一种耐高压输电管道及其制备方法 |
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| 申请号 | CN201610474581.1 | 申请日 | 2016-06-24 | 公开(公告)号 | CN106099779A | 公开(公告)日 | 2016-11-09 |
| 申请人 | 湖北大学; | 发明人 | 黄修林; 卞周宏; 黄绍龙; 彭波; 唐涛; 金帆; 罗霄; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种耐高压输电管道，其外层设置屏蔽保护层，屏蔽保护层内部周向均匀间隔布置若干束中空金属输电管，中空金属输电管的轴线与屏蔽保护层的轴线平行或重合，在屏蔽保护层和中空金属输电管的间隙处填充设置绝缘层；其中，所述绝缘层采用 聚合物 水 泥 混凝土 ，中空金属输电管中灌注冷却循环绝缘油。采用新型聚合物 水泥 混凝土作为电 力 电缆 绝缘材料，替代传统交联聚乙烯或高硬度乙丙 橡胶 等有机绝缘材料，解决了现有有机绝缘材料存在的老化和绝缘劣化的问题；同时通过对屏蔽保护层和中空金属输电管进行结构设计，使所得所述耐高压输电管道表现出强度高、高绝缘、耐高温、易 散热 、耐久性好等优异性能，适合推广应用。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种耐高压输电管道，其特征在于，其外层设置屏蔽保护层，屏蔽保护层内部周向均匀间隔布置若干束中空金属输电管，中空金属输电管的轴线与屏蔽保护层的轴线平行或重合，在屏蔽保护层和中空金属输电管的间隙处填充设置绝缘层；其中，所述绝缘层采用聚合物水泥混凝土，中空金属输电管中灌注冷却循环绝缘油。 |
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| 说明书全文 | 一种耐高压输电管道及其制备方法技术领域背景技术[0002] 目前高压输电方式主要有架空线、电力电缆和气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)三种。架空线绝缘主要是依靠空气绝缘，因此相间距较大，占用通道宽度大，易受污秽、雷电、风雪、冰灾等等外部环境影响，同时架空线路地形复杂，维护投入成本大，当提高电压时需进一步增大通道宽度和导线对地高度，综合造价将增加；电力电缆通常采用有机材料绝缘，相间距离紧凑，可以地下、海底铺设，占用空间小，但由于散热和有机绝缘材料在高温环境下的老化和绝缘劣化问题，输送容量和使用年限受到一定限制；GIL源于SF6绝缘的金属封闭母线，是一种采用SF6气体或SF6和N2混合气体绝缘、外壳与导体同轴布置的高电压、大电流电力传输设备，在大容量长距离输电方面具有优势，GIL的优点为占地少、无电磁干扰、不受外界自然环境影响，但GIL设备投资大，后期维护成本高。 [0003] 因此，亟需提出一种新型高压输电管道技术，解决现有输电线路的输送容量不足、损耗率较高、工程综合造价偏高等难题。聚合物混凝土具有造价低、耐热等级高和足够的绝缘强度的特点，将其用于输电管道，可解决现有输电方式的输送容量不足、工程综合造价偏高等难题。 发明内容[0004] 为解决架空线路空间环境受限和现有电力电缆、气体绝缘金属封闭输电线路输送容量不足、损耗率较高、工程综合造价高的劣势，本发明的目的是提供一种耐高压输电管道及其制备方法，所述耐高压输电管道的输电电压可以达到35kV，输送容量达到21000kW·h，功率损耗低，环境适应性强。 [0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为： [0006] 一种耐高压输电管道，其外层设置屏蔽保护层，屏蔽保护层内部周向均匀间隔布置若干束中空金属输电管，中空金属输电管的轴线与屏蔽保护层的轴线平行或重合，在屏蔽保护层和中空金属输电管之间的间隙处填充设置绝缘层；其中，所述绝缘层采用聚合物水泥混凝土，中空金属输电管中灌注冷却循环绝缘油。 [0007] 上述方案中，所述中空金属输电管的数量为1～6束。 [0008] 优选的，所述中空金属输电管的数量为1束、3束、4束或6束。 [0009] 上述方案中，所述冷却循环绝缘油采用温度为5-15℃的绝缘油。 [0011] 上述方案中，所述金属管、半导体层和绝缘陶瓷层沿管道结构径向方向的厚度比为100:(0.1-1):(1-30)。 [0012] 优选的，所述金属管的内径d2＝5-15mm，金属管沿径向的厚度δ3＝5-10mm，半导体层沿径向的厚度δ5＝0.01-0.1mm，绝缘陶瓷层沿径向的厚度δ4＝0.2-3mm。 [0013] 上述方案中，所述中空金属输电管的制备步骤包括：1)将金属管外表面进行打磨预处理，除去部分金属氧化物和其他杂质；2)将半导体粉料与烧结助剂、硅铬复合溶液及水混合研磨，制备半导体层浆料；3)将半导体层浆料均匀涂覆于金属管外表面，常温阴干成膜；4)转移至陶瓷烧结炉进行低温热烧结，烧结制度为以10-20℃/min的速率升温至450-550℃，保温2-4h，缓慢降至常温；5)将已烧结的金属管外表面半导体层进行打磨处理，去部分金属氧化物和其他杂质，将步骤2)中的粉末半导体材料替换为绝缘陶瓷粉料，重复步骤 2)、3)、4)进行绝缘陶瓷层烧结，得所述中空金属管。 [0014] 上述方案中，所述半导体层采用氧化锑、氧化锌、氧化钴、氧化钨中的一种；所述绝缘陶瓷层采用滑石陶瓷、镁橄榄石陶瓷、莫来石陶瓷、Al2O3陶瓷、SiC陶瓷、AlN陶瓷中的一种；金属管采用金属铝、金属铜、铝合金、铜合金中的一种。 [0015] 上述方案中，所述聚合物水泥混凝土由水泥、超细集料、微细粉料、膨胀剂、高分子乳液、减水剂、消泡剂、减缩剂和纤维按100:(150-300):(5-50):(2-8):(15-40):(0.5-1.0):(0.05-0.10):(0.1-1):(0.02-0.08)的质量比制备而成。 [0016] 上述方案中，所述超细集料为高纯石英砂，SiO2有效含量大于99.9％，Fe2O3含量小于0.001％；所述微细粉料为微硅粉、粉煤灰、硅灰石、云母粉、偏高岭土中的一种或多种；所述高分子乳液为环氧树脂乳液、乙烯酸酯乳液、丙烯酸酯乳液、苯乙烯-丙烯酸酯乳液、乙酸乙烯酸酯乳液、醋酸乙烯酯、丁苯胶乳、丙苯胶乳中的一种或多种；所述纤维为聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维中的一种或多种。 [0017] 上述方案中，所述聚合物水泥混凝土的制备步骤为：1)将水泥、超细集料、微细粉料、膨胀剂、高分子乳液、减水剂、消泡剂、减缩剂和纤维按100:(150-300):(5-50):(2-8):(15-40):(0.5-1.0):(0.05-0.10):(0.1-1):(0.02-0.08)的质量比进行称量；2)混料：将水泥、超细集料、微细粉料、膨胀剂和纤维加入到高速搅拌容器内进行干拌1-2min，然后加入称取的高分子乳液继续拌合1-2min，再加入减水剂、消泡剂和减缩剂进行剪切搅拌得新拌耐高压输电管道材料。 [0018] 上述方案中，所述屏蔽保护层由金属屏蔽层和有机保护层构成。 [0019] 上述方案中，所述金属屏蔽层和有机保护层沿径向的厚度比为(1-10):100。 [0020] 优选的，所述金属屏蔽层沿径向的厚度δ1＝0.1-1mm，有机保护层沿径向的厚度δ2＝3-10mm。 [0021] 上述方案中，所述有机保护层采用聚乙烯、交联聚乙烯、聚氯乙烯、交联聚氯乙烯、乙丙橡胶尽缘护套中的一种；所述金属屏蔽层为金属丝、金属网带、金属管中的一种。 [0022] 优选的，屏蔽保护层内部周向均匀间隔布置3束中空金属输电管时，满足d2＝5-15mm，δ3＝5-10mm，δ4＝0.2-3mm，δ5＝0.01-0.1mm，d1＝80-150mm，δ1＝0.1-1mm，δ2＝3-10mm； 屏蔽保护层内部周向均匀间隔布置4束中空金属输电管时，满足d2＝10-25mm，δ3＝5-20mm，δ4＝0.5-5mm，δ5＝0.05-0.1mm，d1＝200-350mm，δ1＝0.2-2mm，δ2＝5-10mm；屏蔽保护层内部周向均匀间隔布置6束中空金属输电管时d2＝15-25mm，δ3＝10-15mm，δ4＝0.5-5mm，δ5＝ 0.02-0.1mm，d1＝300-500mm，δ1＝0.2-5mm，δ2＝5-20mm。 [0023] 上述一种耐高压输电管道的制备方法，包括如下步骤：包括如下步骤：1)按设计尺寸制备屏蔽保护层和中空金属输电管，将空金属输电管套在屏蔽保护层内，进行竖直安装，中空金属输电管的轴线与屏蔽保护层的轴线平行或重合；2)将步骤1)中安装好的屏蔽保护层和中空金属输电管的下部进行密封，预留泵接管并固定牢固，管道顶部设置抽真空管和排浆管，管壁四周固定并间隔安装振动器；3)按配方要求制备聚合物水泥混凝土；4)开启抽真空仪和振动器，从屏蔽保护层和中空金属输电管底部的间隙开始泵送聚合物水泥混凝土，整个过程控制0.1-0.2Mpa的负压条件，待管道顶部排浆空流浆稳定，机械密封泵送管、排浆管和抽真空管，常温养护6-12h后移至40-60℃湿度养护室高温养护24h以上，得所述耐高压输电管道。 [0024] 本发明的原理：本发明选用绝缘性能优异的聚合物制备成的乳液完全取代水，与水泥、微细填料等混合制备出高性能可泵送水泥-聚合物复合浆(PCC)，聚合物失水固化后形成的聚合物薄膜有效阻断了输电管道绝缘层内部溶液孔隙传递通道，保证了在高电压环境中输电管道材料的绝缘性能，采用消泡剂可以降低有机聚合物颗粒的表面张力，增加聚合物在无机材料体系中的相容性，避免了PCC复合浆内部气泡的残留，增强了PCC材料的致密性。将膨胀剂和减缩剂应用到输电管道中，使PCC混凝土材料水化中后期持续稳定膨胀，解决了混凝土收缩脱粘的问题，保证了屏蔽保护层、中空金属输电管与中间绝缘层的牢固粘结，增加了绝缘层的致密性和耐久性，也增强了该耐高压输电管道的耐久性。采用绝缘油循环的方式，可将高压下输电管道电力损耗产生的热量有效带走，降低整个管道体系的持续工作温升，提高了绝缘层的耐久性；采用顶升真空泵送技术，将PCC混凝土材料由管道底部逐渐泵送到管道顶部，使中间绝缘混凝土更加致密，有效减少了PCC中气泡的含量，保证了绝缘性能。 [0025] 本发明的有益效果为： [0026] 1)采用新型聚合物水泥混凝土作为电力电缆绝缘材料，替代传统交联聚乙烯或高硬度乙丙橡胶等有机绝缘材料，解决了现有有机绝缘材料存在的老化和绝缘劣化的问题，同时降低输电管线材料成本。 [0027] 2)针对不同输电管道要求，设计单束、3束、4束、6束等不同类型的输电管道，满足不同输送电压和输送条件下的输送要求，该耐高压输电管道最大稳定工作电压可以达到35kV，最大电压可达40kV。 [0029] 图1为实施例1所述耐高压输电管道的结构示意图。 [0030] 图2为实施例1中所述中空金属输电管的结构示意图。 [0031] 图3为实施例1中所述屏蔽保护层的结构示意图。 [0032] 图4为实施例2-3所述耐高压输电管道的结构示意图。 [0033] 图5为实施例4所述耐高压输电管道的结构示意图。 [0034] 图6为实施例5所述耐高压输电管道的结构示意图。 [0035] 其中，1为外层设置屏蔽保护层，2为中空金属输电管，3为绝缘层，4为绝缘油，2-1为金属管，2-2为半导体层，2-3为绝缘陶瓷层，3-1为金属屏蔽层，3-2为有机保护层。 具体实施方式[0036] 为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。 [0037] 为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。 [0038] 以下实施例如无具体说明，采用的试剂为市售化学试剂或工业产品。 [0039] 以下实施例中，所述绝缘层采用聚合物水泥混凝土，其制备步骤为：1)将水泥、超细集料(万川石英发展有限公司生产的高纯石英砂，粒度范围0.1-0.01mm，SiO2有效含量大于99.9％，Fe2O3含量小于0.001％)、微细粉料(南京派尼尔科技实业有限公司生产的微硅粉，二氧化硅含量大于90％，比表面积250m2/kg，活性指数110％)、膨胀剂(天津豹鸣股份有2 限公司生产的HCSA高性能混凝土膨胀剂，比表面积280m /kg，21天空气限制膨胀率大于 0.02％)、高分子乳液(上海爱世博有机硅材料有限公司生产的MU系列水性环氧树脂乳液，树脂含量50％，环氧当量500g/mol)、减水剂(江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸减缩抗裂减水剂，固含量23％，减水率25％)、消泡剂(合肥万成环保科技有限公司生产的BYC-014A聚醚改性有机硅消泡剂，活性物有效含量大于18％)、减缩剂(江苏苏博特新材料股份有限公司生产的 型聚醚类减缩剂)和聚丙烯纤维以100:200: 25:5:30:0.6:0.07:0.5:0.06的质量比进行称量；2)混料：将水泥、超细集料、微细粉料、膨胀剂和纤维加入到高速搅拌容器内进行干拌2min，然后加入称取的高分子乳液继续拌合 2min，再加入减水剂、减缩剂和消泡剂以剪切搅拌得新拌耐高压输电管道绝缘材料。 [0040] 以下实施例中，所述中空金属输电管的制备步骤包括：1)将金属管外表面进行打磨预处理，除去部分金属氧化物和其他杂质；2)将半导体粉料(氧化钴)与烧结助剂(氧化钙和二氧化硅按质量比1:1的混合物)、硅铬复合溶液及水混合研磨，制备半导体层浆料；3)将半导体层浆料均匀涂覆于金属管外表面，常温阴干成膜；4)转移至陶瓷烧结炉进行低温热烧结，烧结制度为10℃/min升温至500℃，保温2.5h，缓慢降至常温；5)将已烧结的金属管外表面半导体层进行打磨处理，，去部分金属氧化物和其他杂质，将上述步骤2)中的半导体粉料替换为绝缘陶瓷粉料，重复步骤2)、3)、4)进行绝缘层烧结，得所述中空金属管。 [0041] 以下实施例中，所述耐高压输电管道的制备方法为：1)按设计尺寸制备屏蔽保护层和中空金属输电管，将中空金属输电管套在屏蔽保护层内，进行竖直安装，中空金属输电管的轴线与屏蔽保护层的轴线平行或重合；2)将步骤1)中安装好的屏蔽保护层和中空金属输电管的下部进行密封，预留泵接管并固定牢固，管道顶部设置抽真空管和排浆管，管壁四周固定并间隔安装振动器；3)按配方要求制备聚合物水泥混凝土；4)开启抽真空仪和振动器，从屏蔽保护层和中空金属输电管底部的间隙开始泵送聚合物水泥混凝土，整个过程控制0.2Mpa的负压条件，待管道顶部排浆空流浆稳定30s，机械密封泵送管、排浆管和抽真空管，常温养护12h后移至50℃湿度养护室高温养护24h以上，得所述耐高压输电管道。 [0042] 实施例1 [0043] 一种耐高压输电管道，其结构示意图见图1，外层设置屏蔽保护层1，屏蔽保护层1内沿轴线设置一束中空金属输电管2，在屏蔽保护层1和中空金属输电管2的间隙处填充设置绝缘层3；其中，所述绝缘层3采用聚合物水泥混凝土，中空金属输电管2中灌注冷却循环绝缘油4。 [0044] 如图2所示，所述中空金属输电管2包括由内向外依次设置的金属管2-1、半导体层2-2和绝缘陶瓷层2-3。屏蔽保护层3由金属屏蔽层3-1和有机保护层3-2构成(见图3)。 [0045] 本实施例所述耐高压输电管道中各构件的尺寸要求和采用的材料分别见表1和表2。 [0046] 实施例2-3 [0047] 一种耐高压输电管道，其结构示意图见图4，外层设置屏蔽保护层，屏蔽保护层内部周向均匀间隔布置3束中空金属输电管，中空金属输电管的轴线与屏蔽保护层的轴线平行，在屏蔽保护层和中空金属输电管的间隙处填充设置绝缘层；其中，所述绝缘层采用聚合物水泥混凝土，中空金属输电管中灌注冷却循环绝缘油。 [0048] 所述中空金属输电管和屏蔽保护层的结构与实施例1相同。 [0049] 实施例2-3所述耐高压输电管道中各构件的尺寸要求和采用的材料分别见表1和表2。 [0050] 实施例4-5 [0051] 实施例4-5所述耐高压输电管道的结构与实施例2-3大致相同，不同之处在于，屏蔽保护层内部周向分别均匀间隔布置4束和6束中空金属输电管。 [0052] 一种耐高压输电管道结构，其各结构尺寸见表1，所用材料见表2。所述耐高压输电管道各构件的尺寸要求和采用的材料分别见表1和表2。 [0053] 表1实施例1-5中所述耐高压输电管道中各构件的设计尺寸 [0054] [0055] 表2实施例1-5所述耐高压输电管道中各构件采用的材料 [0056] [0057] 上述结果表明，本发明所述耐高压输电管道具有强度高、高绝缘、耐高温、易散热、耐久性好等优异性能，满足标准规定的各项性能指标，有利于实际工程应用。 [0058] 以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。 |
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