分析±800kV直流支柱復(fù)合絕緣子制造技術(shù)

宋其東

摘 要：應(yīng)用支柱復(fù)合絕緣子，可以使±800 kV直流輸電工程中的嚴(yán)重污染、高海拔等各項(xiàng)問題得到解決。為了確?！?00 kV直流輸電工程運(yùn)行過程中的安全性，減少事故發(fā)生，就需要加強(qiáng)對(duì)支柱復(fù)合絕緣子的研究，做好制造技術(shù)探究，確保最終生產(chǎn)的支柱復(fù)合絕緣子可以滿足應(yīng)用需求，從而為人們提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的電能，提高人們的生活質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：支柱復(fù)合絕緣子;直流輸電工程;大直徑芯棒;硅橡膠

中圖分類號(hào)：TM721.1;TM854 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）11-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.014

±800 kV直流輸電工程建設(shè)，對(duì)于我國電力制造行業(yè)中各項(xiàng)技術(shù)水平的提升，以及相應(yīng)技術(shù)的研究與發(fā)展來說，都是一個(gè)很好的機(jī)遇。文章針對(duì)±800 kV直流輸電工程中采用的支柱復(fù)合絕緣子制造技術(shù)展開探究，以促進(jìn)我國電力行業(yè)的健康發(fā)展。

1 支柱復(fù)合絕緣子概述

支柱復(fù)合絕緣子主要由纏繞層、法蘭、小直徑芯棒、硅橡膠傘裙、密封圈等多項(xiàng)結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成。支柱復(fù)合絕緣子以小直徑芯泵為基礎(chǔ)周，通過纏繞固化方式，最終制作成大直徑芯棒，然后將高溫硫化硅橡膠涂抹在芯棒外圍，通過一次整體注射方式成型[1]。

支柱復(fù)合絕緣子通過應(yīng)用走廊和狹窄空間以升壓送電，可以適當(dāng)降低輸電線路中的桿塔高度，降低人力、物力、財(cái)力消耗。支柱復(fù)合絕緣在具體應(yīng)用時(shí)，具有較強(qiáng)的抗污性及良好的抗污閃性。在相同盤距瓷絕緣子的情況下，支柱復(fù)合絕緣子的濕耐受電壓和污穢耐受電壓可以達(dá)到前者的2.5倍左右，而且對(duì)其應(yīng)用時(shí)不需要清掃，即使在受到較嚴(yán)重污染的狀況下也可以穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

支柱復(fù)合絕緣子的作用特點(diǎn)如下：

第一，支柱復(fù)合絕緣子在應(yīng)用時(shí)可以合理應(yīng)用輸電線路中的狹窄的走廊開壓送電，因此，適合應(yīng)用在城網(wǎng)技術(shù)改造中，降低輸電線路中桿塔的具體高度，降低財(cái)力、物力、人力的投入。其彎曲強(qiáng)度高，能夠有效防止由于瓷橫擔(dān)容易發(fā)生級(jí)聯(lián)斷裂等事故，提高安全性。因此，支柱復(fù)合絕緣子是瓷橫擔(dān)無法取代的一種產(chǎn)品。同時(shí)，支柱復(fù)合絕緣子還具有重量輕、體積小、抗沖擊能力前、防震性能好、不需清掃等特點(diǎn)，為輸電線路的運(yùn)行安全提供了強(qiáng)有力的保障。

目前，許多支柱復(fù)合絕緣子采用整體棒形設(shè)計(jì)，其質(zhì)量高，結(jié)構(gòu)十分緊湊，其與相同等級(jí)的玻璃絕緣子和瓷絕緣子相比，重量?jī)H為后者的10 %左右，從而降低了運(yùn)輸、安裝等各項(xiàng)作業(yè)的難度。

第二，支柱復(fù)合絕緣子適合應(yīng)用在污穢相對(duì)嚴(yán)重、高機(jī)械拉伸負(fù)荷及緊湊、大跨度型的輸電線路區(qū)域。污閃電壓與相同等級(jí)的玻璃和瓷絕緣子相比，能夠提高30%～50%。在﹣60 ℃～200 ℃的環(huán)境下能夠保持穩(wěn)定，其性能不會(huì)遭受影響。

同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)采取不可擊穿型設(shè)計(jì)，具體運(yùn)行時(shí)不需要進(jìn)行測(cè)零值作業(yè)。隨著電氣性能的提高，機(jī)械強(qiáng)度的增強(qiáng)，支柱復(fù)合絕緣子顳部承載環(huán)氧玻璃引棒抗強(qiáng)度能夠達(dá)到普通鋼強(qiáng)度的200%，能夠達(dá)到高強(qiáng)度陶瓷的1 000%左右，提高了輸電線路運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。

第三，支柱復(fù)合絕緣子具有良好的抗污、耐污、抗污閃等能力，其濕耐數(shù)電壓和污染電壓能力與相同等級(jí)的絕緣子相比，能夠達(dá)到后者的200%～250%，而且在應(yīng)用時(shí)不要清掃，即使在重污染區(qū)域也能保持穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

第四，重量輕、體積小，在電壓等級(jí)相等的情況下，重量?jī)H為瓷絕緣的15%左右，結(jié)構(gòu)輕巧，方便運(yùn)輸和安裝。

2 生產(chǎn)支柱復(fù)合絕緣子的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

生產(chǎn)支柱復(fù)合絕緣子是一項(xiàng)復(fù)雜工作，具體生產(chǎn)過程中會(huì)應(yīng)用到許多不同類型的生產(chǎn)技術(shù)，其中最重要的技術(shù)有以下幾種：研究硅橡膠專用材料，制造大直徑芯棒工藝;整體真空硅膠注射成型工藝;研究支柱復(fù)合絕緣子中法蘭結(jié)構(gòu)。

上述各項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)都是生產(chǎn)支柱復(fù)合絕緣子的基礎(chǔ)技術(shù)，各項(xiàng)技術(shù)都會(huì)對(duì)最終生產(chǎn)的支柱復(fù)合絕緣子性能造成直接影響。由此可見，為了提高支柱復(fù)合絕緣子的性能，必須要加強(qiáng)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的探究，提高生產(chǎn)技術(shù)的先進(jìn)性，充分發(fā)揮支柱復(fù)合絕緣子的性能[3]。

3 制造支柱復(fù)合絕緣子的技術(shù)

3.1 研究硅橡膠材料

支柱復(fù)合絕緣子是輸電線路中的一項(xiàng)關(guān)鍵部件，其性能會(huì)對(duì)輸電線路的安全性和穩(wěn)定性造成直接影響，這也就對(duì)包裹在芯棒外表面的絕緣材料性能提出了高要求?！?00 kV直流支柱復(fù)合絕緣子是特高壓等級(jí)，在我國的輸電線路中主要被應(yīng)用在西南高海拔、紫外線照射較強(qiáng)的區(qū)域。同時(shí)，直流絕緣子在應(yīng)用期間會(huì)出現(xiàn)靜電吸附、電弧電流物過零點(diǎn)等各種情況，并對(duì)絕緣材料提出了更高的要求[4]。

從目前生產(chǎn)作業(yè)采用的技術(shù)看，支柱復(fù)合絕緣子生產(chǎn)主要利用高溫硫化硅橡膠為材料進(jìn)行制作，而依據(jù)具體情況看，采取相應(yīng)措施進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，具體措施如下：

采用氣相法白炭黑，采用粒度超過2 000目的氫氧化鋁，同時(shí)采用有機(jī)硅氧烷處理全部填料表面。通過該方式，可以使硅橡膠的憎水性能和耐老化性能得到顯著提高，也提高了硅橡膠的擊穿電壓，使其能夠滿足應(yīng)用需求[5]。

利用高分子量甲基乙烯基硅橡膠制作成橡膠，與此同時(shí)，通過應(yīng)用兩種分子量不同的生膠，使最終生產(chǎn)的硅橡膠的撕裂強(qiáng)度和拉伸性能都得到進(jìn)一步提高。

降低分子物質(zhì)加入到配方中，提高硅橡膠的憎水性。通過上述措施改進(jìn)之后，可以提高硅橡膠的性能，使其能夠滿足應(yīng)用需求[6]。

3.2 制造大直徑環(huán)氧玻璃纖維芯棒技術(shù)

3.2.1 樹脂配置與加固工藝

生產(chǎn)支柱芯棒要選擇性能良好的促進(jìn)增韌劑和促進(jìn)劑，適當(dāng)調(diào)整樹脂配方，從而使固化反應(yīng)放熱能夠平衡進(jìn)行，以免出現(xiàn)集中放熱問題，導(dǎo)致內(nèi)部熱量過于集中，溫度升高。進(jìn)一步緩解制品固化時(shí)出現(xiàn)的開裂問題，提高最終生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.2.2 車加工拉擠棒

繞拉擠棒前，要采取車加工方式進(jìn)行處理，采取該方式可以將拉擠棒表面的富含脫模劑表層去除，為后續(xù)纏繞作業(yè)的開展提供支持，確保樹脂浸潤(rùn)良好。拉擠棒表面經(jīng)過處理后，如果出現(xiàn)了阻尼螺旋槽，進(jìn)行纏繞處理時(shí)，就要先利用環(huán)向纖維填滿溝槽。經(jīng)過固化處理后，能夠提高拉擠棒的質(zhì)量。

3.2.3 設(shè)計(jì)纏繞工裝

拉擠芯棒只是一條直棒，未設(shè)計(jì)封頭，此時(shí)無法確保纏繞角，而且會(huì)導(dǎo)致纖維纏繞無法正常運(yùn)行。針對(duì)這一現(xiàn)象，要設(shè)計(jì)纏繞輔助工裝。同時(shí)，在拉擠棒兩端要設(shè)置固定銷釘環(huán)，通過裝配在環(huán)上的銷釘子，完成對(duì)紗線實(shí)際走向的合理控制，確保最終設(shè)計(jì)的纏繞角度能夠達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.4 設(shè)計(jì)鋪層結(jié)構(gòu)

環(huán)氧樹脂固化過程中，會(huì)釋放大量熱量，如果纏繞層過厚，固化時(shí)容易導(dǎo)致纏繞層發(fā)生開裂問題;若纏繞層過薄，將會(huì)降低生產(chǎn)效率。筆者依據(jù)樹脂配方和固化工藝，全面結(jié)合多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果和大量生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，最終決定采取三次纏繞方式處理，而且要明確每次纏繞的角度、厚度。

3.3 真空注射模具設(shè)計(jì)與注射工藝

3.3.1 設(shè)計(jì)起模工裝

絕緣子圖樣和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)硅橡膠外套對(duì)棒體的環(huán)向厚度和縱向位置都有明確規(guī)定，在模具設(shè)計(jì)中要全面考慮密封結(jié)構(gòu)、棒體保護(hù)、起模方式等各項(xiàng)內(nèi)容。在具體分析期間，要遵守加工方便、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便生產(chǎn)等各項(xiàng)操作原則，最終設(shè)計(jì)出集棒體保護(hù)、起模、密封等功能為一體的起模工裝，進(jìn)而使遇到的每一項(xiàng)問題都能夠得到解決，確保生產(chǎn)工作順利進(jìn)行，保證最終生產(chǎn)的產(chǎn)品性能良好，能夠達(dá)到應(yīng)用要求。

3.3.2 科學(xué)處理界面

為了確保絕緣子外部硅膠傘套可以有效連接棒體，必須采取性能良好的偶聯(lián)劑，而且要在具體分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)各項(xiàng)工藝參數(shù)，確保參數(shù)的合理性。對(duì)于空心絕緣子注射工藝與支柱絕緣子來說，溫度是兩者差異的唯一參數(shù)[7]。

考慮到生產(chǎn)的支柱絕緣子中的棒芯為大直徑實(shí)心棒體，觀察生產(chǎn)作業(yè)時(shí)棒體的整體溫度變化情況可以發(fā)現(xiàn)，從棒體表面到芯部的溫度變化呈梯度方式改變。而溫度梯度改變?cè)谝欢ǔ潭壬咸岣吡俗⑸涔に噾?yīng)用時(shí)的難度，這一現(xiàn)象造成的直接后果就是界面性能、質(zhì)量都無法達(dá)到預(yù)期。

為了使上述問題得到解決，相關(guān)工作人員在分析時(shí)要從理論入手，全面結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)合理步驟，采取與實(shí)際情況相符的預(yù)處理方案，從而確保工藝條件和溫度參數(shù)保持理想狀態(tài)，提高界面處理技術(shù)水平，確保其能夠達(dá)到生產(chǎn)要求[8]。

3.4 法蘭生產(chǎn)技術(shù)

±800 kV支柱絕緣子端部法蘭膠裝采用空心復(fù)合絕緣子膠裝技術(shù)，科學(xué)設(shè)定尺寸，具體作業(yè)開展時(shí)要確保產(chǎn)品兩端面平行度公差大于棒體兩端面平度公差，確保最終設(shè)計(jì)能夠達(dá)到要求。此外，合理設(shè)計(jì)膠裝夾具，在加工中心采取高精度方式完成相應(yīng)的加工作業(yè)，提高夾具精度，確保絕緣子兩端部法蘭在安裝時(shí)的位置、精度都能夠達(dá)到要求。為了確保產(chǎn)品具有良好的機(jī)械性能，必須確保膠裝強(qiáng)度能夠達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)，具體作業(yè)時(shí)可以采取下列措施處理：

采用機(jī)械方式攪拌膠裝黏合劑，然后通過真空方式處理，進(jìn)而去除黏合劑中氣泡，提高黏合劑性能，使其能夠滿足應(yīng)用需求。

科學(xué)控制注膠速度和溫度，確保采用的黏合劑的流動(dòng)性和黏度都能夠達(dá)到應(yīng)用要求，保證采用的黏合劑在預(yù)期內(nèi)充滿膠裝之間存在的間隙[9]。

支柱絕緣子端部密封利用內(nèi)嵌式密封結(jié)構(gòu)，硅橡膠與法蘭端部要預(yù)留間隙，間隙大小為4.4 mm×5.4 mm×13 mm，完成法蘭膠裝后，將少量室溫硫化硅橡膠涂抹在法蘭與硅橡膠之間。涂抹必須要均勻，對(duì)于端部密封結(jié)構(gòu)的兩個(gè)密封圈要保持光滑平整，而且要讓接頭錯(cuò)開，要讓端部密封結(jié)構(gòu)最上部的密封圈具有一定的坡度，避免外部水汽通過法蘭界面滲入內(nèi)部，以免發(fā)生電蝕問題。

3.5 膠裝用黏合劑

分析支柱復(fù)合絕緣子可以發(fā)現(xiàn)，法蘭膠裝是整個(gè)支柱復(fù)合絕緣子中抗拉、抗扭相對(duì)較為薄弱的環(huán)節(jié)，因此，采用法蘭膠裝，其強(qiáng)度會(huì)對(duì)支柱復(fù)合絕緣子的抗拉、抗扭性能造成產(chǎn)生直接影響。設(shè)計(jì)支柱復(fù)合絕緣子，抗破壞強(qiáng)度需要超過100 kN，因此，通過推算可以確定支柱復(fù)合絕緣子法蘭黏結(jié)強(qiáng)度需要超過12 MPa。

3.5.1 選配黏合劑

通過查閱相關(guān)資料可以發(fā)現(xiàn)，被應(yīng)用在空心復(fù)合絕緣子鋁法蘭膠裝的黏合劑與球墨鑄鐵和不銹鋼的黏結(jié)強(qiáng)度分別為7.60 MPa和6.41 MPa，這一黏合劑無法滿足支柱復(fù)合絕緣子法蘭膠裝的具體要求，黏合劑配方選擇需要以及黏結(jié)強(qiáng)度、工作溫度、黏合劑的Tg等各項(xiàng)參數(shù)而定。

針對(duì)我國中建設(shè)的±800 kV支柱絕緣子來說，工作溫度的最高值為100 ℃，黏合劑Tg則要超過115 ℃。在選配黏合劑時(shí)，理想的Tg是篩選配方的第一條件。在選配膠合劑時(shí)，要通過試驗(yàn)方式完成對(duì)最終采用的支柱復(fù)合絕緣子法蘭膠的配制，確保其性能良好能夠滿足應(yīng)用需求。

3.5.2 冷熱循環(huán)試驗(yàn)

完成法蘭膠配制之后，為了對(duì)配制的黏合在高低溫情況下性能的考察，嚴(yán)格依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)試驗(yàn)配制出的配方高低溫，經(jīng)過試驗(yàn)分析之后，在室溫環(huán)境下，球墨鑄鐵的粘結(jié)強(qiáng)度為17.52 MPa，而在室溫環(huán)境下不銹鋼黏結(jié)強(qiáng)度為16.06 MPa，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過配制制作而成的黏合劑的冷熱循環(huán)性能良好，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，能夠滿足IEC標(biāo)注要求。

3.5.3 固化黏合劑

對(duì)于配置黏合劑，最理想的固化條件為120 ℃、180 min，在該環(huán)境下固化，能夠使黏合劑固化效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

4 結(jié)語

±800 kV直流支柱復(fù)合絕緣子制造是一項(xiàng)復(fù)雜工作，該項(xiàng)生產(chǎn)工作會(huì)應(yīng)用到許多不同類型的施工技術(shù)，采用各項(xiàng)施工技術(shù)都會(huì)對(duì)最終生產(chǎn)的支柱復(fù)合絕緣子性能和應(yīng)用造成直接影響。因此，相關(guān)工作人員需要加強(qiáng)對(duì)相關(guān)制造技術(shù)的探究，做好分析，確保制造技術(shù)的先進(jìn)性和合理性。

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