纏繞角度對復(fù)合絕緣子用玻纖纏繞管關(guān)鍵性能的影響

司曉闖 齊小喬 王紅超 陳巧玲

摘 要：本文對纏繞角度為40°、45°、50°、55°、60°以及65°的復(fù)合絕緣子用玻纖纏繞管進(jìn)行了關(guān)鍵機(jī)械和電氣性能研究。結(jié)果表明，隨著纏繞角度的增加，材料的軸向拉伸和垂直層向彎曲強(qiáng)度逐漸降低，軸向壓縮強(qiáng)度逐漸增大，平行、垂直層向擊穿強(qiáng)度和介電常數(shù)基本持平。在實(shí)際工程應(yīng)用中，綜合考慮纏繞角度控制在50°～60°較為合適，也可采用多角度復(fù)合纏繞。

關(guān)鍵詞：復(fù)合絕緣子;纏繞角度;玻纖纏繞管

中圖分類號：TQ327 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）09-0034-03

Abstract： The key mechanical and electrical properties of fiberglass wound tubes for composite insulators with winding angles of 40°， 45°， 50°， 55°， 60° and 65° were compared in this paper. the results show that with the increase of winding angle， the axial tensile， vertical layer to the bending strength decreases and the axial compression strength increases gradually; parallel， vertical layer to the breakdown strength and dielectric constant were little changed. In practical engineering applications， it is more appropriate to control the winding angle between 50° and 60° comprehensively， and multi-angle composite winding can also be adopted.

Keywords： composite insulator;winding angle;glass fiber winding tube

近年來，隨著復(fù)合絕緣子制造技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，其已經(jīng)不僅局限于用作電力設(shè)備的進(jìn)出線外絕緣，還大量應(yīng)用到特高壓直流旁路開關(guān)和隔離斷路器等敞開類高壓開關(guān)產(chǎn)品的滅弧室和支柱絕緣子外絕緣中?？招膹?fù)合絕緣子主要由玻纖纏繞管、硅橡膠傘裙護(hù)套以及法蘭3部分組成。玻纖纏繞管是復(fù)合絕緣子的核心部件，復(fù)合絕緣子機(jī)械性能的高低取決于玻纖纏繞管的強(qiáng)度[1]。與常規(guī)出線套管用復(fù)合絕緣子的玻纖纏繞管相比，作為敞開類高壓開關(guān)產(chǎn)品用瓷質(zhì)絕緣子的替代產(chǎn)品，其需要具有更高的機(jī)械強(qiáng)度和長期穩(wěn)定性，但在實(shí)際的使用過程中，空心復(fù)合絕緣子的變形量依然會影響動靜觸頭對中和端子拉力狀態(tài)下整機(jī)的變形量控制。因此，提高玻纖纏繞管的機(jī)械電氣強(qiáng)度、控制變形量對提高開關(guān)產(chǎn)品的安全運(yùn)行可靠性，確保大電網(wǎng)運(yùn)行安全具有重要意義。

目前，玻纖纏繞管采用耐酸、耐高溫以及抗拉彎強(qiáng)度大的樹脂增強(qiáng)玻璃纖維，通過濕法纏繞的方式纏繞而成。選擇纖維纏繞方向十分重要，不同纖維纏繞角度制成的玻纖纏繞管綜合性能差異較大，因?yàn)槔w維纏繞方向可以決定其結(jié)構(gòu)在不同方向的強(qiáng)度比，可使玻璃鋼結(jié)構(gòu)獲得合理的強(qiáng)度分配[2]。本文對6種纏繞角度（40°、45°、50°、55°、60°、65°）纏繞而成的纏繞管進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，分析了纏繞角度對材料力學(xué)和電氣性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

使用的原材料包括湖南岳陽巴陵石油化工有限公司的雙酚A環(huán)氧樹脂CYD-128、大連金世光電材料有限公司的甲基四氫鄰苯二酸酐、江蘇江陰化工廠的DMP-30以及市售的玻璃纖維ER468A-1200等。

1.2 試樣制備

按照圖1所示的過程，采用濕法纏繞工藝進(jìn)行玻纖纏繞管的制造[3]。為了減少纏繞過程中玻纖纏繞管兩端部可能產(chǎn)生的少量滑紗對纏繞角度的影響，在玻纖纏繞管的中間部位采用《纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則》（GB/T 1446—2005）中規(guī)定的機(jī)械加工法裁取各種性能檢測用試樣。

1.3 試驗(yàn)方法

拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及軸向壓縮強(qiáng)度使用INSTRON萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，試驗(yàn)方法分別按照按《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》（GB/T 1447—2005）、《塑料彎曲性能的測定》（GB/T 9341—2008）以及《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》（GB/T 1448—2005）進(jìn)行，速度分別為10 mm/min、5 mm/min以及2 mm/min。

平行、垂直層向擊穿強(qiáng)度使用GCSTD-C電壓擊穿測試儀進(jìn)行測試，按照《絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法 第1部分 工頻下試驗(yàn)》（GB/T 1408.1—2006）中的試驗(yàn)方法在變壓器中進(jìn)行。試樣提前在溫度為（23±2）℃，相對濕度為（50±5）%的條件下處理24 h。

介電常數(shù)使用QS87型介損及介電常數(shù)測量系統(tǒng)進(jìn)行測試，試驗(yàn)方法按照《測量電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻（包括米波波長存內(nèi)）下電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的推薦方法》（GB/T 1409—2006）的規(guī)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 軸向拉伸強(qiáng)度

不同纏繞角度下玻纖纏繞管拉伸強(qiáng)度的測試結(jié)果如圖2所示。由圖可以看出，隨著纏繞角度的增大，材料的拉伸強(qiáng)度呈逐漸降低趨勢。纏繞角度為40°時(shí)，試樣拉伸強(qiáng)度達(dá)到101 MPa，纏繞角度65°時(shí)，試樣拉伸強(qiáng)度達(dá)到72 MPa，相比纏繞角度為40°時(shí)下降了28.7%。這主要是因?yàn)樾〗嵌认虏ＡЮw維的方向與玻纖纏繞管的軸線方向更接近，試樣中的玻璃纖維段更長，單股玻璃纖維紗與環(huán)氧樹脂基體的接觸面積更大，更利于玻璃纖維與環(huán)氧樹脂界面的應(yīng)力分散和玻璃纖維自身強(qiáng)度的發(fā)揮。試樣的破壞形式為沿軸向方向的玻璃纖維斷裂以及玻璃纖維與環(huán)氧樹脂基體之間的分層。

2.2 垂直層向彎曲強(qiáng)度

不同纏繞角度下玻纖纏繞管彎曲強(qiáng)度的測試結(jié)果如圖3所示。由圖可以看出，隨著纏繞角度的增大，試樣的彎曲強(qiáng)度呈逐漸降低趨勢。纏繞角度為40°時(shí)，試樣彎曲強(qiáng)度達(dá)到270 MPa，纏繞角度65°時(shí)，試樣彎曲強(qiáng)度為163 MPa，相比纏繞角度為40°時(shí)下降了39.6%。這種差異體現(xiàn)主要是纏繞線性的原因，從螺旋纏繞的理論模型可以看出，大纏繞角度下纖維之間交互交聯(lián)的交點(diǎn)數(shù)明顯小于小纏繞角，當(dāng)其纏繞層數(shù)和小纏繞角度一樣時(shí)，其厚度則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他纏繞角度的厚度，這也直接導(dǎo)致了耐受彎曲負(fù)荷的有效面積下降，降低了材料的強(qiáng)度。當(dāng)纏繞角增大時(shí)，試樣的橫向強(qiáng)度大，縱向強(qiáng)度小，試驗(yàn)時(shí)在壓頭作用下直接導(dǎo)致纖維束之間的撕裂，在較小的力下就發(fā)生破壞，彎曲強(qiáng)度較小。從試樣的破壞形貌來看，破壞形式均為玻璃纖維與環(huán)氧樹脂的分層。

2.3 軸向壓縮強(qiáng)度

不同纏繞角度下玻纖纏繞管壓縮強(qiáng)度的測試結(jié)果如圖4所示。由圖可以看出，隨著纏繞角度的增大，試樣的壓縮強(qiáng)度逐漸增大，增速呈變緩趨勢。纏繞角度為40°時(shí)，試樣壓縮曲強(qiáng)度達(dá)到123 MPa，纏繞角度65°時(shí)，試樣彎曲強(qiáng)度為185 MPa，相比纏繞角度為40°時(shí)增加了50.4%。試樣破壞形式以剪切破壞為主，同時(shí)存在層間分離。這是因?yàn)閴嚎s的作用使得試樣纏繞層之間存在剪切內(nèi)力，從而產(chǎn)生層間剪切應(yīng)力，而層間剪切應(yīng)力達(dá)到一定程度就會引起試樣層間剪切破壞。在壓縮荷載下，由于纏繞角度的不同，試樣發(fā)生不同的徑向位移。徑向位移可導(dǎo)致試樣沿徑向的纖維間相互分離，且在相同的壓縮條件下，纏繞角度越小，徑向位移值越大，越容易發(fā)生纖維間的分離[4-5]。

2.4 平行、垂直層向擊穿強(qiáng)度

不同纏繞角度下玻纖纏繞管平行、垂直層向擊穿強(qiáng)度的測試結(jié)果如圖5所示。由圖可以看出，不同纏繞角度下玻纖纏繞管的平行、垂直層向擊穿強(qiáng)度都比較穩(wěn)定，平行層向擊穿強(qiáng)度為56.2 kV/mm，垂直層向擊穿強(qiáng)度為13.52 kV/mm，纏繞角度對參數(shù)的影響并不明顯。

2.5 介電常數(shù)

介電常數(shù)是相對介電常數(shù)與真空中絕對介電常數(shù)的乘積，對于高壓開關(guān)設(shè)備用絕緣件一般要求較小的介電常數(shù)。不同纏繞角度下玻纖纏繞管介電常數(shù)的測試結(jié)果如圖6所示。由圖可以看出，不同纏繞角度下玻纖纏繞管的介電常數(shù)基本保持在4.5～5.5，纏繞角度對介電常數(shù)參數(shù)的影響并不明顯。

3 結(jié)論

本文對纏繞角度為40°、45°、50°、55°、60°以及65°的空心復(fù)合絕緣子用玻纖纏繞管樣件進(jìn)行了關(guān)鍵機(jī)械和電氣性能研究，從結(jié)果可以看出，纏繞角度對玻璃纖維纏繞管的機(jī)械性能有很大的影響，對玻璃纖維纏繞管的電氣性能參數(shù)的影響不明顯。隨著纏繞角度的增加，玻纖纏繞管試樣的軸向拉伸和垂直層向彎曲強(qiáng)度逐漸降低，軸向壓縮強(qiáng)度逐漸增大，試樣的平行、垂直層向擊穿強(qiáng)度和介電常數(shù)基本持平。因此，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，綜合考慮玻璃纖維纏繞管的電氣、機(jī)械性能，纏繞角度控制在50°～60°較為合適，可獲得各項(xiàng)性能較為均衡的玻璃纖維纏繞管，同時(shí)也可采用多角度復(fù)合纏繞。

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