支柱復(fù)合絕緣子設(shè)計(jì)與制造技術(shù)現(xiàn)狀分析

張廣全 李挺標(biāo) 張億佳 王勇偉 焦忠政

（1.南京電氣（集團(tuán)）高新材料有限公司2.白云電氣集團(tuán)的華東總部南京電氣科技集團(tuán)有限公司）

0 引言

在輸變電系統(tǒng)中支柱復(fù)合絕緣子主要應(yīng)用但不限于以下設(shè)備：電抗器、隔離開關(guān)、母線支柱、閥廳支柱和電站母線支撐等。

目前中國玻璃纖維浸漬環(huán)氧樹脂的玻璃鋼（FRP，空心管或?qū)嵭囊伟簦┲圃旒夹g(shù)已經(jīng)日趨成熟，加上設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，支柱復(fù)合絕緣子的機(jī)械性能及電氣性能已經(jīng)能夠滿足252kV及以下電壓等級隔離開關(guān)的使用要求。隨著中國特高壓輸電線路的建設(shè)，更高電壓等級及機(jī)械負(fù)荷的支柱復(fù)合絕緣子已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于換流閥廳、柔性直流輸電系統(tǒng)、變電站等領(lǐng)域，其市場容量非常大。

基于目前國內(nèi)市場的需求及競爭情況，在開發(fā)支柱復(fù)合絕緣子的時候，不僅要考慮其機(jī)械性能和電氣性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，同時還要考慮其綜合性能及經(jīng)濟(jì)性能的匹配，本文就支柱復(fù)合絕緣子的相關(guān)設(shè)計(jì)及制造工藝技術(shù)展開論述。

1 目前芯體結(jié)構(gòu)分類

1.1 引拔芯體結(jié)構(gòu)

真空注射環(huán)氧玻璃纖維引拔棒是由無堿無捻玻璃纖維紗浸漬環(huán)氧復(fù)合膠后，經(jīng)真空注射、連續(xù)拉擠、固化而成的絕緣制品，具有良好的電氣性能和機(jī)械強(qiáng)度，同時具備耐高溫和耐應(yīng)力腐蝕的性能。由于采用的都是縱向纖維，其彎曲強(qiáng)度可達(dá)到800Mpa以上，彎曲彈性模量到30Gpa以上，甚至達(dá)到40Gpa，如圖1所示。

圖1 引拔芯體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝圖示

傳統(tǒng)工藝在生產(chǎn)大直徑芯體（如直徑＞220mm）的時候，在成型過程中，樹脂固化放出大量的熱，這會使芯體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，芯體內(nèi)部發(fā)生微裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。目前通過工藝調(diào)整及樹脂配方的改進(jìn)，玻璃纖維在充分浸漬復(fù)合膠的同時，復(fù)合膠經(jīng)過預(yù)膠凝階段使得浸漬纖維在進(jìn)入模具前既能充分滲透，又能發(fā)生一定程度的性狀變化，有效避免了傳統(tǒng)拉擠工藝生產(chǎn)的芯棒中存在的應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生，從而規(guī)避了芯棒在后期使用過程中出現(xiàn)應(yīng)力釋放造成的中心開裂或出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，提升了產(chǎn)品的實(shí)用性和穩(wěn)定性。因此必須重視制造工藝和選用合適的樹脂配方體系，一般要求所選樹脂配方體系具有放熱低、強(qiáng)度高、適用期長的特性。

目前具備生產(chǎn)大直徑芯體（直徑＞220mm）成熟工藝經(jīng)驗(yàn)的廠家有西安高強(qiáng)絕緣電氣、上虞金鳳凰等，其在行業(yè)內(nèi)具有廣泛的運(yùn)行業(yè)績。

1.2 多芯固化芯體結(jié)構(gòu)

此結(jié)構(gòu)產(chǎn)品是由多支玻璃纖維引拔棒按照一定的規(guī)律進(jìn)行組合，并與環(huán)氧樹脂基體進(jìn)行二次復(fù)合固化制成，如圖2所示。

圖2 多芯固化芯體結(jié)構(gòu)解剖視圖

該工藝需要對單支引拔棒表面進(jìn)行打磨處理，并涂覆底膠，排布時要相對均勻才能避免固化時產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，采用此結(jié)構(gòu)芯體，在設(shè)計(jì)初期需注意，根據(jù)其機(jī)械受力要求盡量放大安全系數(shù)，以防產(chǎn)生界面裂紋而影響芯體內(nèi)部絕緣性能。與此同時，當(dāng)其直徑足夠大的時候，絕緣子在長期運(yùn)行過程中，各個小芯棒之間的界面被破壞的風(fēng)險(xiǎn)就會大大降低，但是當(dāng)直徑過大時，其固化升溫曲線即緩慢升溫及升溫梯度的選擇就需要嚴(yán)格控制，控制不當(dāng)易產(chǎn)生不良品，因此按照此工藝生產(chǎn)時設(shè)計(jì)初期安全系數(shù)的選擇尤為重要。

目前國內(nèi)代表企業(yè)是山東青州力王，在業(yè)內(nèi)有較好的供貨業(yè)績。

1.3 多次多層纏繞結(jié)構(gòu)

采用實(shí)芯引拔棒為內(nèi)芯載體，先纏繞一層然后固化，固化完成后對其表面進(jìn)行加工，然后再次纏繞，一般經(jīng)過兩到三次纏繞可達(dá)到尺寸要求，比如平波電抗器用支柱復(fù)合絕緣子用的芯棒直徑為φ280mm。這種逐層纏繞制造內(nèi)絕緣，每次纏繞樹脂配方、纏繞厚度與固化工藝如何匹配是其工藝控制的關(guān)鍵點(diǎn)。各個纏繞界面如果處理不好，在氣候四季溫差的作用下，以及電負(fù)荷、風(fēng)擺的綜合作用，有產(chǎn)生微間隙的風(fēng)險(xiǎn)，該間隙在運(yùn)行若干年后一旦貫通，對絕緣子無論是機(jī)械性能或是電氣性能將是致命的，特別是±1100kV直流特高壓支柱復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)高度大大增高，其多次纏繞產(chǎn)生的界面會出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。按IEC 62217∶2005《標(biāo)稱電壓高于1000 V使用的戶內(nèi)和戶外聚合物絕緣子 一般定義、試驗(yàn)方法和接收準(zhǔn)則》，目前，此類材料的水?dāng)U散試驗(yàn)，在監(jiān)造中發(fā)現(xiàn)，基本難通過。同時，針對此類問題，IEC 36C/182/NP新的草案亦否定了此類結(jié)構(gòu)，并逐漸退出市場。

1.4 真空浸漬成型芯體結(jié)構(gòu)

該芯棒結(jié)構(gòu)的成型工藝是選用高性能的玻璃纖維，通過層聯(lián)編織工藝預(yù)成型復(fù)合材料支柱芯體，然后將預(yù)成型芯體放入封閉的模腔注射復(fù)合環(huán)氧浸漬，固化成型后進(jìn)行表面加工。該工藝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是纖維平直排列，可充分發(fā)揮玻璃纖維的強(qiáng)度和剛度，同時避免玻璃纖維彎曲而造成應(yīng)力集中，解決了大直徑芯體固化應(yīng)力導(dǎo)致的微裂紋；另外芯體一次成型，也解決了多個界面存在而分層的問題。

該芯棒結(jié)構(gòu)的成型工藝要求選用樹脂，在常溫下樹脂工藝期內(nèi)樹脂黏度極低，同時與纖維具有良好的浸漬性，固化時放熱低。樹脂的這些特性是成型高性能支柱芯體的關(guān)鍵。

目前國內(nèi)代表企業(yè)是北京玻璃鋼研究院。

1.5 瓷芯外復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)

如圖3所示，該結(jié)構(gòu)芯體主要是采用圓瓷柱作為支柱絕緣子的內(nèi)支撐，在瓷圓柱外面注射成型或直接粘接上傘套，此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于對偏移量要求小的隔離開關(guān)是一個很好的解決方案。瓷圓柱的量產(chǎn)可以降低制造成本，所以從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性上都是可以被接受的。

圖3 芯體加工成型原理

瓷芯外復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)雖然解決了外絕緣污閃的問題，但是其瓷圓柱在受極限力沖擊時仍存在斷裂的可能，特別是結(jié)構(gòu)高度大的支柱復(fù)合絕緣子，其長期運(yùn)行時的機(jī)械性能需考慮。同時其傘套與瓷圓柱粘接界面及法蘭膠裝的可靠性，在制造過程中都應(yīng)引起足夠的重視。

目前國內(nèi)代表企業(yè)是中材江西電瓷電氣有限公司。

1.6 空心填充結(jié)構(gòu)

目前市場應(yīng)用較多的是充入絕緣氣體，如高純N2、SF6等，也有充入半流體（泡沫或硅脂膏），也有做內(nèi)部增爬裙或者固體絕緣隔斷（如硬質(zhì)或軟質(zhì)內(nèi)隔板），主要目的都是增強(qiáng)支柱復(fù)合絕緣子內(nèi)部的電氣性能。

從總體來講，該種芯體結(jié)構(gòu)會在一定程度上降低材料成本，但是面臨諸多問題亟待行之有效的解決方法及試驗(yàn)方法進(jìn)行科學(xué)驗(yàn)證。例如當(dāng)充氣體絕緣時要考慮泄漏問題（短期內(nèi)不能表現(xiàn)的）、隔斷的界面和芯體試驗(yàn)驗(yàn)證方法和標(biāo)準(zhǔn)等。

這些結(jié)構(gòu)都要考慮呼吸效應(yīng)引起的微滲漏，當(dāng)滲漏達(dá)到極限值的時候?qū)^緣子的內(nèi)絕緣是否構(gòu)成破壞，還需要長期研究及實(shí)際運(yùn)行得出。另外目前的標(biāo)準(zhǔn)如何考核該復(fù)合結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)方法及判定標(biāo)準(zhǔn)適不適合，也是需要大家思考和進(jìn)一步研究的課題。

2 各種芯體試驗(yàn)情況對比論述

2.1 染色滲透試驗(yàn)

取各種結(jié)構(gòu)φ280mm×長度1000mm，切成10mm厚度，并按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T22079－2008進(jìn)行打磨，符合標(biāo)準(zhǔn)要求的試片進(jìn)行染料滲透試驗(yàn)，滲透時間：15min，其試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖4和圖5所示。

圖4 不同芯體結(jié)構(gòu)類型的染料滲透試驗(yàn)通過率統(tǒng)計(jì)圖

圖5 燃料滲透試驗(yàn)（部分）

2.2 水?dāng)U散試驗(yàn)

詳見表1。

表1 不同芯體結(jié)構(gòu)類型水?dāng)U散試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

結(jié)論：表中四種結(jié)構(gòu)芯體均能通過該試驗(yàn)。

2.3 直流擊穿電壓試驗(yàn)

詳見表2。

表2 不同芯體結(jié)構(gòu)類型直流擊穿電壓試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

結(jié)論：表中四種結(jié)構(gòu)芯體通過該試驗(yàn)。

2.4 熱誘導(dǎo)試驗(yàn)

詳見表3。

表3 不同芯體結(jié)構(gòu)類型熱誘導(dǎo)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

結(jié)論：表中四種結(jié)構(gòu)芯體通過該試驗(yàn)。

本文僅做以上試驗(yàn)項(xiàng)目，建議芯棒控制指標(biāo)如表4所示。

表4 支柱復(fù)合絕緣子性能指標(biāo)控制表

3 端部法蘭裝配方式優(yōu)劣勢分析

目前主要有膠裝和壓接兩種工藝方式裝配端部法蘭，下面介紹兩種工藝的性能對比及優(yōu)缺點(diǎn)。

3.1 膠裝劑膠裝結(jié)構(gòu)圖示

如圖6所示，該工藝是在芯棒和法蘭之間設(shè)置間隙，然后從下端注膠孔注膠，利用膠裝劑自身重力的原理可將配合間隙里的氣體慢慢推到上端并由排氣孔排除，放置于加熱裝置中，一般固化溫度在150℃±5℃，加壓固化時間≥2h，固化完成后挪移到隔熱墊板上緩慢降溫即可。該工藝只能一端一端的膠裝，固化時間較長，且在法蘭形位公差的控制上需要配套相應(yīng)的生產(chǎn)工裝來實(shí)現(xiàn)，是現(xiàn)有傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的一種。如果需要大批量化生產(chǎn)，需要配套多個膠裝加熱裝置，即可以實(shí)現(xiàn)快速化生產(chǎn)。

圖6 膠裝劑膠裝結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 壓接裝配

該工藝特點(diǎn)是芯棒外徑與法蘭內(nèi)徑采用滑配合尺寸（見圖7），采用六爪或八爪自動液壓壓接機(jī)在法蘭外徑上均勻施壓，將法蘭牢固地壓接在芯棒上（見圖8）。法蘭壁厚、芯棒直徑和壓接長度是本工藝實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)要素，需要經(jīng)過多次壓接實(shí)驗(yàn)對比，找出合理的壓接工藝參數(shù)。生產(chǎn)過程中壓強(qiáng)一般控制在15~20Mpa，保壓時間控制在3~8s，即可實(shí)現(xiàn)法蘭快速裝配，該工藝生產(chǎn)效率高，且質(zhì)量可靠。

圖7 壓接裝配結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 壓接裝配狀態(tài)圖

3.3 其他裝配工藝

除以上兩種裝配工藝外，還有一種方式：過盈配合裝配，該工藝是指芯棒連接部分的外徑略大于法蘭連接部分的內(nèi)徑，芯棒外徑（僅連接部分）與法蘭的內(nèi)徑（僅連接部分）分別設(shè)計(jì)有若干個凹槽，在法蘭裝配時，將法蘭加熱，使其內(nèi)徑膨脹到略大于芯棒的外徑，然后分別在芯棒的外表面和法蘭的內(nèi)表面涂抹粘接劑后，將上下法蘭同時套在芯棒上，利用壓力機(jī)的壓力將芯棒緩緩壓入法蘭，最后在一定溫度和時間內(nèi)完成粘接膠的固化，即完成法蘭與芯棒的過盈裝配。該工藝適用于膨脹系數(shù)較大的金屬材料制成的法蘭，如鋁合金法蘭，球墨鑄鐵法蘭不適用。鑄鋼法蘭由于膨脹系數(shù)較小，采用過盈配合也不能取得較好的效果。

4 傘型結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性及對污穢性能的影響

4.1 最新標(biāo)準(zhǔn)及招標(biāo)文件要求

根據(jù)DLT 1472.2—2015 《換流站直流場用支柱復(fù)合絕緣子 第2部分尺寸與特性》及白鶴灘招標(biāo)文件技術(shù)要求部分，對支柱復(fù)合絕緣子傘型提出來明確要求，隨著國家電網(wǎng)的發(fā)展，為了適用于各種復(fù)雜的氣候條件，招標(biāo)單位在編制招標(biāo)文件時也越來越重視傘型的設(shè)計(jì)，所以在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)階段一定要研讀這些標(biāo)準(zhǔn)及要求，以免研發(fā)的產(chǎn)品達(dá)不到要求而失去投標(biāo)資格。

另外傘型設(shè)計(jì)的時候也要考慮其工藝性和經(jīng)濟(jì)性，如一個合理的傘裙設(shè)計(jì)會具有很好的脫模工藝性且不會產(chǎn)生氣泡，傘裙的厚度上也不能過于極端（偏薄或偏厚），傘裙偏薄容易在生產(chǎn)過程中斷傘或者不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如果傘裙過厚會造成不必要的膠料浪費(fèi)，影響到產(chǎn)品的成本構(gòu)成。另外傘型一定要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時在能滿足爬電距離尺寸的要求前提下盡量拉大傘間距，使絕緣子具有很好的污耐壓水平，所以外絕緣設(shè)計(jì)是需要高度重視的一個技術(shù)。圖9和表5是一種大小傘型設(shè)計(jì)的建議值，供參考。

圖9 大小傘型圖示

表5 支柱復(fù)合絕緣子傘型設(shè)計(jì)參數(shù)參考表

4.2 戶內(nèi)戶外差異化及模具投入的經(jīng)濟(jì)性

隨著國家特高壓電網(wǎng)的大批量建設(shè)，直流輸電需要大量的閥廳內(nèi)支柱復(fù)合絕緣子，閥廳內(nèi)用支柱復(fù)合絕緣子采用滿足戶內(nèi)爬電距離要求的絕緣子即可，同比戶外支柱復(fù)合絕緣子爬電距離小很多，如果統(tǒng)一采用大爬距的戶外支柱絕緣子，會使戶內(nèi)支柱復(fù)合絕緣子制造成本上升，而且對于戶內(nèi)支柱絕緣子的電氣性能可能有不利的影響。所以很多廠家同一芯棒規(guī)格會開制兩套外絕緣成型模具，共用一個模框，這樣不僅大大節(jié)省前期模具投資，還可以降低支柱復(fù)合絕緣子的制造成本，使企業(yè)更加具有競爭力。

5 結(jié)束語

根據(jù)國家電網(wǎng)及南方電網(wǎng)對支柱復(fù)合絕緣子的需求來看，目前還是主導(dǎo)采用實(shí)心引拔棒作為支柱復(fù)合絕緣子芯體的主流設(shè)計(jì)，對于絕緣子的機(jī)械性能、電氣性能有著嚴(yán)格的要求，并有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對其都進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定?；诖?，建議廠家在研發(fā)和制造支柱復(fù)合絕緣子的時候，還是按照兩網(wǎng)要求為主，以避免馬拉松式的研發(fā)投資。

現(xiàn)在相關(guān)空心支柱復(fù)合絕緣子的標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，為了降低成本，建議企業(yè)作為技術(shù)儲備，要開展空心結(jié)構(gòu)的支柱復(fù)合絕緣子的研發(fā)，以應(yīng)對未來市場的新需求。

行業(yè)管理部門及相關(guān)專家，在對空心支柱復(fù)合絕緣子的相關(guān)定型試驗(yàn)項(xiàng)目編制時，如芯體試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)方法及試驗(yàn)判定準(zhǔn)則等，建議通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證來制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)企業(yè)的正確研發(fā)路線和研發(fā)投入。