杜力頓芯組使用材質(zhì)對(duì)10 kV避雷器性能影響分析

馬 飛, 李 越, 史 峰, 蘇天舉, 常 鵬

(金冠電氣股份有限公司，河南 南陽 473000)

0 引言

10 kV避雷器在低壓配電網(wǎng)中承擔(dān)著重要的防雷作用，該類避雷器由非線性金屬氧化物電阻片疊加組裝，密封于復(fù)合絕緣套內(nèi)，無放電間隙。在正常運(yùn)行電壓下，避雷器呈高阻絕緣狀態(tài)；當(dāng)受到過電壓沖擊時(shí)，避雷器呈低阻狀態(tài)，迅速泄放沖擊電流入地，使與其并聯(lián)的電氣設(shè)備上的電壓限制在規(guī)定值，以保證電氣設(shè)備的安全運(yùn)行[1-2]。

10 kV避雷器一般生產(chǎn)工藝：電阻片芯組配置—芯組纏繞-芯組固化—模壓硫化成型。芯組纏繞方法，早期大多數(shù)廠家采用無堿玻璃纖維帶[3]浸膠后纏繞芯組，浸膠放置陳化、經(jīng)過一定的溫度固化后，模壓硫化。這種浸膠工藝，比較復(fù)雜，成本較高，對(duì)環(huán)境污染也比較大，現(xiàn)在大多數(shù)廠家芯組都采用杜力頓結(jié)構(gòu)[4]，這種結(jié)構(gòu)直接把配置好的電阻片芯組經(jīng)過塑化工藝[5]處理直接出模成型，1天生產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于纏繞工藝，可以節(jié)約大量人力及時(shí)間成本。

在生產(chǎn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)杜力頓結(jié)構(gòu)芯組外包材質(zhì)對(duì)10 kV性能影響較大，根據(jù)不同材質(zhì)PBT[6-7]及PA66[8-9]的特性進(jìn)行研究，通過大量的試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，明確了不同材質(zhì)10 kV芯組的影響，確定了電阻片芯組最優(yōu)外包材質(zhì)，對(duì)10 kV避雷器性能有較大的提高。

杜力頓芯組選取使用材質(zhì)性能：1)CCP PBT工程塑料為聚丁烯對(duì)苯二甲酸酯或聚對(duì)苯二甲酸丁二酯，是由1,4丁二醇與對(duì)苯二甲酸或?qū)Ρ蕉姿岫柞ゾ酆隙?，由于其具有多?xiàng)優(yōu)良之特性，為泛用工程塑料中最受注目質(zhì)材料。其主要特性有：結(jié)晶快速，易成形；熔點(diǎn)高達(dá)225 ℃，耐熱性(耐熱劣化)佳；玻璃纖維強(qiáng)化，機(jī)械強(qiáng)度；吸水率低，尺寸安定性佳；摩察系數(shù)低，耐磨損；耐化學(xué)品、溶劑、耐候性佳；彎曲蠕變性佳；可制成難燃性，符合94V-0要求；介電強(qiáng)度高，電氣性質(zhì)佳。2)尼龍 PA66塑料：是指由聚酰胺類樹脂構(gòu)成的塑料，是由二元胺與二元酸通過縮聚制得，也可由氨基的脫水后形成的內(nèi)酰胺通過開環(huán)聚合制得，與PS、PE、PP等不同，PA不隨受熱溫度的升高而逐漸軟化，而是在一個(gè)靠近熔點(diǎn)的、窄的溫度范圍內(nèi)軟化，熔點(diǎn)很明顯，熔點(diǎn)在215 ℃～225 ℃，溫度一旦達(dá)到就出現(xiàn)流動(dòng)。其主要特性有：機(jī)械強(qiáng)度高，韌性好，有較高的抗拉、抗壓強(qiáng)度；耐疲勞性能突出；軟化點(diǎn)高、耐熱；表面光滑、摩擦系數(shù)小，耐磨；有自熄性，無毒、無臭、耐候性好；有優(yōu)良的電氣性能，電絕緣性好，耐擊穿電壓高；易吸水、耐光性差。

1 PBT工程塑料及尼龍PA塑料生產(chǎn)10 kV避雷器用杜力頓芯組

1.1 杜力頓芯組制作流程

杜力頓芯組制作流程：注塑機(jī)調(diào)試(清理料斗、料筒、螺桿、射膠噴嘴、模具)→注塑模具安裝→模具預(yù)熱→設(shè)定注塑機(jī)工藝參數(shù)(設(shè)定注塑壓力、時(shí)間、溫度、冷卻時(shí)間、保壓時(shí)間)→加料→烘料(塑料干燥)→充填→保壓→冷卻→脫模(取出成品)。

1.2 工藝條件

原料預(yù)熱干燥：140 ℃，2 h;注射筒溫度：一段：245 ℃～255 ℃；二段：240 ℃～245 ℃；三段：230 ℃～235 ℃；噴嘴：255 ℃～270 ℃；模溫：60 ℃～90 ℃；注塑壓力：10.3 MPa；注射時(shí)間：9 s～10 s；冷卻時(shí)間：9 s～10 s；

2 結(jié)果及分析

2.1 抗彎性能試驗(yàn)

按上述工藝生產(chǎn)的杜力頓10 kV PBT芯組及PA66芯組極限抗彎性能試驗(yàn)：在芯組頂端施加垂直于芯組方向的推力，直至芯組彎曲斷裂，見圖1，測(cè)試結(jié)果見表1。

圖1 PBT芯組抗彎試驗(yàn)Fig.1 Bending test of PBT core group

表1 芯組極限抗彎性能試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of ultimate bending performance of core assembly

由表1測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，PBT芯組抗彎能力遠(yuǎn)大于PA66芯組，這是由于我們選取的PBT材質(zhì)加入了玻璃纖維，玻璃纖維的加入會(huì)提高PBT的彎曲強(qiáng)度。PBT玻璃纖維含量與彎曲強(qiáng)度的關(guān)系見圖2。

圖2 PBT玻璃纖維含量與彎曲強(qiáng)度的關(guān)系Fig.2 Relation between PBT glass fiber content and bending strength

2.2 浸水試驗(yàn)

對(duì)上述生產(chǎn)的芯組按GB 11032-2010[10]交流無間隙金屬氧化物避雷器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行浸水試驗(yàn):將杜力頓芯組(硫化前、硫化后)浸沒到盛滿沸騰的去離子水的容器中42 h，水中NaCl的含量為1 kg/m3。沸騰結(jié)束后，芯組應(yīng)保持在容器中直到水冷卻到50 ℃，并保持這個(gè)溫度，直到按照如下順序進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證試驗(yàn)要在已經(jīng)冷卻到室溫的樣品上進(jìn)行。所有的驗(yàn)證試驗(yàn)應(yīng)在8 h之內(nèi)按如下順序完成：1)外觀檢查；2)直流參考電壓，與初始測(cè)量相比偏差不超過5%，0.75倍直流參考電壓下的漏電流與初始測(cè)量相比變化不大于20 μA。兩種材質(zhì)杜力頓芯組測(cè)試結(jié)果見表2及表3。

表2 10 kV PBT材質(zhì)杜力頓芯組(未硫化)水煮老化壽命測(cè)試結(jié)果Table 2 Aging life test results of 10 kV PBT Material Duridon core group (unvulcanized)

表3 10 kV 尼龍PA66材質(zhì)杜力頓芯組(硫化后)水煮老化壽命測(cè)試結(jié)果Table 3 Aging life test results ofDuritone core group (after vulcanization) made of 10 kV nylon PA66

2.3 浸水試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表2測(cè)試結(jié)果是PBT材料制作的芯組，沒有經(jīng)過硫化(試驗(yàn)條件更苛刻)直接進(jìn)行水煮試驗(yàn)，水煮試驗(yàn)進(jìn)行42 h，測(cè)試合格后，接著進(jìn)行下一次的42 h水煮，直至出現(xiàn)不合格情況，停止水煮，結(jié)束試驗(yàn)。PBT芯組共能耐受6次42 h,共252 h的水煮試驗(yàn)。表3測(cè)試結(jié)果是尼龍PA66材質(zhì)制作的芯組，經(jīng)過硫化后進(jìn)行水煮，水煮試驗(yàn)進(jìn)行42 h，測(cè)試合格后，接著進(jìn)行第二次42 h水煮，測(cè)試結(jié)果不合格。只能耐受4 2h水煮試驗(yàn)。

2.4 浸水試驗(yàn)結(jié)果分析

用PBT制成的芯組水煮老化壽命是尼龍PA66制成的芯組壽命的6倍。PBT材質(zhì)吸水率低，在空氣中存放的吸水率為0.15%、玻纖強(qiáng)化、耐阻燃性、介電強(qiáng)度及電氣性能佳。而尼龍PA66最大的缺陷是耐水性及耐光性差，每1%的吸水量增加0.003 min,在50%RH，23 ℃的吸水率為2.5%。因此在進(jìn)行水煮試驗(yàn)時(shí)，這種缺陷導(dǎo)致由這種材質(zhì)制得的芯組生產(chǎn)的10 kV避雷器水煮有時(shí)會(huì)出現(xiàn)浸水試驗(yàn)(水煮42 h)不能通過，而由PBT材質(zhì)制得的芯組生產(chǎn)的10 kV避雷器克服了上述缺點(diǎn)。

3 結(jié)論

1)10 kV避雷器生產(chǎn)可以采用注塑電阻片芯組工藝取代了用無堿玻璃纖維帶浸膠纏繞電阻片芯組工藝，有利于優(yōu)化工藝，降低成本，提高產(chǎn)量。

2)PBT材質(zhì)具有玻璃纖維強(qiáng)化、高阻燃性、吸水率低及介電強(qiáng)度高的特性，尼龍PA66沒經(jīng)玻纖強(qiáng)化，容易吸水，缺陷明顯。

3)使用尼龍PA66注塑電阻片芯組生產(chǎn)的10 kV避雷器耐水煮老化性能較差，密封性能及芯組抗彎能力較低，存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

4)使用PBT材質(zhì)注塑電阻片芯組生產(chǎn)的10 kV避雷器能耐252 h水煮實(shí)驗(yàn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)42 h要求，密封性能良好及抗彎能力強(qiáng)，產(chǎn)品質(zhì)量提升顯著，在行業(yè)內(nèi)值得推廣和借鑒。