CN112002463A - 一种高压交直流穿墙套管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压交直流穿墙套管及其制备方法，该穿墙套管适用于35kV以上电压等级，包括导杆，以及套设于导杆的主绝缘，主绝缘包括由内向外依次设置的均压层和限流层，均压层套设于导杆，限流层的靠近中间的位置设置有法兰和电极延伸层，电极延伸层嵌设于限流层，法兰套设于电极延伸层，还包括多个外绝缘伞裙，多个外绝缘伞裙套设于主绝缘，且多个外绝缘伞裙分别位于法兰的轴向两侧。本发明结构简单，简化了制备工艺，便于加工，另外能够大幅降低主绝缘尺寸，缩小套管体积，改善高电压等级下套管的散热问题，提升了套管的可靠性，满足电气设备小型化的发展方向。

Description

一种高压交直流穿墙套管及其制备方法

技术领域

本发明涉及高压电气设备技术领域，具体涉及一种高压交直流穿墙套管及其制备方法。

背景技术

在高压输电领域经常会使用穿墙式套管，穿墙式套管的电极结构是一种典型的插入式结构，法兰作为穿墙套管与墙体等的连接结构，主要起到机械固定的作用，穿墙式套管的电极结构由高压电极导杆插入地电极法兰的中心构成，所以是具有强垂直电场分量的极不均匀电场。法兰处局部场强过大，容易造成绝缘材料的老化，甚至发生击穿，影响绝缘性能。同时，套管表面轴向场强分布不均，电场主要集中在靠近法兰一侧，因此容易导致沿面闪络的发生。主绝缘内部径向场强分布与半径成反比，当电压等级增高，绝缘厚度增大时，主绝缘内侧场强远高于外侧场强。相关技术的穿墙式套管采用传统电容式套管，传统电容式套管以电容芯子作为主绝缘，用于强制调控套管径向与轴向场强分布，传统电容式套管内采用的胶浸纸或油浸纸作为主绝缘材料，电容芯子的结构较复杂，工艺流程较复杂，一般胶浸纸或油浸纸绝缘材料长期工作场强为4MV/m，绝缘强度较低，因此为了满足绝缘强度，电容芯子的尺寸无法做的更小，不能满足电气设备小型化的发展方向。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出了一种高压交直流穿墙套管及其制备方法，适用于35kV以上电压等级，结构简单，简化了制备工艺，便于加工，另外能够大幅降低主绝缘尺寸，缩小套管体积，改善高电压等级下套管的散热问题，提升了套管的可靠性，满足电气设备小型化的发展方向。

为了实现以上目的，本发明提供了一种高压交直流穿墙套管，包括导杆，以及套设于所述导杆的主绝缘，所述主绝缘包括由内向外依次设置的均压层和限流层，所述均压层嵌设于所述导杆，所述限流层的靠近中间的位置设置有法兰和电极延伸层，所述电极延伸层套设于所述限流层，所述法兰套设于所述电极延伸层，还包括多个外绝缘伞裙，多个所述外绝缘伞裙套设于所述主绝缘，且多个所述外绝缘伞裙分别位于所述法兰的轴向两侧。

进一步地，所述均压层和所述限流层的体积比为：(1：1)～(1：3)。

进一步地，所述限流层采用聚乙烯或聚丙烯材料，所述均压层采用掺杂ZnO或SiC半导体纳米颗粒的聚乙烯基体复合材料，或者掺杂ZnO或SiC半导体纳米颗粒的聚丙烯材料基体复合材料。

进一步地，所述主绝缘还包括内屏蔽层，且所述内屏蔽层、所述均压层和所述限流层由内向外依次设置，所述内屏蔽层与所述导杆等电位。

进一步地，所述内屏蔽层采用以乙烯醋酸乙烯聚合物为基体，导电炭黑为填料共同混合而成的半导电复合材料，所述主绝缘的长度为1000～30000mm，厚度为20～600mm。

进一步地，所述电极延伸层采用高温硫化固体硅橡胶基体的ZnO压敏微球复合材料，或者环氧树脂基体的ZnO压敏微球复合材料。

进一步地，所述电极延伸层的长度为300～1500mm，厚度为5～20mm，阈值场强为0.4～0.8MV/m。

进一步地，还包括接地电极和绝缘层，所述接地电极位于所述电极延伸层外侧，所述绝缘层位于所述接地电极和所述法兰之间，且所述接地电极与所述法兰通过引线连接。

进一步地，还包括玻璃钢筒，所述玻璃钢筒套设于所述主绝缘，所述外绝缘伞裙的中间具有贯穿所述外绝缘伞裙的通孔，所述玻璃钢筒穿过所述通孔，所述外绝缘伞裙的轴向一端设置有插接部，轴向另一端设置有插接槽，相邻的两个所述外绝缘伞裙通过所述插接部和所述插接槽插接配合。

本发明还提供了上述的高压交直流穿墙套管的制备方法，包括以下步骤：

1)采用多层共挤法得到主绝缘；

2)采用高温硫化固化法或真空浇注法得到电极延伸层，并将所述电极延伸层安装于所述主绝缘的外侧；

3)将法兰安装于所述电极延伸层的外侧；

4)将多个外绝缘伞裙安装于所述法兰的轴向两侧的所述主绝缘的外侧。

与现有技术相比，本发明的穿墙套管的主绝缘包括均压层和限流层，利用均压层和限流层使穿墙套管适用高电压等级，限流层的靠近中间的位置设置有法兰和电极延伸层，电极延伸层嵌设于限流层，法兰套设于电极延伸层，导杆和法兰之间为限流层和电极延伸层，限流层用于限制主绝缘的内泄漏电流，电极延伸层用于均匀主绝缘和法兰处场强，与传统电容式套管相比，由于取代了电容芯子这一复杂结构，采用简单的层状结构，简化直流穿墙套管的结构，主绝缘采用限流层，提升了绝缘强度，大幅降低主绝缘的厚度，缩小穿墙套管的尺寸，改善高电压等级下穿墙套管散热问题，提升穿墙套管的可靠性，同时，穿墙套管尺寸的减小，给穿墙套管的运输与安装带来便利，穿墙套管避免了SF₆等温室气体的使用，减小环境污染，因此本发明满足未来电气设备向小型化、智能化和环境友好化的发展方向。

进一步地，限流层采用聚乙烯或聚丙烯材料，均压层采用掺杂ZnO或SiC半导体纳米颗粒的聚乙烯基体复合材料，或者掺杂ZnO或SiC半导体纳米颗粒的聚丙烯材料基体复合材料，即均压层采用低非线性系数、高阈值场强自适应复合材料，电极延伸层采用高非线性系数、低阈值场强自适应复合材料，利用自适应复合材料性能参数与空间电场大小的自适应匹配，起到智能改善空间电场分布的作用，另外，限流层采用聚乙烯或聚丙烯材料，能够大幅提升绝缘强度，有利于降低主绝缘的厚度，限流层采用绝缘电介质，绝缘电介质材料电导率受温度和电场影响，同样非线性材料电导率也受温度影响，所以通过验证调节均压层和限流层的体积比为：(1：1)～(1：3)，以使均压层和限流层的比例合适，满足穿墙套管的使用需求。

进一步地，导杆和均压层之间设有内屏蔽层，消除了导杆与均压层之间界面结合处缺陷，减少局部放电发生，进一步提高了穿墙套管的可靠性。

进一步地，内屏蔽层采用以乙烯醋酸乙烯聚合物为基体，导电炭黑为填料共同混合而成的半导电复合材料，有效减少导杆与均压层之间局部放电发生。

进一步地，电极延伸层采用高温硫化固体硅橡胶基体的ZnO压敏微球复合材料，或者环氧树脂基体的ZnO压敏微球复合材料，ZnO压敏微球具有非线性电导特性，可以将自身场强限制在一定范围内，因此复合材料的气隙两端场强也在一定范围，而无法达到击穿场强，就不能发生放电现象，从而电极延伸层能够更好地均匀主绝缘和法兰处场强，进一步提高了穿墙套管的可靠性。

进一步地，在电极延伸层和法兰之间设置接地电极和绝缘层，利用绝缘层包覆接地电极，避免接地电极与空气接触，从而避免法兰对空气放电。

进一步地，主绝缘外套有玻璃钢筒，一方面起到增加机械强度的作用，另一方面外绝缘伞裙的中间具有贯穿外绝缘伞裙的通孔，玻璃钢筒穿过通孔，便于外侧的外绝缘伞裙的安装，利用玻璃钢筒增强了机械支撑性能，保证了穿墙套管的稳固性，另外相邻的两个外绝缘伞裙通过插接部和插接槽插接配合，以保证相邻的两个外绝缘伞裙紧密连接，提高整个结构的稳固性。

本发明的制备方法，工艺流程简单，便于加工。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例在法兰处的截面示意图；

图3为本发明实施例在轴向的切面结构示意图；

图4为本发明实施例在径向的切面结构示意图；

图5为本发明实施例的主绝缘的结构示意图；

图6为本发明实施例的接地电极的结构示意图；

图7a为本发明实施例的外绝缘伞裙的结构示意图，图7b为本发明实施例的外绝缘伞裙的剖面示意图；

其中，1-导杆、2-法兰、3-均压层、4-限流层、5-电极延伸层、6-玻璃钢筒、7-内屏蔽层、8-接地电极、9-绝缘层、10-外绝缘伞裙、11-插接部、12-插接槽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参见图1至图7b，本发明的实施例提供了一种高压交直流穿墙套管，适用于35kV以上电压等级，包括导杆1，以及套设于导杆1的主绝缘，主绝缘包括由内向外依次设置的均压层3和限流层4，均压层3套设于导杆1，限流层4的靠近中间的位置设置有法兰2和电极延伸层5，电极延伸层5嵌设于限流层4，法兰2套设于电极延伸层5，还包括多个外绝缘伞裙10，多个外绝缘伞裙10套设于所述主绝缘，且多个外绝缘伞裙10分别位于法兰2的轴向两侧。

可以理解的是，本实施例的穿墙套管的主绝缘包括均压层3和限流层4，利用均压层3和限流层4使穿墙套管适用高电压等级，限流层4的靠近中间的位置设置有法兰2和电极延伸层5，电极延伸层5嵌设于限流层4，法兰2套设于电极延伸层5，导杆1和法兰2之间为均压层3、限流层4和电极延伸层5，均压层3使主绝缘内径向场强分布均匀，限流层4用于限制主绝缘的内泄漏电流，电极延伸层5用于均匀主绝缘和法兰2处场强，与传统电容式套管相比，由于取代了电容芯子这一复杂结构，采用简单的层状结构，简化直流穿墙套管的结构，主绝缘采用均压层3和限流层4，适用高电压等级，提升了绝缘强度，大幅降低主绝缘的厚度，缩小穿墙套管的尺寸，改善高电压等级下穿墙套管散热问题，提升穿墙套管的可靠性，同时，穿墙套管尺寸的减小，给穿墙套管的运输与安装带来便利，穿墙套管避免了SF₆等温室气体的使用，减小环境污染，因此本发明满足未来电气设备向小型化、智能化和环境友好化的发展方向。

具体地，均压层3和限流层4的体积比为：(1：1)～(1：3)，也即均压层3和限流层4的厚度比，限流层4采用聚乙烯或聚丙烯材料，均压层3采用掺杂ZnO或SiC半导体纳米颗粒的聚乙烯基体复合材料，或者掺杂ZnO或SiC半导体纳米颗粒的聚丙烯材料基体复合材料，即均压层3采用低非线性系数、高阈值场强自适应复合材料，电极延伸层5采用高非线性系数、低阈值场强自适应复合材料，利用自适应复合材料性能参数与空间电场大小的自适应匹配，起到智能改善空间电场分布的作用，另外，限流层4采用聚乙烯或聚丙烯材料，能够大幅提升绝缘强度，有利于降低主绝缘的厚度，限流层4采用绝缘电介质，绝缘电介质材料电导率受温度和电场影响，同样非线性材料电导率也受温度影响，所以通过验证调节均压层3和限流层4的体积比为：(1：1)～(1：3)，以使均压层3和限流层4的比例合适，满足穿墙套管的使用需求。

具体地，主绝缘还包括内屏蔽层7，且内屏蔽层7、均压层3和限流层4由内向外依次设置，内屏蔽层7与导杆1等电位。导杆1和均压层3之间设有内屏蔽层7，消除了导杆1与均压层3之间界面结合处缺陷，减少局部放电发生，进一步提高了穿墙套管的可靠性。

优选地，内屏蔽层7采用以乙烯醋酸乙烯聚合物为基体，导电炭黑为填料共同混合而成的半导电复合材料，有效减少导杆1与均压层3之间局部放电发生。主绝缘的长度l₂为1000～30000mm，在100kV电压等级时优选为2430mm，厚度为20～600mm，即主绝缘半径R₂和导杆1半径R₁相减，在100kV电压等级时厚度优选为32mm。本实施例中，导杆1的半径R₁为15～80mm，在100kV电压等级时导杆1的半径R₁优选为25mm，导杆1为中空的铜杆，导杆1的尺寸具体根据不同电压等级进行适配选择。

另外，主绝缘的厚度的可以根据主绝缘内电场径向分布不均匀度系数来确定，如下式来定义：

式中：U为施加在套管上的电压值；x为主绝缘内获取场强值点的数量，取y＝1000，即在主绝缘径向场强上均匀选取1000个点的场强进行计算；E_x为在每个位置处场强值；R为套管主绝缘厚度。

导杆1为空心导杆，根据不同电压等级下通流容量要求，选择具有不同内径和外径的铜导杆，而导杆1的长度则由套管电压等级和工作环境共同决定，结合套管外绝缘硅橡胶伞裙设计要求，在满足爬电距离要求的条件下，进行选择。

具体地，电极延伸层5采用高温硫化固体硅橡胶基体的ZnO压敏微球复合材料，或者环氧树脂基体的ZnO压敏微球复合材料。ZnO压敏微球具有非线性电导特性，可以将自身场强限制在一定范围内，因此复合材料的气隙两端场强也在一定范围，而无法达到击穿场强，就不能发生放电现象，从而电极延伸层5能够更好地均匀主绝缘和法兰2处场强，进一步提高了穿墙套管的可靠性。并且，电极延伸层5可以采用表面改性的ZnO压敏微球复合材料，由于对ZnO压敏微球进行表面改性实现功能化处理，引入了官能团，使得表面改性的ZnO压敏微球与基体间形成共价键，两者之间除了存在物理连接外，也存在化学连接，因此表面改性的ZnO压敏微球与基体之间的界面结合强度得到明显增加，能够更好地进行应力传导，从而使得断裂强度得到极大提升；另外，ZnO压敏微球经过表面功能化处理后，使得基体与ZnO压敏微球的界面结合强度增加，减少了复合材料内部缺陷数量，由于空气的热导率很低，缺陷数量的减小意味着内部空气含量的减小，从而增加了复合材料的热导率；还有ZnO压敏微球与基体之间形成化学连接，从而减小了界面处声子的散射，降低了界面处热阻，从而增加了复合物的热导率，本发明的制备方法得到的复合材料在具有优异的电学特性的基础上，能够有效地提高复合材料的机械性能和热学特性，进一步提升电极延伸层5性能。

优选地，电极延伸层5的长度l₃为300～1500mm，在100kV电压等级时长度优选为800mm，厚度为5～20mm，即电极延伸层半径R₃和主绝缘半径R₂相减，在100kV电压等级时厚度优选为6mm，阈值场强为0.4～0.8MV/m，在100kV电压等级时优选为0.41MV/m。

另外，电极延伸层5的长度l₃与阈值场强E_b基本满足V₀＝E_b*l₃的近似关系，电极延伸层5的参数在实际选择时，通常先将电极延伸层5长度固定，再去调整材料参数，首先给长度一个初始值：根据ZnO压敏微球复合材料电学特性，其阈值场强可调控范围为0.3-3MV/m，因此，选择阈值场强1MV/m作为调整初始值，而与之相对应电极延伸层5的长度为V₀/1000mm。在给定电极延伸层5几何参数和材料参数初始值的条件下，对自适应直流穿墙套管进行仿真分析其场强分布。当电极延伸层5材料阈值场强过高时，均压效果较差，在法兰边缘处场强仍然较大，高于主绝缘内其他位置最大场强。这时需要减小材料阈值场强。随着阈值场强的减小，法兰2边缘处最大场强逐渐减小，而电极延伸层5末端最大场强增加。在减小的过程中，当材料阈值场强减小到某一特定数值时，会出现法兰2边缘处的最大场强与主绝缘其他位置最大场强相等，此时则认为电极延伸层5材料参数满足要求。若此时电极延伸层5末端最大场强不高于主绝缘内其他位置最大场强，则认为电极延伸层5结构参数满足要求。若此时电极延伸层5末端最大场强大于主绝缘内其他位置最大场强，则需要对电极延伸层5尺寸进行调整，增加电极延伸层5长度，使电极延伸层5末端最大场强不高于主绝缘内其他位置最大场强。若此时电极延伸层5末端最大场强远小于主绝缘内其他位置最大场强，则认为电极延伸层5长度过大，造成电极延伸层5浪费，需要减小电极延伸层5长度。

具体地，本实施例的穿墙套管还包括接地电极8和绝缘层9，接地电极8位于电极延伸层5外侧，绝缘层9位于接地电极8和法兰2之间，且接地电极8与法兰2通过引线连接。利用绝缘层9包覆接地电极8，避免接地电极8与空气接触，从而避免法兰2对空气放电。优选地，接地电极8选择铜箔，绝缘层9为覆盖接地电极8的硅橡胶材料或高压母线热缩套。

具体地，本实施例的穿墙套管还包括玻璃钢筒6，玻璃钢筒6套设于主绝缘，外绝缘伞裙10的中间具有贯穿外绝缘伞裙10的通孔，玻璃钢筒6穿过通孔，外绝缘伞裙10的轴向一端设置有插接部11，轴向另一端设置有插接槽12，相邻的两个外绝缘伞裙10通过插接部11和插接槽12插接配合。玻璃钢筒6一方面起到增加机械强度的作用，另一方面外绝缘伞裙10的中间具有贯穿外绝缘伞裙10的通孔，玻璃钢筒6穿过通孔，便于外侧的外绝缘伞裙10的安装，利用玻璃钢筒6增强了机械支撑性能，保证了穿墙套管的稳固性，另外相邻的两个外绝缘伞裙10通过插接部11和插接槽12插接配合，以保证相邻的两个外绝缘伞裙10紧密连接，提高整个结构的稳固性。

优选地，玻璃钢筒6为两个，法兰2连接于两个玻璃钢筒6之间，玻璃钢筒6需要安装在主绝缘外侧，由于主绝缘中间位置存在电极延伸层5和接地电极8等，使得主绝缘外表面不在同一水平面上，无法用一根玻璃钢筒6从一侧整体套入，因此玻璃钢筒6为两个，分别从两侧套入，在中间接头处利用法兰2进行紧固，将两侧玻璃钢筒6固定住。

优选地，法兰2采用铝等金属材料制成，包括两个U形结构，通过螺丝将两个U形结构进行紧固。

本实施例还提供了一种高压交直流穿墙套管的制备方法，包括以下步骤：

1)采用多层共挤法得到主绝缘；

2)采用高温硫化固化法或真空浇注法得到电极延伸层5，并将电极延伸层5安装于主绝缘的外侧；

3)将法兰2安装于电极延伸层5的外侧；

4)将多个外绝缘伞裙10安装于法兰2的轴向两侧的主绝缘的外侧。

下面对本实施例的制备方法进行详述：

参见图5，主绝缘制备：内屏蔽层7采用半导电屏蔽材料，半导电屏蔽材料以乙烯醋酸乙烯聚合物为基体，导电炭黑为填料共同混合而成的半导电复合材料；均压层3采用掺杂ZnO或SiC半导体纳米颗粒的聚乙烯基体复合材料，或者掺杂ZnO或SiC半导体纳米颗粒的聚丙烯材料基体复合材料，即均压层3采用低非线性系数、高阈值场强自适应复合材料，限流层4采用聚乙烯或聚丙烯材料，并且均压层3和限流层4的材料选择相适配，即均采用聚乙烯，或均采用聚丙烯。采用聚乙烯材料，为进一步提升聚乙烯材料的电气性能与机械特性，主绝缘挤出后还要经历交联过程和脱气过程。采用聚丙烯材料，则可以省略交联与脱气过程。利用复合屏蔽绝缘母线或者聚乙烯绝缘电缆的制备工艺与制造设备，采用多层共挤技术去制备穿墙套管的主绝缘，可以极大地简化自适应套管的制备流程与工艺。

电极延伸层5制备：

高温硫化固体硅橡胶为基体的电极延伸层5的制备，采用高温硫化固化法，硅橡胶复合材料具有一定弹性，硅橡胶基的电极延伸层5可以制作成为一个完整的圆筒形结构，最后利用硅橡胶复合材料的弹性直接安装在主绝缘最外侧，经过高温硫化和脱模过程，最终得到硅橡胶基的电极延伸层5。为保证电极延伸层5与主绝缘之间具有良好的界面结合特性，应使电极延伸层5内径略小于主绝缘外径，利用硅橡胶复合材料的弹性，增强不同材料界面结合强度，同时，为进一步减小电极延伸层5与主绝缘界面间气隙，在安装电极延伸层5时，应在主绝缘表面涂抹一层真空硅脂，用于排除界面空气。

具体包括：首先将ZnO、Bi₂O₃、MnO₂、Co₂O₃、Cr₂O₃、SiO₂、Sb₂O₃和Al₂O₃混合后放入球磨机中，并加入无水乙醇进行球磨；向球磨好的浆料中加入有机粘合剂，并倒入喷雾造粒机中进行喷雾造粒，得到球型颗粒；将球型颗粒放入煅烧炉中烧结后降温；将烧结产物进行筛分，得到ZnO压敏微球；

然后，将ZnO压敏微球加入到溶剂中，使ZnO压敏微球均匀分散于溶剂中；向混合液中加入偶联剂进行反应；待反应完全后进行离心分离，得到表面改性的ZnO压敏微球；

最后，将硅橡胶、硫化剂和表面改性的ZnO压敏微球加入到密炼机中进行密炼，密炼后的混合材料放入模具中进行塑形；将塑形完成后的模具整体放入平板硫化机中进行硫化；将硫化完成的模具样品放入冷压机降温处理后进行脱模，即得到高温硫化固体硅橡胶基体的电极延伸层5。

环氧树脂为基体的电极延伸层5，由于环氧树脂复合材料机械性能强，不易发生变形，无法像硅橡胶基复合材料一样，做出完整的圆筒形结构，利用硅橡胶基复合材料的弹性再将其安装在主绝缘上，因此将环氧树脂基电极延伸层一分为二，做成两个U型结构的圆片，最终将两片分别贴合在主绝缘两侧，共同组成完整的圆筒形的电极延伸层5。环氧树脂复合材料制备采用真空浇注工艺，采用的是环氧树脂盆式绝缘子制造设备，在真空环境下进行浇注，保证电极延伸层内部不会出现气泡等缺陷，同样，为减小电极延伸层5与主绝缘层界面气隙，安装过程中，在主绝缘表面涂抹一层真空硅脂。

接地电极8及法兰2制备与安装：

参见图6，采用硅橡胶复合物制备工艺，在制备完成的电极延伸层5中部放入一层铜箔，而后再覆盖一定厚度的硅橡胶材料，放入模具中进行硫化，这样就可以将接地电极8包覆在硅橡胶的绝缘层9下，避免与空气接触，而后通过导线将接地电极8与法兰2相连。

由于二次硫化硅橡胶时设备压力较大，环氧树脂基的电极延伸层5无法承受硫化过程中的巨大压力，在环氧树脂基的电极延伸层5中，采用了高压母线热缩套作为绝缘层9，将一层铜箔包覆在电极延伸层5特定位置，作为接地电极8，将高压母线热缩套包覆在铜箔外侧，作为绝缘层9，避免接地电极8对空气放电。

法兰2作为穿墙套管与墙体等的连接结构，主要起到机械固定的作用，选用更易加工的铝金属作为法兰2的材料，法兰2制成两个U形结构，最后通过螺丝将两个U形结构进行紧固，同样，为减小法兰2对空气放电，将法兰2的边缘处进行倒角处理。

玻璃钢筒6制备与安装：

玻璃钢筒6由玻璃丝与环氧树脂组成，可以采用湿法缠绕和真空浸胶两种方法制备，本实施例中以真空浸胶法为例，首先，将玻璃丝缠绕在模具芯棒上，根据玻璃钢筒的尺寸，决定玻璃丝缠绕方式和厚度，在缠绕玻璃丝的样品外侧缠绕一层引流带，便于环氧树脂的流动，有利于玻璃丝的浸润，缠绕完成引流带的样品放在真空袋中，作为浸润环氧树脂的容器，真空袋有两类入口，分别位于样品上侧与下侧，下侧为进料孔，上侧为抽气孔，将安装完真空袋的样品放入高温烘箱中，在90℃的条件下进行真空浸胶，为保证玻璃丝能够完全浸润环氧树脂，需要控制抽真空速率，同时，为了环氧树脂能够均匀浸润，在浸胶过程中，需要旋转样品，避免环氧树脂在重力的作用下在下侧堆积而导致样品上侧浸胶不够充分，将浸润完成的玻璃钢筒放在110℃下进行固化，固化10小时后脱模，在放入烘箱中进行二次固化16小时，初步得到玻璃钢筒，得到的玻璃钢筒去掉表面和两端缺陷，并用车床加工到标准尺寸，最终得到成品玻璃钢筒6。玻璃钢筒6主要起到机械支撑的作用，并不承担电压，因此即使内部留有少量气泡，对最终性能不会产生影响。

玻璃钢筒6需要安装在主绝缘外侧，由于中间位置存在电极延伸层5和接地电极8等，使得外表面不在同一水平面上，无法用一根玻璃钢筒6从一侧整体套入，因此，玻璃钢筒6分为两部分，分别从主绝缘两侧套入，在中间接头处利用法兰2进行紧固，将两侧玻璃钢筒6固定住。尽管玻璃钢筒6不承担主绝缘作用，但为了防止玻璃钢筒6与主绝缘界面发生闪络，在安装玻璃钢筒6的过程中，主绝缘表面需要涂满真空硅脂，以便排出界面空气。

外绝缘制备及安装：外绝缘采用硅橡胶伞裙，包括多个外绝缘伞裙10，主要是避免发生沿面闪络，选择组装的方式将多个外绝缘伞裙10安装在玻璃钢筒6表面。首先，利用模具制备出单个外绝缘伞裙10，参见图7a和图7b，外绝缘伞裙10的一端设置插接部11，另一端设置插接槽22，相邻外绝缘伞裙10的插接部11插接于插接槽12，保证各个外绝缘伞裙10紧密结合，各个外绝缘伞裙10依次连接共同组成外绝缘伞裙，这种先制备再组装的方式生产效率高，不会受到其他步骤的限制而可以单独进行。

对本发明的穿墙套管进行正常工况下内部场强分布分析，以及不同温度差下穿墙套管径向场强分布分析，主绝缘内径向场强分布不均匀度系数满足设计要求，温度差为30℃时，主绝缘内最大场强小于主绝缘材料可长期工作场强，在法兰2边缘处和电极延伸层5末端最大场强均小于主绝缘内其他位置最大场强。并且，进行雷电过电压下，主绝缘内径向电场分布分析，最大瞬时场强小于主绝缘材料可承受最大瞬时场强，即瞬时过电压绝缘裕度大于零，满足设计要求。

因此，本发明与传统电容式套管相比，由于取代了电容芯子这一复杂结构，采用简单的层状结构，简化直流穿墙套管的结构，主绝缘采用均压层和限流层，适用于35kV以上高电压等级，提升了绝缘强度，大幅降低主绝缘的厚度，缩小穿墙套管的尺寸，改善高电压等级下穿墙套管散热问题，提升穿墙套管的可靠性，同时，穿墙套管尺寸的减小，给穿墙套管的运输与安装带来便利，穿墙套管避免了SF₆等温室气体的使用，减小环境污染，因此本发明满足未来电气设备向小型化、智能化和环境友好化的发展方向。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压交直流穿墙套管，其特征在于，包括导杆(1)，以及套设于所述导杆(1)的主绝缘，所述主绝缘包括由内向外依次设置的均压层(3)和限流层(4)，所述均压层(3)套设于所述导杆(1)，所述限流层(4)的靠近中间的位置设置有法兰(2)和电极延伸层(5)，所述电极延伸层(5)嵌设于所述限流层(4)，所述法兰(2)套设于所述电极延伸层(5)，还包括多个外绝缘伞裙(10)，多个所述外绝缘伞裙(10)套设于所述主绝缘，且多个所述外绝缘伞裙(10)分别位于所述法兰(2)的轴向两侧。

2.根据权利要求1所述的一种高压交直流穿墙套管管，其特征在于，所述均压层(3)和所述限流层(4)的体积比为：(1：1)～(1：3)。

3.根据权利要求1或2所述的一种高压交直流穿墙套管，其特征在于，所述限流层(4)采用聚乙烯或聚丙烯材料，所述均压层(3)采用掺杂ZnO或SiC半导体纳米颗粒的聚乙烯基体复合材料，或者掺杂ZnO或SiC半导体纳米颗粒的聚丙烯材料基体复合材料。

4.根据权利要求1或2所述的一种高压交直流穿墙套管，其特征在于，所述主绝缘还包括内屏蔽层(7)，且所述内屏蔽层(7)、所述均压层(3)和所述限流层(4)由内向外依次设置，所述内屏蔽层(7)与所述导杆(1)等电位。

5.根据权利要求4所述的一种高压交直流穿墙套管，其特征在于，所述内屏蔽层(7)采用以乙烯醋酸乙烯聚合物为基体，导电炭黑为填料共同混合而成的半导电复合材料，所述主绝缘的长度为1000～30000mm，厚度为20～600mm。

6.根据权利要求1所述的一种高压交直流穿墙套管，其特征在于，所述电极延伸层(5)采用高温硫化固体硅橡胶基体的ZnO压敏微球复合材料，或者环氧树脂基体的ZnO压敏微球复合材料。

7.根据权利要求6所述的一种高压交直流穿墙套管，其特征在于，所述电极延伸层(5)的长度为300～1500mm，厚度为5～20mm，阈值场强为0.4～0.8MV/m。

8.根据权利要求1所述的一种高压交直流穿墙套管，其特征在于，还包括接地电极(8)和绝缘层(9)，所述接地电极(8)位于所述电极延伸层(5)外侧，所述绝缘层(9)位于所述接地电极(8)和所述法兰(2)之间，且所述接地电极(8)与所述法兰(2)通过引线连接。

9.根据权利要求1所述的一种高压交直流穿墙套管，其特征在于，还包括玻璃钢筒(6)，所述玻璃钢筒(6)套设于所述主绝缘，所述外绝缘伞裙(10)的中间具有贯穿所述外绝缘伞裙(10)的通孔，所述玻璃钢筒(6)穿过所述通孔，所述外绝缘伞裙(10)的轴向一端设置有插接部(11)，轴向另一端设置有插接槽(12)，相邻的两个所述外绝缘伞裙(10)通过所述插接部(11)和所述插接槽(12)插接配合。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的一种高压交直流穿墙套管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用多层共挤法得到主绝缘；

2)采用高温硫化固化法或真空浇注法得到电极延伸层(5)，并将所述电极延伸层(5)安装于所述主绝缘的外侧；

3)将法兰(2)安装于所述电极延伸层(5)的外侧；

4)将多个外绝缘伞裙(10)安装于所述法兰(2)的轴向两侧的所述主绝缘的外侧。

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