“电瓷”是瓷绝缘子的俗称,属于电工陶瓷的一部分,用于处在不同电位的电气设备或导体的电气绝缘和机械固定,有时兼做电器组件的容器,是构成输配电系统及电器设备的重要组成部分。瓷绝缘子在运行中受到各种负荷的综合作用,具有机械强度、电气绝缘强度、耐热及温度激变、耐气候等各种性能和可靠性等要求。
瓷绝缘子的分类:按其承受的电压种类分为交流系统用绝缘子和直流系统用绝缘子;按其承受的电压高低分为高压(额定电压高于1kV)绝缘子和低压(额定电压等于或低于1kV)绝缘子;按其主绝缘介质击穿可能性分为A型绝缘子(绝缘介质的最小击穿距离大于等于干闪络距离的一半)和B型绝缘子(绝缘介质的最小击穿距离小于干闪络距离的一半);典型高压瓷绝缘子按用途和结构分类见表10-1。
表10-1 典型高压瓷绝缘子按用途和结构分类
(1)启新瓷厂 1914年河北唐山启新洋灰公司正式附设启新瓷厂。1925年后采用人力丝杠压力机压制低压电瓷。1943年大量生产电瓷。
(2)博山日华株式会社 1918年成立,生产低压电瓷,主要产品是用作照明和电讯布线的绝缘子和瓷管等。1931年,山东省模范窑业厂开办,产品有220~3300V低、高压绝缘子、瓷壶线路套管、夹板等。1946年3月,恢复山东省立窑业试验厂生产电瓷。1948年3月,模范窑业厂改名为鲁丰瓷窑厂,恢复电瓷生产。
(3)松风工厂 1936年3月,辽宁抚顺兴建“松风工厂”,生产低压电瓷和少量3500V高压电瓷产品以及保险丝具。1946年,改名为“中央绝缘电器公司抚顺厂”,1948年生产绝缘子、高低压特殊瓷件、保险丝具等。1948年11月改名为“抚顺电瓷工厂”。
(1)南京电瓷厂 1937年12月,中央电瓷制造厂(国民政府投资)在长沙黄土岭建成投产,这是我国的第一个高压电瓷厂,年生产能力约300t。“抗战”期间,被迫先后迁至沅陵、衡阳、贵阳等地,断续维持小批零星生产。1939年10月,总部迁往重庆并决定在四川宜宾建立分厂。1942年3月宜宾厂建成投产,年生产能力约500t,主要产品增加了悬式绝缘子、拉紧绝缘子、跌开式保险丝具等。1946年,总部及宜宾厂部分技术管理骨干迁往南京燕子矶筹建新厂,改名为中央电瓷公司,统辖南京、抚顺、宜宾三个工厂。1948年4月南京厂建成投产,年生产能力约300t。
(2)红叶企业公司陶瓷厂和华美电瓷厂 1936年,由私营实业家叶萌三以重金收购,并将工厂搬迁到苏州浒墅关镇下塘,购地2万平方米,生产电瓷产品。1948年起,与大华造纸合并,更名为红叶企业公司陶瓷厂。
1942年,上海华美电器厂(1937年在上海江苏路创建)扩大改组,把工厂迁移到苏州横塘镇晋源桥西南,更名为华美实业股份有限公司苏州制造厂,购地十余亩,开展制造电瓷产品的前期实验工作。1945年,更名为华美瓷电器材厂股份有限公司,建造倒焰圆窑两座并购置制泥和成形设备。1947年批量制造各种通讯瓷绝缘子、蝶式绝缘子、八角拉紧绝缘子、支柱绝缘子和瓷管等低压电瓷。1959年,红叶企业公司陶瓷厂和华美瓷电器材厂股份有限公司于合并为苏州电瓷厂。
另外,20世纪初,江西景德镇和萍乡业已生产瓷绝缘子及低压电瓷产品。
1949~1978年是我国高压瓷绝缘子产业的快速发展时期。
(1)抚顺电瓷厂 1948年11月,“中央绝缘器材公司抚顺厂”,更名为“东北电力管理总局抚顺电瓷工厂”;1951年更名为“东北工业部电器工业局电工第十厂”;1953年更名为“一机部电器工业管理局抚顺电瓷厂”;1958年下放地方管理,主要生产电站电器瓷绝缘子。
(2)南京电瓷厂 1949年,“中央电瓷公司南京厂”更名为“南京电瓷厂”;1953年更名为“一机部电器工业管理局南京电瓷厂”;1958年下放地方管理,主要生产空心瓷绝缘子、套管、火花塞等。
(3)大连电瓷厂 1949年,大连大华窑业改为远东砖碍工厂,部分生产瓷绝缘子;1951年更名为“东北工业部电器工业局电工第十一厂”,专门生产瓷绝缘子;1953年更名为“一机部电器工业管理局大连电瓷厂”;1958年下放地方管理,主要生产线路瓷绝缘子。
(4)醴陵电瓷厂 1950年,株洲市中华窑业厂迁往醴陵,改名为醴陵电瓷厂;1958年下放地方管理,主要生产线路瓷绝缘子。
(5)西安高压电瓷厂 1953年,根据中苏两国政府协议,由苏联援建中南高压电瓷厂及东北电工十厂的避雷器车间,在湖南湘潭成立高压电瓷厂筹建处。为配合西安“电工城”建设,1954年2项援建项目合并迁移,成立西安高压电瓷厂筹建处,1958年投入试生产,1960年全部建成,属综合性瓷绝缘子生产企业,品种包括线路瓷绝缘子、电站电器瓷绝缘子、套管等。
除上述五大基地外,各地在原有瓷绝缘子生产企业或制瓷企业的基础上,逐步发展起一批重点瓷绝缘子制造厂,如,苏州电瓷厂、上海电瓷厂、唐山高压电瓷厂、阳泉电瓷厂、淄博电瓷厂、佛山电瓷厂、重庆电瓷厂、九江电瓷厂、萍乡电瓷厂、景德镇电瓷厂、湖南渌江电瓷厂、闽清电瓷厂、牡丹江电瓷厂、个旧电瓷厂、自贡电瓷厂、石家庄电瓷厂等。形成了全国瓷绝缘子工业体系。
1954年,从苏联引进技术后,一机部组织抚顺、大连、南京、醴陵电瓷厂联合组成电瓷统一设计组在南京首次统一设计,确定了12个系列的145个品种。1959年进行了高压线路和电站绝缘子统一设计。1960年为配合开发三峡水利枢纽工程的需要,统一设计了220kV、330kV、500kV油纸电容式变压器套管和330kV电容式穿墙套管。1962~1963年,西安变压器厂、沈阳变压器厂、上海电机厂、南京电瓷厂、西安高压电瓷厂、抚顺电瓷厂、西安电瓷研究所联合对35kV及以下变压器套管统一设计,并同时开展了针式、悬式、针式支柱、户内外支柱、户内外穿墙套管等88个品种的选型设计。1963年开展了低压电瓷产品选型设计。1967年统一设计了6个品种7个规格盘形悬式绝缘子,最高机械强度等级300kN。1972年开展了10~110kV全瓷和胶装式瓷横担绝缘子统一设计,并组织进行了试制和试验。1973年开展户内支柱、户外棒形支柱、户内外穿墙套管共4个系列56个品种统一设计,并组织试制和试验,至1975年完成图样定稿。1974年再次对17个品种35kV及以下变压器瓷套进行统一设计,4种110kV及220kV少油断路器瓷套选型设计,盘形悬式绝缘子二次统一设计并全国各厂试制和集中试验(1980年定型,1981年完成图样),胶纸电容式套管统一设计(1976年完成图样设计)。1976年开展7个系列32个品种35个规格统一设计及全国试制和集中试验。80年代初产品标准修改时又进行了变压器瓷套管和棒形支柱绝缘子的设计选型。到1985年,当时的43个系列产品中有32个进行了统一设计。
从20世纪60年代中期到70年代,产品开发以满足于1971年建成的刘家峡-天水-关中330kV高压输电线路建设需要为目标,重点产品包括空气断路器用高强度空心瓷绝缘子、棒形支柱瓷绝缘子、高机械强度等级盘形悬式瓷绝缘子、电容式套管等。
(1)空心瓷绝缘子 抚顺电瓷厂、南京电瓷厂、西安高压电瓷厂分别制成330kV及以下变压器和电流及电压互感器用空心瓷绝缘子和34.5kV、44kV和66kV变压器用空心瓷绝缘子及750kV电缆终端盒用空心瓷绝缘子和高强度空气断路器用空心瓷绝缘子等。
(2)支柱瓷绝缘子 西安高压电瓷厂、抚顺电瓷厂、南京电瓷厂分别制成了330kV及以下棒形支柱瓷绝缘子、220kV及以下棒形支柱瓷绝缘子及110kV及以下实心棒形支柱等。
(3)套管 南京电瓷厂、西安高压电瓷厂、抚顺电瓷厂分别制成了330kV/800A及以下油纸电容式穿墙套管、330kV/1200A及以下油纸电容式短尾变压器套管,330kV及以下变压器、穿墙套管和20kV母线穿墙套管和6~35kV户内外穿墙套管等。
(4)线路绝缘子 大连电瓷厂、苏州电瓷厂、西安高压电瓷厂、醴陵电瓷厂分别制成了300kN及以下盘形悬式瓷绝缘子,盘形悬式瓷绝缘子,铁道棒形瓷绝缘子,半导体釉瓷绝缘子,220kV及以下瓷横担等。
1949~1977年电瓷行业主要生产技术经济指标见表10-2。
表10-2 1949~1977年电瓷行业主要生产技术经济指标
1979~2010年是电瓷工业的产业结构调整期,超特高压与直流高压电瓷得到发展。
1978年编制电瓷行业八年(1978~1985年)发展规划,主要目标是研制发展生产500~750kV电瓷产品,研究应用大型瓷套和棒形等制造新工艺,1985年达到电力工业新增发电设备装机配套的要求。
1983~1984年,编制电瓷行业“七五”规划及2000年设想;1990年、1995年编制了绝缘子避雷器行业“八五”、“九五”发展规划,提出发展产品品种、提高产品质量和可靠性、增加高档次产品产量,满足国家500kV电网主网架建设的需要等目标。
2000年,编制了绝缘子避雷器行业“十五”发展规划,确定了发展高电压等级、高机械强度产品,主导企业达到竞争规模,力争在2010年成为电瓷避雷器主要生产国等目标;2005年编制了绝缘子避雷器行业“十一五”发展规划,提出绝缘子避雷器行业坚持以市场为导向,经济效益为中心,科学技术为先导,强调产品结构调整,提高产品的技术含量和档次,满足我国电力发展目标需求的发展战略;2010年编制了绝缘子避雷器行业“十二五”发展规划,确定的总体目标是:突破套管、空心瓷绝缘子、圆柱头悬式瓷绝缘子产品的技术瓶颈,提高产品价值,强化市场管理,规范市场行为,发挥市场的导向作用,鼓励企业间实现以资产为纽带的联合,逐步提高市场集中度,以夯实技术为基础,实现企业由大转强。
(1)500kV电压等级瓷绝缘子 改革开放初期,绝缘子产品开发的主要任务是研制交流500kV电压等级产品,以满足500kV辽-锦段建设对配套输变电设备的需要。1979年,西安高压电瓷厂、西安电瓷研究所、抚顺电瓷厂、南京电瓷厂、大连电瓷厂、醴陵电瓷厂研制的产品陆续通过鉴定。2006年,大连电瓷有限公司420kN和550kN双伞型、三伞型盘形悬式瓷绝缘子通过鉴定。2006年中国第一根特高压穿墙套管在南京电气(集团)有限公司诞生。
(2)750kV瓷绝缘子 21世纪初,官亭-兰州东750kV示范工程以及以后的西北地区750kV输电网架建设为绝缘子产品发展提供了难得的机遇。2002年年底和2003年年初,唐山高压电瓷有限公司和西安双佳高压电瓷电器有限公司800kV支柱瓷绝缘子分别通过鉴定;2004年大连电瓷有限公司400kN和530kN盘形悬式瓷绝缘子通过鉴定;2005年西安西电高压电瓷有限责任公司750kV电容式套管完成样机试制;2006年抚顺电瓷制造公司750kV SF6断路器用空心瓷绝缘子通过验收。
(3)交流1000kV和直流800kV特高压用瓷绝缘子 2006年西安双佳高压电瓷电器有限公司和西安西电高压电瓷有限责任公司联合研制的1100kV户外棒形支柱瓷绝缘子通过鉴定;2007年南京电气(集团)有限公司1100kV变压器套管通过鉴定;2008年唐山电瓷有限公司1100kV及±800kV棒形支柱绝缘子通过鉴定;2008年西安西电高压电瓷有限责任公司1100kV变压器/电抗器套管通过鉴定;2008年抚顺电瓷制造公司±800kV棒形支柱绝缘子中标向家坝—上海直流工程;2009年西安西电高压套管有限公司提供的1100kV变压器/电抗器套管、西安西电高压电瓷有限责任公司和抚顺电瓷制造公司提供的棒形支柱瓷绝缘子通过国家级验收;2009年大连电瓷有限公司直流盘形悬式瓷绝缘子通过鉴定;2010年西安西电高压电瓷有限责任公司建成高度12.5m 等温高速无机粘接窑炉,并成功焙烧800kV和1100kV产品。“十一五”期间,针对我国特高压工程用瓷绝缘子产品开展了大量的研究和产品试制,使产品结构和档次有了质的变化。
(4)空心瓷绝缘子 空心瓷绝缘子制造企业以西安西电高压电瓷有限责任公司、醴陵市华鑫电瓷电器有限公司、抚顺高科电瓷电气制造有限公司、抚顺电瓷制造公司等企业为代表,除研制并生产变压器、电抗器、电容器、避雷器等各类电器用产品外,20世纪80年代以来重点发展各类断路器用承受内压力产品,以耐污秽、高机械强度、高可靠性、高电压等级为产品发展目标。
棒形支柱瓷绝缘子制造企业以西安西电高压电瓷有限责任公司、唐山高压电瓷有限公司、抚顺电瓷制造有限公司、河南省中联红星电瓷有限责任公司、苏州电瓷厂有限公司等企业为代表,20世纪80年代以来重点发展母线支柱、操作支柱产品,以耐污秽、高机械强度、高可靠性、高电压等级为产品发展目标。
(5)盘形悬式瓷绝缘子 盘形悬式瓷绝缘子制造企业以大连电瓷集团股份有限公司、NGK唐山电瓷有限公司、苏州电瓷厂有限公司、内蒙古精诚高压绝缘子有限责任公司等企业为代表,20世纪80年代以来重点以大吨位、高可靠性、低劣化率为产品发展方向。
(6)复合绝缘子和玻璃绝缘子对瓷绝缘子产业的影响 复合绝缘子(主要指用硅橡胶等聚合物材料作为外绝缘的绝缘子)作为新一代绝缘结构,从20世纪80年代中期以来得到长足发展。这种绝缘子有着瓷和玻璃绝缘子无法比拟的优点—制成的产品体积小、重量轻、制造工艺简单、耐污性能好等。硅橡胶复合绝缘子的耐污性能来源于其具有憎水性,这种憎水性在特定条件下短暂丧失后可以得到恢复,并且在绝缘子表面积污后能够迁移到污层表面。我国因为地域广阔,不少地区存在污秽严重等问题,是世界上复合绝缘子发展最快的国家。另外,浇注环氧树脂、层压塑料等有机绝缘材料也广泛用于户内电气绝缘结构。20世纪80年代初,我国电气化铁道接触网就批量使用以硅橡胶伞套为外绝缘的复合绝缘子,用以解决隧道等恶劣环境下的电气绝缘问题。复合绝缘子产品有从欧洲国家进口,也有自行生产,但因伞套材料劣化和界面处理欠佳很快就退出了市场。国内复合绝缘子正式研发始于20世纪80年代中期,到2010年,国内具有一定规模的复合绝缘子生产厂商20余家,年销售收入30多亿元,产品覆盖所有电压等级及机械强度等级,在新建线路上的使用量接近50%,电站电器上的使用量15%以上,并快速增长。
钢化玻璃材料主要用于制造盘形悬式绝缘子,其特点是制造工艺相对简单,便于大批量生产,使用中零值自爆,不需要定期零值检测。南京电瓷厂玻璃绝缘子研制和小批生产始于60年代初,1976年和1977年分别试制成功160kV和210kV产品,1992年引进意大利钢化玻璃绝缘子自动化生产线 2010年形成了全球(单体)最大玻璃绝缘了生产基地。钢化玻璃绝缘子发展初期因玻璃件自爆率偏高限制了其推广。2003~2010年,随着制造工艺的成熟和用户逐步接受,国内钢化玻璃绝缘子发展迅猛,2010年国内共有10座钢化玻璃熔制炉,19条玻璃件成形线,年产能3800万片。
复合绝缘子和玻璃绝缘子的发展不可避免地对一统天下的瓷绝缘子市场造成了极大冲击,尤其是线路绝缘子。虽因总量大幅度增长,2010年瓷绝缘子实际生产量仍达到30万吨以上,但瓷绝缘子在绝缘子总量中所占的比重不断缩小是不争的事实,面临产业安全带来的结构调整。
改革开放以来到2004年,我国高压电瓷年产量基本维持在10万吨左右。20世纪90年代起,虽然复合绝缘子和玻璃绝缘子的使用份额在逐年增长,但因需求总量增大,高压电瓷产量仍无大的变化;2005年以后,受国内电力工业的超常规需求拉动,高压电瓷产量急剧增长。1979~2010年绝缘子避雷器行业各年度主要经济指标见表10-3。
表10-3 1979~2010年绝缘子避雷器行业主要经济指标统计
注:数据来源于各年度绝缘子避雷器行业统计资料汇编。2010年为估计数据。
目前,我国现有瓷绝缘子制造企业百家左右。2000年以后绝大多数完成了企业改制,转化为股份制的民营企业,仍为国有或国有控股的企业只有西安西电高压电瓷有限责任公司、上海电瓷厂。
中国西电集团对其所属公司进行整合,将西安双佳高压电瓷电器有限公司并入西安西电高压电瓷有限责任公司,专业生产支柱和空心瓷绝缘子。
按照企业所在城市规划的要求,随着企业改制、整合,瓷绝缘子制造业中的许多企业都进行了迁建。行业主要骨干企业中抚顺电瓷制造有限公司、大连电瓷集团股份有限公司、苏州电瓷厂有限公司、重庆鸽牌电瓷有限公司、唐山高压电瓷有限公司、湖南华联火炬电瓷电器有限公司已完成或正在迁建。迁建后企业的技术装备能力、发展空间都得到了加强。
继苏州电瓷厂有限公司于2003年10月成为上市公司创元科技股份有限公司(投资控股型企业)的控股子公司后,中国西电电气股份有限公司于2010年1月在上海证券交易所成功挂牌上市,西安西电高压电瓷有限责任公司为中国西电电气股份有限公司的子公司;2010年,大连电瓷集团股份有限公司上市筹备工作已经就绪,同年,上市公司创元科技以收购方式入股抚顺高科电气制造有限公司。
日本NGK公司1998年建立NGK唐山电瓷有限公司,专业生产线路瓷绝缘子;2007年建立NGK苏州电瓷有限公司,主要生产套管、空心瓷绝缘子。PPC公司2005年建立无锡工厂,专业生产长棒形瓷绝缘子。德国西门子控股的沈阳传奇电气有限公司专门生产电容式套管,包括油浸纸电容式套管和胶浸纸电容式套管。瓷绝缘子主导产品的生产能力见表10-4。
表10-4 瓷绝缘子主导产品生产能力
我国绝缘子标准化工作始于1953年从原前苏联引进10项线路瓷绝缘子产品标准,包括盘形悬式和针式等。这些标准1956年经中央相关部委(电力、铁道和邮电等)审定,由一机部发布为部颁技术条件,编号ODD.528.000~009-56。
1961~1963年制定的标准主要解决产品品种发展的急需,并参照采用国际标准中适应我国生产技术水平的内容,逐步提高标准水平。
1964年,修订标准10项;将瓷件技术要求按照高压和低压分类,制定了高压绝缘子瓷件技术条件和低压绝缘子瓷件技术条件2个国家标准;把各标准中相同的试验方法归并,单独制定试验方法国家标准。
1966~1967年,10kV横担、户外实心棒形支柱、电容式套管通用技术条件等4个部标准,1976~1968年制定陶瓷灭弧罩标准。其后至1971年,因“文革”干扰,标准制修订基本停顿。
1971年底开始,组织行业力量分线路、电站、试验方法和瓷件外观集中修订10项瓷绝缘子国家标准,1977年基本结束。
1976~1980年期间,制订、修订标准26项,其中国家标准16项,包括制定瓷材料标准。1981~1985年期间,主要集中对基础标准的制修订,解决标准上水平的问题。80年代后期至2000年,围绕积极采用国际标准的方针,再次对瓷绝缘子国家标准进行新一轮的修订。2000年以后,按照等同或修改采用国际标准的原则再次全面修订瓷绝缘子国家标准,基本实现了国家标准体系和国际标准体系接轨。
我国绝缘子标准历经全盘照搬前苏联标准到结合我国实际有选择地采用国际标准和国外先进标准,到2010年,共有现行瓷绝缘子及相关标准68项,包括术语和定义、产品、瓷材料、试验方法、附件等,基本建立了我国的绝缘子标准体系。