輕質(zhì)高絕緣芯體復(fù)合橫擔(dān)的性能研究

姜海， 劉明慧， 于鑫， 吳雄， 李浩義， 董鵬，劉曉宇， 楊帆， 王德智， 李林

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司丹東供電公司，遼寧 丹東 118000；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074；3.華北電力大學(xué) 河北省綠色高效電工新材料與設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003）

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，用電需求日益增加，對(duì)電網(wǎng)的可靠性要求不斷提高[1-2]。目前我國輸配電線路大多沿用傳統(tǒng)的鐵塔結(jié)構(gòu)，以配置金屬橫擔(dān)和絕緣子串柔性懸掛導(dǎo)線的方式運(yùn)行[3]。然而傳統(tǒng)金屬橫擔(dān)絕緣水平較低，耐腐蝕性差[4]，不利于“堅(jiān)強(qiáng)綠色電網(wǎng)”的構(gòu)建。其次近年來線路雷擊事故頻發(fā)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，輸配電網(wǎng)總跳閘次數(shù)中，由雷擊引起的跳閘次數(shù)占比高達(dá)40%～80%[5-6]，尤其在我國西北大氣污染嚴(yán)重地區(qū)和南方沿海多鹽霧天氣地區(qū)，雷擊引起的跳閘率更高[7-8]，而傳統(tǒng)金屬橫擔(dān)不利于降低雷擊事故率和提高電網(wǎng)安全性。另外，金屬橫擔(dān)耐老化特性較差，維護(hù)成本較高，不符合電網(wǎng)運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性的要求。

輕質(zhì)高絕緣復(fù)合橫擔(dān)具有質(zhì)量輕、絕緣性能優(yōu)良、耐老化特性好、防污能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[9-10]，將其作為傳統(tǒng)金屬橫擔(dān)的替代品已成為降低走廊寬度、節(jié)省空間及安裝成本、提高電網(wǎng)可靠性的有效途徑。對(duì)于復(fù)合材料橫擔(dān)的研究及應(yīng)用，國外的開始時(shí)間相對(duì)較早，20世紀(jì)60年代日本已經(jīng)將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP材料）應(yīng)用于橫擔(dān)制作并投入使用，較好地解決了風(fēng)偏所引起的閃絡(luò)問題[11]。20世紀(jì)90年代初，隨著國內(nèi)材料研究領(lǐng)域取得重大突破，復(fù)合材料在電力行業(yè)中的應(yīng)用成為可能[12]。1995年，溫嶺市電力絕緣器材有限公司研制生產(chǎn)出110 kV復(fù)合材料橫擔(dān)以及桿頭并進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，從此我國開始復(fù)合橫擔(dān)的大規(guī)模研究與應(yīng)用[13-17]。

在近30年的發(fā)展過程中，不同電壓等級(jí)、不同型式的高絕緣復(fù)合橫擔(dān)得到進(jìn)一步開發(fā)，相應(yīng)的型式設(shè)計(jì)逐漸深入、趨于合理，工程應(yīng)用也日益增多。2016年初，國網(wǎng)公司在九地實(shí)施了10 kV架空線路高絕緣復(fù)合橫擔(dān)試點(diǎn)應(yīng)用；2018年，高絕緣復(fù)合橫擔(dān)由試用階段逐漸轉(zhuǎn)向全面推廣應(yīng)用階段。2020年，中能源集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院針對(duì)強(qiáng)風(fēng)地區(qū)500 kV輸電線路復(fù)合絕緣橫擔(dān)的應(yīng)用進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究[18]，復(fù)合橫擔(dān)在我國的應(yīng)用日益廣泛。

目前，復(fù)合橫擔(dān)的制作工藝包括芯體管界面打磨處理工藝和芯體澆注成型工藝。芯體管界面經(jīng)打磨處理工藝打磨后，整根管壁粗糙程度較為均勻，與絕緣子外壁粗糙程度接近。芯體澆注成型工藝分為兩種，一種是玻璃/混合微珠填充工藝，該工藝操作簡(jiǎn)單，固化后的界面粘接較好，成型的芯體密度較低且有進(jìn)一步下降的空間，但是由于干料層層壓實(shí)，內(nèi)部容易產(chǎn)生填充不致密的缺陷；另一種是有機(jī)微球填充工藝，該工藝得到的芯體內(nèi)部缺陷較少，電氣性能好，但是工藝操作復(fù)雜，需要嚴(yán)格控制溫度，且有機(jī)微珠的密度較大，填充得到的芯體密度較大。

本研究通過芯體管界面打磨處理工藝和芯體澆注成型工藝制備得到輕質(zhì)高絕緣泡沫芯體復(fù)合橫擔(dān)，對(duì)其進(jìn)行吸水率、染料滲透性、水?dāng)U散泄漏電流、電氣強(qiáng)度、熱誘導(dǎo)、振動(dòng)老化等多項(xiàng)試驗(yàn)，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果及DL/T 1580—2021對(duì)材料進(jìn)行合格性檢驗(yàn)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣制備

采用有機(jī)硅改性樹脂（HD01）和酸酐類固化劑制備芯體材料，采用日本松本制藥有限公司型號(hào)為MFL-SEVEN的微珠作為填充材料，微珠密度為0.110 g/cm3，平均直徑為20 μm。

橫擔(dān)成型工藝如下：首先，按質(zhì)量比100∶90∶1稱取有機(jī)硅改樹脂、固化劑以及有機(jī)微珠，在行星式真空攪拌器中以800 r/s的速度混合5 min，攪拌時(shí)注意密封，防止微珠飄出；然后，將混合物轉(zhuǎn)移至攪拌罐進(jìn)行真空攪拌脫泡，對(duì)罐體加熱以降低混合物的黏度；接著使用氣缸活塞將混合物填入芯體內(nèi)，控制壓力以調(diào)整填充速率；最后，將填充后的芯體兩端封閉，放入烘箱中在80、100、120℃溫度下分別固化8 h，得到輕質(zhì)高絕緣泡沫芯體復(fù)合橫擔(dān)試樣。整體試樣實(shí)物如圖1所示。

圖1 輕質(zhì)高絕緣復(fù)合橫擔(dān)試樣Fig.1 Light weight and high insulation composite cross-arm sample

1.2 試樣處理

橫擔(dān)的振動(dòng)疲勞是關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，本研究對(duì)橫擔(dān)整體進(jìn)行振動(dòng)老化試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估橫擔(dān)的耐振動(dòng)老化性能。考慮復(fù)合材料的散熱性及裝置本身情況，結(jié)合微風(fēng)振動(dòng)頻率范圍，通過式（1）進(jìn)行振動(dòng)頻率的計(jì)算及選取[19]。

式（1）中：fs為卡門漩渦頻率（Hz）；v為風(fēng)速（m/s）；d為導(dǎo)線直徑（mm）；Sr為斯特勞哈爾數(shù)，我國一般取值為200[20]。

以北京地區(qū)為例進(jìn)行振動(dòng)老化頻率及次數(shù)的分析及選?。夯谠摰貐^(qū)全年風(fēng)速分布、風(fēng)頻玫瑰圖及常見輸電模塊，選取平均風(fēng)速為3 m/s，導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-300/40，在導(dǎo)線無覆冰、輸電線路單回路的情況下，根據(jù)式（1）計(jì)算得到的振動(dòng)頻率為20 Hz，以該值作為振動(dòng)老化試驗(yàn)頻率?？紤]到能夠使得導(dǎo)線產(chǎn)生穩(wěn)定振動(dòng)的風(fēng)向概率為50%～70%，復(fù)合絕緣橫擔(dān)運(yùn)行中發(fā)生微風(fēng)振動(dòng)的時(shí)間占全年的30%～50%，結(jié)合橫擔(dān)處于各風(fēng)速段下的年振動(dòng)次數(shù)及復(fù)合絕緣橫擔(dān)運(yùn)行年限，本文中振動(dòng)次數(shù)取1.2×105次。

振動(dòng)加載裝置的選取關(guān)系到疲勞老化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性和運(yùn)行安全性，本研究選用振動(dòng)電機(jī)作為振動(dòng)加載裝置，橫擔(dān)整體通過法蘭盤與振動(dòng)電機(jī)和應(yīng)力架相連接，振動(dòng)老化試驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 振動(dòng)老化試驗(yàn)裝置Fig.2 Vibration ageing test device

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 吸水率測(cè)試

將直徑為50 mm、長(zhǎng)度為(50±1) mm的試樣置于干燥箱中，在50℃條件下干燥24 h后取出，冷卻至室溫條件（25℃），使用電子分析天平稱取干燥后的試樣質(zhì)量（M）；將干燥試樣浸沒于去離子水中24 h后取出，用濾紙擦除表面水分并再次稱取質(zhì)量（M′），然后通過式（2）～（4）計(jì)算各試樣的24 h絕對(duì)吸水質(zhì)量（M*）、質(zhì)量吸水率（ωq）、體積吸水率（ωv）。

式（3）中：V為試樣體積；ρw為試樣密度。

1.3.2 染料滲透性測(cè)試

從復(fù)合絕緣橫擔(dān)上截取長(zhǎng)度為(10±0.5) mm的試樣，使用細(xì)紗布將試樣切割面打磨光滑，打磨過程中保持兩端面平行且清潔。在容器中放置一層直徑相同（1～2 mm）的鋼球，將試樣截面放置于鋼球上。將含1%紅色或紫羅蘭色次甲基染料的酒精溶液倒入容器中且保證液面比球頂高(2.5±0.5)mm，該染色液會(huì)在毛細(xì)作用下穿過芯體逐漸上升，測(cè)量并記錄染色液穿過試樣的時(shí)間。

1.3.3 水?dāng)U散泄漏電流測(cè)試

從復(fù)合絕緣橫擔(dān)上截取6段長(zhǎng)度為(30±0.5)mm的試樣，在含0.1%NaCl的去離子水中沸煮100 h，取出并放置于常溫去離子水中保持15 min。之后將試樣從玻璃容器中取出，并用濾紙將其表面擦干。然后將試樣置于兩電極間，將試驗(yàn)電壓以約1 kV/s的速度均勻升到12 kV，維持1 min，再逐漸降低電壓至0 kV，觀察試驗(yàn)過程中試樣是否出現(xiàn)擊穿和表面閃絡(luò)現(xiàn)象，并測(cè)量得到試驗(yàn)期間的泄漏電流值。試驗(yàn)應(yīng)在從玻璃容器中取出3 h內(nèi)完成。

1.3.4 電氣強(qiáng)度測(cè)試

從正常生產(chǎn)的復(fù)合絕緣橫擔(dān)上以與芯體軸線呈90°方向鋸取部分長(zhǎng)度為(10±0.5) mm的試樣，將試樣放入平行平板電極間，在變壓器油中對(duì)試樣進(jìn)行交流電壓擊穿試驗(yàn)。

1.3.5 熱誘導(dǎo)試驗(yàn)

從復(fù)合絕緣橫擔(dān)上截取長(zhǎng)度為(50±0.5) mm的試樣，然后放入150℃烘箱中烘焙4 h，待試樣冷卻至室溫后觀察芯體端面有無油狀滲出物。將1%紫羅蘭色次甲基染料的乙醇溶液涂于試樣兩端表面，觀察芯棒端面有無裂紋。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)試驗(yàn)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)室制備得到的輕質(zhì)高絕緣復(fù)合芯體橫擔(dān)（簡(jiǎn)稱“輕質(zhì)芯體橫擔(dān)”）進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)將部分試驗(yàn)結(jié)果與襄陽國網(wǎng)合成絕緣子有限責(zé)任公司生產(chǎn)的實(shí)心芯體復(fù)合橫擔(dān)（簡(jiǎn)稱“實(shí)心芯體橫擔(dān)”）及DL/T 1580—2021的要求進(jìn)行對(duì)比，綜合分析評(píng)估輕質(zhì)芯體橫擔(dān)的性能。

2.1 密度及吸水率

密度是衡量絕緣材料性能的重要指標(biāo)，絕緣材料質(zhì)量過高會(huì)減小材料的載荷能力、增大輸電線路的振動(dòng)強(qiáng)度等。本文選取外徑為100 mm、長(zhǎng)度為2 000 mm的輕質(zhì)高絕緣芯體復(fù)合橫擔(dān)為例，測(cè)得其質(zhì)量為15.77 kg，密度為1.004 g/cm3；作為對(duì)比的同規(guī)格實(shí)心芯體橫擔(dān)，其質(zhì)量為29.80 kg，密度為1.898g/cm3。可以看出輕質(zhì)芯體橫擔(dān)相比實(shí)心芯體橫擔(dān)總質(zhì)量減少了47%，總體密度降低了47%，充分體現(xiàn)出輕質(zhì)的特性。

吸水率也是衡量絕緣材料性能的重要指標(biāo)，絕緣材料吸水會(huì)導(dǎo)致其介質(zhì)損耗升高、內(nèi)部缺陷增多、絕緣性能下降，在高場(chǎng)強(qiáng)下易出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象進(jìn)而導(dǎo)致事故發(fā)生。輕質(zhì)芯體橫擔(dān)振動(dòng)老化試驗(yàn)前后及實(shí)心芯體橫擔(dān)的24 h絕對(duì)吸水質(zhì)量、質(zhì)量吸水率、體積吸水率如表1所示。

表1 吸水率測(cè)試結(jié)果Tab.1 Water absorption test results

由表1可知，輕質(zhì)芯體橫擔(dān)的絕對(duì)吸水質(zhì)量略高于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1580—2021的指標(biāo)值及實(shí)心芯體橫擔(dān)的絕對(duì)吸水質(zhì)量。由于DL/T 1580—2021是基于密度為2.2 g/cm3的實(shí)心芯體橫擔(dān)制定，本文制備的輕質(zhì)芯體橫擔(dān)密度僅為1.004 g/cm3，遠(yuǎn)低于實(shí)心芯體橫擔(dān)的密度，導(dǎo)致輕質(zhì)芯體橫擔(dān)的質(zhì)量吸水率略高于標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1580—2021的指標(biāo)值，但其體積吸水率仍滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。綜合評(píng)價(jià)可知，輕質(zhì)芯體橫擔(dān)的性能優(yōu)于實(shí)心芯體橫擔(dān)且能夠滿足應(yīng)用要求。

振動(dòng)老化試驗(yàn)后輕質(zhì)芯體橫擔(dān)的吸水率有小幅度上升，分析原因?yàn)檎駝?dòng)后芯體管與輕質(zhì)泡沫材料界面出現(xiàn)微小空隙導(dǎo)致水分殘留，但總體仍滿足應(yīng)用要求。

2.2 染料滲透性

染料滲透性是衡量橫擔(dān)是否出現(xiàn)裂紋等明顯缺陷的重要指標(biāo)，4個(gè)輕質(zhì)芯體橫擔(dān)試樣的染料滲透試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 染料滲透試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Dye penetration test results

由圖3可知，振動(dòng)老化前后4個(gè)試樣在15 min內(nèi)均未出現(xiàn)染料液貫穿的現(xiàn)象，表明試樣內(nèi)部無明顯缺陷，制備得到的輕質(zhì)芯體橫擔(dān)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 水?dāng)U散泄漏電流

泄漏電流是衡量橫擔(dān)絕緣性能的重要參數(shù)之一，是橫擔(dān)使用安全性的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。輕質(zhì)芯體橫擔(dān)及實(shí)心芯體橫擔(dān)的泄漏電流試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 泄漏電流試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Leakage current test results

由圖4可知，振動(dòng)老化試驗(yàn)前，5個(gè)輕質(zhì)芯體橫擔(dān)試樣的泄漏電流分別為73.1、74.3、69.2、71.2、73.8 μA，實(shí)心芯體橫擔(dān)的泄漏電流值為120.0 μA；振動(dòng)老化試驗(yàn)后，輕質(zhì)芯體橫擔(dān)試樣的泄漏電流分別為86.1、89.4、93.1、77.9、83.7 μA，實(shí)心芯體橫擔(dān)的泄漏電流值為132.9 μA。DL/T 1580—2021規(guī)定橫擔(dān)的泄漏電流應(yīng)小于364 μA?？梢?，輕質(zhì)芯體橫擔(dān)的絕緣性能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定且明顯優(yōu)于實(shí)心芯體橫擔(dān)。

2.4 電氣強(qiáng)度

橫擔(dān)的電氣強(qiáng)度可反映其對(duì)電場(chǎng)的耐受能力，是評(píng)價(jià)橫擔(dān)絕緣性能的重要指標(biāo)。5個(gè)輕質(zhì)芯體橫擔(dān)試樣的長(zhǎng)度分別為10.2、10.1、10.1、10.1、10.2 mm，實(shí)心芯體橫擔(dān)的平均長(zhǎng)度為10 mm，測(cè)得它們的交流電氣強(qiáng)度如圖5所示。

圖5 電氣強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Electric strength test results

由圖5可知，5個(gè)輕質(zhì)芯體橫擔(dān)試樣的電氣強(qiáng)度分別為93.5、71.6、83.7、83.8、84.1 kV/cm，實(shí)心芯體橫擔(dān)的交流電氣強(qiáng)度約為55 kV/cm。DL/T 1580—2021規(guī)定，橫擔(dān)的交流電氣強(qiáng)度應(yīng)大于30 kV/cm。試驗(yàn)結(jié)果表明，輕質(zhì)芯體橫擔(dān)的交流電氣強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定且優(yōu)于實(shí)心芯體橫擔(dān)。

處于第二梯隊(duì)的省份應(yīng)增強(qiáng)信息產(chǎn)業(yè)的滲透和擴(kuò)散能力，提升寬帶速率和電腦普及率，實(shí)現(xiàn)信息產(chǎn)業(yè)的快速傳播能力，從而為發(fā)展融合層信息經(jīng)濟(jì)提供助力。同時(shí)，應(yīng)以“兩化” 融合發(fā)展為重點(diǎn)，鼓勵(lì)工業(yè)企業(yè)、農(nóng)業(yè)企業(yè)和服務(wù)業(yè)與信息化服務(wù)機(jī)構(gòu)利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等新一代信息通信技術(shù)。此外，還要積極推動(dòng)寬帶戰(zhàn)略，各省因地制宜，統(tǒng)籌3G、WLAN和LTE協(xié)調(diào)發(fā)展，擴(kuò)大無線寬帶網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面，增加基站、公共運(yùn)營熱點(diǎn)和AP的布局，從而促進(jìn)信息產(chǎn)業(yè)與其他產(chǎn)業(yè)的浸潤、滲透和融合，催生信息經(jīng)濟(jì)新業(yè)態(tài)和新模式。

2.5 熱誘導(dǎo)試驗(yàn)

熱誘導(dǎo)試驗(yàn)是有效反映橫擔(dān)理化性質(zhì)的重要測(cè)試方法，是評(píng)價(jià)橫擔(dān)使用安全性的必要試驗(yàn)。熱誘導(dǎo)試驗(yàn)前后的橫擔(dān)試樣如圖6～7所示。

圖6 熱誘導(dǎo)試驗(yàn)前輕質(zhì)芯體橫擔(dān)試樣Fig.6 Cross-arm samples with light weight core before thermal induction test

圖7 熱誘導(dǎo)試驗(yàn)后輕質(zhì)芯體橫擔(dān)試樣Fig.7 Cross-arm samples with light weight core after thermal induction test

由圖6～7可知，振動(dòng)老化前后輕質(zhì)芯體橫擔(dān)試樣在進(jìn)行熱誘導(dǎo)試驗(yàn)后均未出現(xiàn)界面缺陷及端面裂紋，表明輕質(zhì)芯體橫擔(dān)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3 結(jié) 論

本研究制備得到輕質(zhì)高絕緣泡沫芯體復(fù)合橫擔(dān)，并通過試驗(yàn)分析了橫擔(dān)的各項(xiàng)性能，主要得到以下結(jié)論：

（1）輕質(zhì)高絕緣芯體復(fù)合橫擔(dān)的密度低于實(shí)心芯體橫擔(dān)，其24 h體積吸水率低于實(shí)心芯體橫擔(dān)。

（2）輕質(zhì)高絕緣芯體復(fù)合橫擔(dān)的染料滲透試驗(yàn)表明，15 min內(nèi)各試樣均未出現(xiàn)染料液貫穿的現(xiàn)象，說明輕質(zhì)芯體橫擔(dān)內(nèi)部無明顯缺陷。

（4）輕質(zhì)高絕緣芯體復(fù)合橫擔(dān)進(jìn)行熱誘導(dǎo)試驗(yàn)后未出現(xiàn)界面缺陷及端面裂紋，橫擔(dān)性能優(yōu)異。

（5）輕質(zhì)高絕緣芯體復(fù)合橫擔(dān)在20 Hz頻率下進(jìn)行1.2×105次振動(dòng)老化后端部未出現(xiàn)裂紋，各項(xiàng)性能無明顯下降，說明耐振動(dòng)老化性能較好。