空心復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

司曉闖 徐衛(wèi)星 張 倩

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467013）

0 引言

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，美國(guó)就開(kāi)始研究和使用復(fù)合絕緣子，主要使用環(huán)氧樹(shù)脂、樹(shù)脂增強(qiáng)玻璃鋼芯棒、橡膠或氟塑料等聚合材料。到80年代，美國(guó)、德國(guó)等國(guó)的復(fù)合絕緣子發(fā)展非常迅速，主要有以美國(guó)為代表的乙丙橡膠復(fù)合絕緣子和以德國(guó)為代表的高溫硫化硅橡膠復(fù)合絕緣子。

我國(guó)對(duì)復(fù)合絕緣子的研制開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)80年代初，我國(guó)電網(wǎng)的高速發(fā)展有力地促進(jìn)了復(fù)合絕緣子產(chǎn)業(yè)的迅速壯大。目前，我國(guó)復(fù)合絕緣子的研究、制造和運(yùn)行已居世界領(lǐng)先水平，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也引起了國(guó)際相關(guān)組織的關(guān)注。實(shí)際運(yùn)行表明，使用復(fù)合絕緣子是解決我國(guó)污穢地區(qū)外絕緣污閃最為有效的方法之一，不僅有效遏制了大面積污閃事故的發(fā)生，也大大減輕了繁重的污穢清掃等運(yùn)行維護(hù)工作量。

與瓷和玻璃絕緣子相比，在電氣性能方面：復(fù)合絕緣子的工頻干閃電壓略高于瓷絕緣子的干閃電壓；復(fù)合絕緣子的工頻濕閃電壓比瓷絕緣子高約15%。復(fù)合絕緣子的雷電沖擊50%放電電壓比瓷絕緣子高約5%。復(fù)合絕緣子不存在零值擊穿、零值檢測(cè)和零值更換的問(wèn)題。復(fù)合絕緣子具有優(yōu)良的耐污閃性。在抗老化性能方面：復(fù)合絕緣子屬有機(jī)材料，在運(yùn)行中受到各種氣候和外界的影響，會(huì)造成復(fù)合絕緣子絕緣性能的下降，影響到復(fù)合絕緣子的使用壽命。但是目前在我國(guó)電網(wǎng)中已經(jīng)使用了近20年的產(chǎn)品仍在掛網(wǎng)運(yùn)行，未出現(xiàn)異常情況。同時(shí)隨著有機(jī)材料新配方的研制，復(fù)合絕緣子的使用壽命將會(huì)有較大程度的提高。

1 空心復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)

空心復(fù)合絕緣子主要有三大部件構(gòu)成：端部金屬附件、硅橡膠傘裙護(hù)套、環(huán)氧樹(shù)脂玻璃纖維纏繞管。

圖1 空心復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)組成

1.1 端部金屬附件

端部金屬附件是復(fù)合絕緣子機(jī)械負(fù)荷的傳遞部件，它與玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂纏繞管組裝在一起構(gòu)成復(fù)合絕緣子的連接件。目前端部附件的主要材料為：高強(qiáng)度鑄鋁合金和鑄鋼等，在本產(chǎn)品的試制過(guò)程中我們采用高強(qiáng)度鑄鋁合金作為端部附件材料，金屬型鑄造加T6人工時(shí)效處理，其抗拉機(jī)械強(qiáng)度可達(dá)到295MPa。

1.2 硅橡膠傘裙護(hù)套

傘裙護(hù)套是復(fù)合絕緣子的外絕緣部分，其作用是使復(fù)合絕緣子具有足夠高的防濕閃和污閃的外絕緣性能，以保護(hù)玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂纏繞管免遭大氣的侵襲。傘裙護(hù)套長(zhǎng)期暴露在戶外，經(jīng)受各種惡劣氣象條件和工業(yè)污染的侵蝕，在運(yùn)行狀態(tài)下還可能受到火花放電或局部電弧的燒蝕。因此通常要求傘裙護(hù)套必須具有優(yōu)良的防污閃性、耐漏電起痕性和耐電蝕損性，以及耐臭氧、耐高溫等大氣老化的作用。傘裙護(hù)套材料現(xiàn)主要有高溫硅橡膠（HTV）和液態(tài)硅橡膠（LSR）。

1.3 環(huán)氧樹(shù)脂玻璃纖維纏繞管

玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂纏繞管是空心復(fù)合絕緣子的機(jī)械負(fù)荷的承載部件，同時(shí)又是內(nèi)絕緣的主要部分，它具有很高的機(jī)械強(qiáng)度、絕緣性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂纏繞管材料采用耐酸、耐高溫、抗拉彎強(qiáng)度大的樹(shù)脂增強(qiáng)玻璃纖維纏繞而成。

2 空心復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 傘形設(shè)計(jì)

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和模擬運(yùn)行條件下的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，一般要求絕緣子的剖面形狀應(yīng)符合相應(yīng)參數(shù)[1]。在相同的干弧距離和爬電距離要求下，可設(shè)計(jì)出多種滿足參數(shù)要求的傘形形狀，但不同的傘形形狀對(duì)其成型工藝、硅橡膠材料的損耗量、模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模具材料的消耗量存在很大的影響。傘伸出越大，意味著用于傘裙成型的模腔越深，模具的厚度、高度就越大。目前高溫注射工藝的模具是靠設(shè)備上加熱板進(jìn)行加熱，通過(guò)模具材料本身的熱傳導(dǎo)性能取得工藝要求的溫度參數(shù)值。模具的厚度越大，熱傳導(dǎo)效果越差，導(dǎo)致模具分型面的溫度與模腔底部的溫度差異較大，不利于傘裙護(hù)套的成型，因此，設(shè)計(jì)人員就得考慮通過(guò)輔助加熱等方式來(lái)保證模具溫度的均勻性，最終增加了設(shè)計(jì)成本、模具材料成本、模具加工成本和設(shè)備的能耗。

在GB/T 26218.3-2011[2]中對(duì)污穢條件下傘形結(jié)構(gòu)參數(shù)有具體的要求，目前國(guó)內(nèi)復(fù)合絕緣子生產(chǎn)廠家一般采用的傘形有：一大一小、一大兩小、一大一中一小和等徑傘等（如圖2～5）。

（1）傘間距 S 和傘伸出 P 之比 S/P 應(yīng)大于 0.75；（2）在復(fù)合絕緣子的任一部分，局部爬電距離Ⅰd與空氣間距d之比Ⅰd/d應(yīng)小于 5；（3）對(duì)于交替?zhèn)阈?，P1-P2 應(yīng)不小于 15mm；（4）交替?zhèn)阈蝹汩g最小距離c不小于50mm。

同時(shí)考慮到硅橡膠傘裙材料耐漏電起痕和電蝕水平達(dá)到TMA4.5級(jí)，而 GB/T 21429-2008[3]規(guī)定“絕緣子用傘套應(yīng)使用不低于GB 6553-2003[4]規(guī)定的TMA4.5級(jí)，最大電蝕深度不超過(guò)2.5mm的絕緣材料”，并根據(jù)以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，硅橡膠護(hù)套厚度應(yīng)在5mm以上。

圖2

圖3

圖4

圖5

2.2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品的運(yùn)行過(guò)程中，空心復(fù)合絕緣子內(nèi)部充有一定壓力的SF6氣體或其他絕緣介質(zhì)，因此空心復(fù)合絕緣子的密封結(jié)構(gòu)對(duì)保證產(chǎn)品的密封性、安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。當(dāng)端部附件與玻璃纖維纏繞管澆裝粘接面密封性可靠時(shí)，空心復(fù)合絕緣子的密封槽可設(shè)在端部附件平面上或與其相配的零部件端面上，采用矩形槽，見(jiàn)圖6；當(dāng)粘接面的密封可靠性未得到驗(yàn)證時(shí)可采用密封圈放在端部附件和玻璃纖維纏繞管粘接縫處 （俗稱三角形密封），見(jiàn)圖7；另外在三角密封的基礎(chǔ)上也可增加一個(gè)副密封槽來(lái)保證產(chǎn)品密封性，見(jiàn)圖8。根據(jù)我公司多年來(lái)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，端部附件與玻璃纖維纏繞管澆裝粘接面密封性可靠性已經(jīng)得到充分驗(yàn)證，同時(shí)考慮到空心復(fù)合絕緣子與瓷絕緣子的互換性，國(guó)內(nèi)廠家在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中大量采用的是圖5所示的平面密封設(shè)計(jì)——密封槽設(shè)在與端部附件相配的零部件端面上。

圖6

圖7

圖8

2.3 玻璃纖維纏繞管與端部附件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

端部附件與玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂纏繞管連接結(jié)構(gòu)的好壞直接影響到玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂纏繞管強(qiáng)度的發(fā)揮及空心復(fù)合絕緣子機(jī)械性能。在文獻(xiàn)[5]中，文獻(xiàn)作者給出了空心復(fù)合絕緣子的內(nèi)水壓、抗彎及法蘭粘接強(qiáng)度的理論計(jì)算方法：

（1）內(nèi)水壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求

（2）抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求

（3）法蘭粘接強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求

式中，pb——破壞水壓（MPa）；D1——管外徑（cm）；d1——管內(nèi)徑（cm）；Mw——破壞彎矩（N·cm）；L——法蘭粘接面高度（cm）；K——考慮膠裝應(yīng)力影響取的安全系數(shù)，K＝2.5；[σn]——內(nèi)壓許用應(yīng)力（MPa），[σn]＝86；[σw2]——膠裝抗彎強(qiáng)度（MPa），[σw2]＝75；[σj]——法蘭粘結(jié)許用應(yīng)力（MPa），[σj]＝15。

根據(jù)以上計(jì)算方法，綜合考慮產(chǎn)品在使用過(guò)程中所受到的內(nèi)壓力、產(chǎn)品自重、風(fēng)載荷及端子拉力等作用力，在滿足各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)要求的前提下，對(duì)40.5kV斷路器用空心復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過(guò)solidworks軟件進(jìn)行了仿真計(jì)算：

序號(hào) 零部件 屈服強(qiáng)度 泊松比 彈性模量1法蘭 295 Mpa 0.33 7.1×1010N/m2 2 環(huán)氧樹(shù)脂玻璃纖維纏繞管 55 Mpa 0.32 1.45×1010N/m2

圖9 模型網(wǎng)格劃分

圖10 法蘭應(yīng)力分布圖

圖11 玻璃纖維纏繞管應(yīng)力分布圖

圖12 最大位移量

由于傘裙護(hù)套的形狀比較復(fù)雜，對(duì)模型的網(wǎng)格劃分帶來(lái)很大的困難，所以在計(jì)算過(guò)程中可以對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。

計(jì)算結(jié)果：

序號(hào) 零部件 判據(jù) 最大值 安全系數(shù)1法 蘭 295 Mpa 173.2 Mpa 1.71 2 環(huán)氧樹(shù)脂玻璃纖維纏繞管 55 Mpa 18.1 Mpa 3.03 3膠 裝 劑 15 Mpa 11.4 Mpa 1.31

3 結(jié)論

隨著空心復(fù)合絕緣子在工程中用量的不斷增加，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求也在逐步提高。本文從空心復(fù)合絕緣子的構(gòu)成、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面簡(jiǎn)單敘述了空心復(fù)合絕緣子的設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)公司現(xiàn)有一種產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)員在空心復(fù)合絕緣子的設(shè)計(jì)方面提供了參考。

[1]邱志賢譯.絕緣子在污穢條件下的選用導(dǎo)則·附錄D·表征絕緣子剖面形狀的參數(shù).絕緣子與避雷器標(biāo)準(zhǔn)譯文集[M].西安.西安電瓷研究所.1989.

[2]GB/T26218.3-2011，污穢條件下使用的高壓絕緣子的選擇和尺寸確定第三部分：交流系統(tǒng)用復(fù)合絕緣子[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[3]GB/T21429-2008，戶外和戶內(nèi)電氣設(shè)備用空心復(fù)合絕緣子定義、試驗(yàn)方法、接收準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)推薦[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化出版社，2008.

[4]GB/T6553-2003，評(píng)定在嚴(yán)酷環(huán)境條件下使用的電氣絕緣材料耐電痕化和蝕損的試驗(yàn)方法[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化出版社，2003.