空心復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

司曉闖 徐衛(wèi)星 張 倩

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467013）

0 引言

自20世紀(jì)50年代以來，美國就開始研究和使用復(fù)合絕緣子，主要使用環(huán)氧樹脂、樹脂增強玻璃鋼芯棒、橡膠或氟塑料等聚合材料。到80年代，美國、德國等國的復(fù)合絕緣子發(fā)展非常迅速，主要有以美國為代表的乙丙橡膠復(fù)合絕緣子和以德國為代表的高溫硫化硅橡膠復(fù)合絕緣子。

我國對復(fù)合絕緣子的研制開發(fā)始于20世紀(jì)80年代初，我國電網(wǎng)的高速發(fā)展有力地促進了復(fù)合絕緣子產(chǎn)業(yè)的迅速壯大。目前，我國復(fù)合絕緣子的研究、制造和運行已居世界領(lǐng)先水平，運行經(jīng)驗也引起了國際相關(guān)組織的關(guān)注。實際運行表明，使用復(fù)合絕緣子是解決我國污穢地區(qū)外絕緣污閃最為有效的方法之一，不僅有效遏制了大面積污閃事故的發(fā)生，也大大減輕了繁重的污穢清掃等運行維護工作量。

與瓷和玻璃絕緣子相比，在電氣性能方面：復(fù)合絕緣子的工頻干閃電壓略高于瓷絕緣子的干閃電壓；復(fù)合絕緣子的工頻濕閃電壓比瓷絕緣子高約15%。復(fù)合絕緣子的雷電沖擊50%放電電壓比瓷絕緣子高約5%。復(fù)合絕緣子不存在零值擊穿、零值檢測和零值更換的問題。復(fù)合絕緣子具有優(yōu)良的耐污閃性。在抗老化性能方面：復(fù)合絕緣子屬有機材料，在運行中受到各種氣候和外界的影響，會造成復(fù)合絕緣子絕緣性能的下降，影響到復(fù)合絕緣子的使用壽命。但是目前在我國電網(wǎng)中已經(jīng)使用了近20年的產(chǎn)品仍在掛網(wǎng)運行，未出現(xiàn)異常情況。同時隨著有機材料新配方的研制，復(fù)合絕緣子的使用壽命將會有較大程度的提高。

1 空心復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)

空心復(fù)合絕緣子主要有三大部件構(gòu)成：端部金屬附件、硅橡膠傘裙護套、環(huán)氧樹脂玻璃纖維纏繞管。

圖1 空心復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)組成

1.1 端部金屬附件

端部金屬附件是復(fù)合絕緣子機械負荷的傳遞部件，它與玻璃纖維環(huán)氧樹脂纏繞管組裝在一起構(gòu)成復(fù)合絕緣子的連接件。目前端部附件的主要材料為：高強度鑄鋁合金和鑄鋼等，在本產(chǎn)品的試制過程中我們采用高強度鑄鋁合金作為端部附件材料，金屬型鑄造加T6人工時效處理，其抗拉機械強度可達到295MPa。

1.2 硅橡膠傘裙護套

傘裙護套是復(fù)合絕緣子的外絕緣部分，其作用是使復(fù)合絕緣子具有足夠高的防濕閃和污閃的外絕緣性能，以保護玻璃纖維環(huán)氧樹脂纏繞管免遭大氣的侵襲。傘裙護套長期暴露在戶外，經(jīng)受各種惡劣氣象條件和工業(yè)污染的侵蝕，在運行狀態(tài)下還可能受到火花放電或局部電弧的燒蝕。因此通常要求傘裙護套必須具有優(yōu)良的防污閃性、耐漏電起痕性和耐電蝕損性，以及耐臭氧、耐高溫等大氣老化的作用。傘裙護套材料現(xiàn)主要有高溫硅橡膠（HTV）和液態(tài)硅橡膠（LSR）。

1.3 環(huán)氧樹脂玻璃纖維纏繞管

玻璃纖維環(huán)氧樹脂纏繞管是空心復(fù)合絕緣子的機械負荷的承載部件，同時又是內(nèi)絕緣的主要部分，它具有很高的機械強度、絕緣性能和長期穩(wěn)定性，玻璃纖維環(huán)氧樹脂纏繞管材料采用耐酸、耐高溫、抗拉彎強度大的樹脂增強玻璃纖維纏繞而成。

2 空心復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 傘形設(shè)計

根據(jù)運行經(jīng)驗和模擬運行條件下的實驗室試驗結(jié)果，一般要求絕緣子的剖面形狀應(yīng)符合相應(yīng)參數(shù)[1]。在相同的干弧距離和爬電距離要求下，可設(shè)計出多種滿足參數(shù)要求的傘形形狀，但不同的傘形形狀對其成型工藝、硅橡膠材料的損耗量、模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計和模具材料的消耗量存在很大的影響。傘伸出越大，意味著用于傘裙成型的模腔越深，模具的厚度、高度就越大。目前高溫注射工藝的模具是靠設(shè)備上加熱板進行加熱，通過模具材料本身的熱傳導(dǎo)性能取得工藝要求的溫度參數(shù)值。模具的厚度越大，熱傳導(dǎo)效果越差，導(dǎo)致模具分型面的溫度與模腔底部的溫度差異較大，不利于傘裙護套的成型，因此，設(shè)計人員就得考慮通過輔助加熱等方式來保證模具溫度的均勻性，最終增加了設(shè)計成本、模具材料成本、模具加工成本和設(shè)備的能耗。

在GB/T 26218.3-2011[2]中對污穢條件下傘形結(jié)構(gòu)參數(shù)有具體的要求，目前國內(nèi)復(fù)合絕緣子生產(chǎn)廠家一般采用的傘形有：一大一小、一大兩小、一大一中一小和等徑傘等（如圖2～5）。

（1）傘間距 S 和傘伸出 P 之比 S/P 應(yīng)大于 0.75；（2）在復(fù)合絕緣子的任一部分，局部爬電距離Ⅰd與空氣間距d之比Ⅰd/d應(yīng)小于 5；（3）對于交替?zhèn)阈危琍1-P2 應(yīng)不小于 15mm；（4）交替?zhèn)阈蝹汩g最小距離c不小于50mm。

同時考慮到硅橡膠傘裙材料耐漏電起痕和電蝕水平達到TMA4.5級，而 GB/T 21429-2008[3]規(guī)定“絕緣子用傘套應(yīng)使用不低于GB 6553-2003[4]規(guī)定的TMA4.5級，最大電蝕深度不超過2.5mm的絕緣材料”，并根據(jù)以往運行經(jīng)驗，硅橡膠護套厚度應(yīng)在5mm以上。

圖2

圖3

圖4

圖5

2.2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

在產(chǎn)品的運行過程中，空心復(fù)合絕緣子內(nèi)部充有一定壓力的SF6氣體或其他絕緣介質(zhì)，因此空心復(fù)合絕緣子的密封結(jié)構(gòu)對保證產(chǎn)品的密封性、安全運行起到至關(guān)重要的作用。當(dāng)端部附件與玻璃纖維纏繞管澆裝粘接面密封性可靠時，空心復(fù)合絕緣子的密封槽可設(shè)在端部附件平面上或與其相配的零部件端面上，采用矩形槽，見圖6；當(dāng)粘接面的密封可靠性未得到驗證時可采用密封圈放在端部附件和玻璃纖維纏繞管粘接縫處 （俗稱三角形密封），見圖7；另外在三角密封的基礎(chǔ)上也可增加一個副密封槽來保證產(chǎn)品密封性，見圖8。根據(jù)我公司多年來的生產(chǎn)經(jīng)驗，端部附件與玻璃纖維纏繞管澆裝粘接面密封性可靠性已經(jīng)得到充分驗證，同時考慮到空心復(fù)合絕緣子與瓷絕緣子的互換性，國內(nèi)廠家在產(chǎn)品的設(shè)計中大量采用的是圖5所示的平面密封設(shè)計——密封槽設(shè)在與端部附件相配的零部件端面上。

圖6

圖7

圖8

2.3 玻璃纖維纏繞管與端部附件結(jié)構(gòu)設(shè)計

端部附件與玻璃纖維環(huán)氧樹脂纏繞管連接結(jié)構(gòu)的好壞直接影響到玻璃纖維環(huán)氧樹脂纏繞管強度的發(fā)揮及空心復(fù)合絕緣子機械性能。在文獻[5]中，文獻作者給出了空心復(fù)合絕緣子的內(nèi)水壓、抗彎及法蘭粘接強度的理論計算方法：

（1）內(nèi)水壓強度設(shè)計要求

（2）抗彎強度設(shè)計要求

（3）法蘭粘接強度設(shè)計要求

式中，pb——破壞水壓（MPa）；D1——管外徑（cm）；d1——管內(nèi)徑（cm）；Mw——破壞彎矩（N·cm）；L——法蘭粘接面高度（cm）；K——考慮膠裝應(yīng)力影響取的安全系數(shù)，K＝2.5；[σn]——內(nèi)壓許用應(yīng)力（MPa），[σn]＝86；[σw2]——膠裝抗彎強度（MPa），[σw2]＝75；[σj]——法蘭粘結(jié)許用應(yīng)力（MPa），[σj]＝15。

根據(jù)以上計算方法，綜合考慮產(chǎn)品在使用過程中所受到的內(nèi)壓力、產(chǎn)品自重、風(fēng)載荷及端子拉力等作用力，在滿足各項技術(shù)參數(shù)要求的前提下，對40.5kV斷路器用空心復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，并通過solidworks軟件進行了仿真計算：

序號 零部件 屈服強度 泊松比 彈性模量1法蘭 295 Mpa 0.33 7.1×1010N/m2 2 環(huán)氧樹脂玻璃纖維纏繞管 55 Mpa 0.32 1.45×1010N/m2

圖9 模型網(wǎng)格劃分

圖10 法蘭應(yīng)力分布圖

圖11 玻璃纖維纏繞管應(yīng)力分布圖

圖12 最大位移量

由于傘裙護套的形狀比較復(fù)雜，對模型的網(wǎng)格劃分帶來很大的困難，所以在計算過程中可以對模型進行適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

計算結(jié)果：

序號 零部件 判據(jù) 最大值 安全系數(shù)1法 蘭 295 Mpa 173.2 Mpa 1.71 2 環(huán)氧樹脂玻璃纖維纏繞管 55 Mpa 18.1 Mpa 3.03 3膠 裝 劑 15 Mpa 11.4 Mpa 1.31

3 結(jié)論

隨著空心復(fù)合絕緣子在工程中用量的不斷增加，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求也在逐步提高。本文從空心復(fù)合絕緣子的構(gòu)成、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面簡單敘述了空心復(fù)合絕緣子的設(shè)計過程，并對公司現(xiàn)有一種產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行了簡單設(shè)計，為設(shè)計員在空心復(fù)合絕緣子的設(shè)計方面提供了參考。

[1]邱志賢譯.絕緣子在污穢條件下的選用導(dǎo)則·附錄D·表征絕緣子剖面形狀的參數(shù).絕緣子與避雷器標(biāo)準(zhǔn)譯文集[M].西安.西安電瓷研究所.1989.

[2]GB/T26218.3-2011，污穢條件下使用的高壓絕緣子的選擇和尺寸確定第三部分：交流系統(tǒng)用復(fù)合絕緣子[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[3]GB/T21429-2008，戶外和戶內(nèi)電氣設(shè)備用空心復(fù)合絕緣子定義、試驗方法、接收準(zhǔn)則和設(shè)計推薦[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)化出版社，2008.

[4]GB/T6553-2003，評定在嚴(yán)酷環(huán)境條件下使用的電氣絕緣材料耐電痕化和蝕損的試驗方法[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)化出版社，2003.