我国能源禀赋与能源需求呈逆向分布，形成“西电东送、北电南供”的局面。特高压直流输电工程在电能远距离、大容量传输方面发挥着重要作用。随着直流输电系统电压等级的提高、输送容量的增大，设备内部的电、热、力学工况应力逐渐增大，对电工材料的性能提出了更高要求。
氮化硅陶瓷材料在特高压直流设备中应用潜力巨大
特高压直流六氟化硫气体内绝缘穿墙套管作为特高压换流站的核心设备之一，发挥着连接换流阀厅内部和户外高压电气设备的重要作用。在特高压直流六氟化硫气体内绝缘穿墙套管内部，支柱绝缘子是最为关键的绝缘结构，起到支撑高压导杆、减小套管内部电场畸变的作用。在实际运行中，高压导杆不仅承受高达±800千伏及以上的电压，而且内部通有3150～6300安的直流大电流，最高温度可达115摄氏度。支柱绝缘子的上下部之间存在75～85摄氏度的温度差，电效应和热效应都较为显著。与六氟化硫气体的绝缘强度相比，支柱绝缘子的表面绝缘强度较低，容易发生沿面闪络，是套管内部的绝缘薄弱点。
类似的情况还发生在气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）以及气体绝缘金属封闭开关（GIS）等电气设备中。其共同点在于支柱绝缘子要长期经受强电场、大温度梯度以及六氟化硫气氛等多因素耦合作用，传统支柱绝缘用材料易发生本征特性劣化，造成绝缘性能下降，引发沿面闪络，影响电气设备安全运行。因此，研发能够提升特高压直流六氟化硫气体内绝缘电气设备可靠性的新型支柱绝缘子材料具有重要意义。
陶瓷材料作为一种无机非金属材料，具有高机械强度、高耐久性、低热膨胀系数等性能优势，广泛应用于电力设备外绝缘领域。传统外绝缘陶瓷材料主要由石英、长石、黏土等原料烧结而成，在特高压直流六氟化硫气体内绝缘电气设备中，绝缘性能和耐腐蚀性能方面无法满足应用要求。解决这一问题，需要从种类繁多、绝缘特性相差悬殊的陶瓷材料配方体系中选出表面绝缘强度高、与六氟化硫气体相容性强的高性能陶瓷基础材料体系。氮化硅陶瓷材料是一种由硅氮元素以共价键结合的化合物，具有良好的机械强度、绝缘性能、温度稳定性、导热性和耐腐蚀性能，是结构陶瓷家族中综合性能最为优异的一类，在特高压直流六氟化硫气体内绝缘电气设备中应用潜力巨大。
研发新型支柱材料，优化支柱结构模型
自2018年起，国网智能电网研究院有限公司联合华北电力大学、中材高新材料股份有限公司成立研发团队，开展特高压直流六氟化硫气体内绝缘电气设备用氮化硅陶瓷材料研究。
高致密度、高耐腐蚀性、高绝缘强度及优良的表面电荷特性是氮化硅陶瓷材料应用于特高压气体内绝缘环境的决定性因素。为实现氮化硅陶瓷材料力-电性能的协同调控，项目组从原材料、配方体系、制备工艺等角度出发，采用高纯度、亚微米级氮化硅粉体，通过掺杂钇、铋等稀土功能离子和镁、铝金属氧化物烧结助剂，优化氮化硅陶瓷材料配方体系，并调控陶瓷材料的晶格、晶界及缺陷结构。
在优选的氮化硅陶瓷配方体系基础上，研发团队采用先进的热等静压烧结技术，制备得到了高致密度氮化硅陶瓷材料。研发团队模拟特高压气体内绝缘运行环境，验证了氮化硅陶瓷材料的服役可靠性。与传统材料相比，新型氮化硅陶瓷材料在强电场、大温度梯度、六氟化硫气氛环境下的机械强度、电阻率-温度变化特性、表面电荷积聚特性及耐腐蚀性等方面均展现出性能优势。该技术的突破为提升气体内支柱绝缘子材料的可靠性提供了新的解决方案。
为优化支柱绝缘子结构，2020年，国网智研院、华北电力大学、中材高新材料股份有限公司、阿尔斯通意大利公司密切沟通、协同创新，针对气体内支柱绝缘子主体结构开展设计研究。为满足±800千伏特高压直流穿墙套管运行工况的支柱绝缘子应用要求，研发团队将氮化硅材料特性与生产装配工艺的各项要求融合到陶瓷支柱结构设计中，提出了多种不同类型、不同尺寸的氮化硅陶瓷支柱绝缘子模型整体优化设计方案，并采用多个软件进行建模仿真，计算陶瓷支柱绝缘子在电场、电-热耦合场、电-热-流体耦合场的服役可靠性。研发团队调整陶瓷支柱外形轮廓尺寸，并采用缩比模型进行性能验证，最终确定采用“啤酒瓶”形状的支柱。这种构型加工难度小，机械应力小，电场分布最优。该新型氮化硅陶瓷支柱与阿尔斯通公司传统支柱相比体积减小50.9%，在电、热、机械等各项指标上均优于阿尔斯通公司传统支柱。最后，研发团队基于设计的氮化硅陶瓷支柱，优化设计适配的底部及顶部金具，使支柱绝缘子及配套组件外形结构与特高压直流六氟化硫气体内绝缘穿墙套管内部结构匹配。
首支国产陶瓷支柱套管应用于特高压直流工程
经过多年技术攻关，国网智研院、华北电力大学在2020年确定了±800千伏特高压直流六氟化硫气体内绝缘穿墙套管陶瓷支柱绝缘子设计方案。该陶瓷支柱绝缘子在中材高新材料股份有限公司生产制造，在山东电工电气集团有限公司完成与套管的装配。安装有自主研发设计陶瓷支柱绝缘子的±800千伏特高压直流六氟化硫气体内绝缘穿墙套管在意大利GE Grid Solutions高压实验室根据《直流应用套管》（IEC/IEEE 65700-2014）、《1000伏以上交流电压用绝缘套管》（IEC 60137-2017）标准开展型式试验，顺利通过15项试验。这些试验完整考核了陶瓷支柱绝缘子在多电压类型下的沿面绝缘强度、局部放电水平及机械特性。
2021年，装配有新型陶瓷支柱绝缘子的特高压直流穿墙套管应用于±800千伏陕北—武汉特高压直流工程武汉换流站。目前，该套管已安全运行满两年。
该技术成果攻克了高场强、大温度梯度、六氟化硫气氛等条件下支柱绝缘子材料的闪络难题，实现了氮化硅陶瓷材料在特高压气体内绝缘领域的安全可靠应用，提升了特高压设备的安全可靠性，对新型陶瓷材料应用领域扩展以及特高压工程的示范引领具有重大意义。（卢理成 侯东 姬军）
原标题：研发新型氮化硅陶瓷材料 增强特高压设备可靠性
