支柱絕緣子是最為關鍵的絕緣結構，起到支撐高壓導桿、減小套管內部電場畸變的作用。在實際運行中，高壓導桿不僅承受高達±800千伏及以上的電壓，而且內部通有3150～6300安的直流大電流，最高溫度可達115攝氏度。支柱絕緣子的上下部之間存在75～85攝氏度的溫度差，電效應和熱效應都較為顯著。與六氟化硫氣體的絕緣強度相比，支柱絕緣子的表面絕緣強度較低，容易發生沿面閃絡，是套管內部的絕緣薄弱點。

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類似的情況還發生在氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）以及氣體絕緣金屬封閉開關（GIS）等電氣設備中。其共同點在于支柱絕緣子要長期經受強電場、大溫度梯度以及六氟化硫氣氛等多因素耦合作用，傳統支柱絕緣用材料易發生本征特性劣化，造成絕緣性能下降，引發沿面閃絡，影響電氣設備安全運行。因此，研發能夠提升特高壓直流六氟化硫氣體內絕緣電氣設備可靠性的新型支柱絕緣子材料具有重要意義。

陶瓷材料作為一種無機非金屬材料，具有高機械強度、高耐久性、低熱膨脹系數等性能優勢，廣泛應用于電力設備外絕緣領域。傳統外絕緣陶瓷材料主要由石英、長石、黏土等原料燒結而成，在特高壓直流六氟化硫氣體內絕緣電氣設備中，絕緣性能和耐腐蝕性能方面無法滿足應用要求。解決這一問題，需要從種類繁多、絕緣特性相差懸殊的陶瓷材料配方體系中選出表面絕緣強度高、與六氟化硫氣體相容性強的高性能陶瓷基礎材料體系。氮化硅陶瓷材料是一種由硅氮元素以共價鍵結合的化合物，具有良好的機械強度、絕緣性能、溫度穩定性、導熱性和耐腐蝕性能，是結構陶瓷家族中綜合性能最為優異的一類，在特高壓直流六氟化硫氣體內絕緣電氣設備中應用潛力巨大。

研發新型支柱材料，優化支柱結構模型

自2018年起，國網智能電網研究院有限公司聯合華北電力大學、中材高新材料股份有限公司成立研發團隊，開展特高壓直流六氟化硫氣體內絕緣電氣設備用氮化硅陶瓷材料研究。

高致密度、高耐腐蝕性、高絕緣強度及優良的表面電荷特性是氮化硅陶瓷材料應用于特高壓氣體內絕緣環境的決定性因素。為實現氮化硅陶瓷材料力-電性能的協同調控，項目組從原材料、配方體系、制備工藝等角度出發，采用高純度、亞微米級氮化硅粉體，通過摻雜釔、鉍等稀土功能離子和鎂、鋁金屬氧化物燒結助劑，優化氮化硅陶瓷材料配方體系，并調控陶瓷材料的晶格、晶界及缺陷結構。

在優選的氮化硅陶瓷配方體系基礎上，研發團隊采用先進的熱等靜壓燒結技術，制備得到了高致密度氮化硅陶瓷材料。研發團隊模擬特高壓氣體內絕緣運行環境，驗證了氮化硅陶瓷材料的服役可靠性。與傳統材料相比，新型氮化硅陶瓷材料在強電場、大溫度梯度、六氟化硫氣氛環境下的機械強度、電阻率-溫度變化特性、表面電荷積聚特性及耐腐蝕性等方面均展現出性能優勢。該技術的突破為提升氣體內支柱絕緣子材料的可靠性提供了新的解決方案。

為優化支柱絕緣子結構，2020年，國網智研院、華北電力大學、中材高新材料股份有限公司、阿爾斯通意大利公司密切溝通、協同創新，針對氣體內支柱絕緣子主體結構開展設計研究。為滿足±800千伏特高壓直流穿墻套管運行工況的支柱絕緣子應用要求，研發團隊將氮化硅材料特性與生產裝配工藝的各項要求融合到陶瓷支柱結構設計中，提出了多種不同類型、不同尺寸的氮化硅陶瓷支柱絕緣子模型整體優化設計方案，并采用多個軟件進行建模仿真，計算陶瓷支柱絕緣子在電場、電-熱耦合場、電-熱-流體耦合場的服役可靠性。研發團隊調整陶瓷支柱外形輪廓尺寸，并采用縮比模型進行性能驗證，最終確定采用“啤酒瓶”形狀的支柱。這種構型加工難度小，機械應力小，電場分布最優。該新型氮化硅陶瓷支柱與阿爾斯通公司傳統支柱相比體積減小50.9%，在電、熱、機械等各項指標上均優于阿爾斯通公司傳統支柱。最后，研發團隊基于設計的氮化硅陶瓷支柱，優化設計適配的底部及頂部金具，使支柱絕緣子及配套組件外形結構與特高壓直流六氟化硫氣體內絕緣穿墻套管內部結構匹配。

首支國產陶瓷支柱套管應用于特高壓直流工程

經過多年技術攻關，國網智研院、華北電力大學在2020年確定了±800千伏特高壓直流六氟化硫氣體內絕緣穿墻套管陶瓷支柱絕緣子設計方案。該陶瓷支柱絕緣子在中材高新材料股份有限公司生產制造，在山東電工電氣集團有限公司完成與套管的裝配。安裝有自主研發設計陶瓷支柱絕緣子的±800千伏特高壓直流六氟化硫氣體內絕緣穿墻套管在意大利GE Grid Solutions高壓實驗室根據《直流應用套管》（IEC/IEEE 65700-2014）、《1000伏以上交流電壓用絕緣套管》（IEC 60137-2017）標準開展型式試驗，順利通過15項試驗。這些試驗完整考核了陶瓷支柱絕緣子在多電壓類型下的沿面絕緣強度、局部放電水平及機械特性。

2021年，裝配有新型陶瓷支柱絕緣子的特高壓直流穿墻套管應用于±800千伏陜北—武漢特高壓直流工程武漢換流站。目前，該套管已安全運行滿兩年。

該技術成果攻克了高場強、大溫度梯度、六氟化硫氣氛等條件下支柱絕緣子材料的閃絡難題，實現了氮化硅陶瓷材料在特高壓氣體內絕緣領域的安全可靠應用，提升了特高壓設備的安全可靠性，對新型陶瓷材料應用領域擴展以及特高壓工程的示范引領具有重大意義。（盧理成 侯東 姬軍）

原標題:研發新型氮化硅陶瓷材料 增強特高壓設備可靠性

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