新型溫感可變色警示絕緣罩的研發

高清清 謝嘉城 袁源明

國網上海奉賢供電公司

0 引言

目前，具有良好短路保護能力的戶外跌落式熔斷器其性價比高、安裝使用方便，一直在大量使用。但由于其自身結構的缺陷，在目前配網系統中60%的設備故障由熔斷器引起。戶外跌落式熔斷器故障主要來自外力破壞和發熱損壞兩個方面。外力破壞是由于跌落熔斷器存在金屬裸露部分，且10kV線路設備相間距較小，因此，鳥類、蛇類等小動物的攀爬、樹枝的長高或高空拋物等外部因素容易造成跌落熔斷器金屬裸露部分短路，致使跌落熔斷器受外力破壞的事故層出不窮。發熱損壞是受限于跌落熔斷器結構，特別是上觸座，由于其合閘可靠性較差，容易接觸不良引起溫度升高，導致熔斷器觸頭燒損、線路停運。

對此，一些廠商研發了專門用于跌落熔斷器的絕緣罩。考慮到10kV架空線路全絕緣技術發展趨勢，對跌落熔斷器實現絕緣罩保護是較妥當的方案。然而，現有的絕緣罩產品雖對外力破壞有所防范，但仍沒有解決觸頭發熱問題，還可能加劇了觸頭發熱所帶來的隱患：由于絕緣罩的隔離作用，在外部風力較大時，絕緣罩表面散熱加快，致使紅外熱像儀難以靈敏地檢測到觸頭發熱故障，最后導致發熱加劇直至熔斷器燒毀。

因此，研發一種既能有效防范外力破壞，又能有效反映觸頭發熱的跌落熔斷器專用絕緣罩，對提升中低壓配網的運行可靠性意義重大。

1 溫感變色原理

溫感變色材料是一種新型功能材料，主要利用材料在不同溫度下的物態變化（如某些鹽類水合物在一定溫度下失去結晶水而改變顏色）實現變色指示。通過溫度變化，可以利用材料的顏色變化來測量溫度、裝飾產品，如制成玩具提高玩具的吸引力、或制成油墨提高印刷品廣告宣傳效果、還可作為各種電器的示警材料等。目前，變色材料已廣泛用于紡織、印刷、醫學、航天等眾多領域。如果能將溫感變色材料通過特殊工藝，與硅橡膠硫化工藝結合，就有望設計出能隨溫度變化而變色的新型功能橡膠材料，將其設計成跌落熔斷器的外罩，在維持原有絕緣保護性能同時，還可通過溫度變化，直觀反映內部觸頭發熱情況，從而有望克服現有絕緣罩可能加劇觸頭發熱的弊端。溫感變色材料制作的示溫貼片如圖1所示。

圖1 示溫貼片

硅橡膠有機復合材料，由于硫化過程中的高溫，溫感變色材料必須為可逆型。經綜合考慮，變色材料確定為有機可逆熱致變色抗疲勞微膠囊特種材料。這種變色特種材料內含微膠囊變色顆粒，粒徑在1～10μm之間，并具有耐高溫、抗氧化等膠囊特性。其顏色隨溫度上升可從有色變到無色，也可從一種顏色變為另一種顏色，如圖2所示。

圖2 材料變色過程

選變色材料時需考慮變色溫度界限范圍，感溫變色基本溫度可根據線路上設備允許溫升的范圍設定。對熔斷器，按標準最大值正常周圍空氣溫度不超過40℃計算，熔斷器除螺栓連接處（75K）和熔絲處（90K）外，導電回路最高溫升一般允許至65K，即最高溫度允許105℃。熔斷器作為負荷產品，在正常使用條件下，一般溫升約50～60K。而上接觸部分，因彈簧結構，一般溫升都接近上限值，如接觸不良，可升至幾百K或以上。此外，考慮到上海地區冬夏極限溫差約45K（-6℃～39℃），變色材料溫度界限可從110℃以上開始設定，既避免環境溫度變化的干擾識別，又能對實際故障隱患的正確識別。當設備接觸不良導致溫度上升超出合理范圍時，在變色材料作用下，可直接測溫變色警示，巡視人員在巡檢時目視即可直觀發現。

2 新型絕緣罩結構設計

如前所述，隨著絕緣化推廣，熔斷器絕緣防護組件也應用而生。但至目前，由于沒有熔斷器類設備絕緣防護組件相關技術標準和規范，導致熔斷器絕緣防護組件各個廠家的設計各異，從材質（橡膠或塑料）、材料厚度（1mm～3mm不等）、結構形式（大多是U型開放式結構，如圖3所示）等，很難對熔斷器類設備起到真正的絕緣防護作用，有的安裝在線路設備上，遇到風吹或異物觸碰即產生移位，影響了產品正常運行。對此，本研發根據熔斷器產品結構特性，專門設計了一種跨傘型絕緣防護組件，如圖4所示。該組件能夠緊緊依附在熔斷器產品本體。此外，還設計有便于閉鎖或開啟的固定搭扣閉鎖裝置和防脫落設計，使產品免受風吹和異物觸碰影響，保證熔斷器正常分合長期可靠運行。

圖3 傳統絕緣防護組件圖

圖4 跨傘型絕緣防護組件

3 新型絕緣罩性能測試

由于沒有熔斷器類設備絕緣防護組件相關技術標準和規范，因此在技術上要求考慮較為詳細，也為后續的標準制訂或技術規范打下基礎。根據選定的硅橡膠有機復合材料，參考“DL/T 376-2010復合絕緣子用硅橡膠絕緣材料通用技術條件”、“DL/T 378-2010變壓器出線端子用絕緣防護罩通用技術條件”和“DL/T 880 0-2004帶電作業用導線軟質遮蔽罩”等規范，對帶測溫可變色警示的跨傘型熔斷器絕緣防護組件確定了基本技術要求，并基于此技術要求，對跨傘型熔斷器絕緣防護組件變色性能與異物搭接防范能力進行了實驗，實驗方法和實驗結果如下：

1）測溫變色警示試驗：通過試驗驗證變色材料實際變色效果。

實驗日期:2018年11月13日

實驗地點:高壓實驗室

環境溫度：19℃

實驗類型：驗證實驗

對熔斷器上觸座施加超過額定電流的大電流，模擬接觸不良觸頭發熱現象。表1和圖5-(1-8）表明當溫度升至88K（對應溫度107℃）時，熔斷器絕緣防護組件開始變色；當溫度超過100K時，熔斷器絕緣防護組件完全變色。

表1 帶測溫可變色警示絕緣防護組件性能驗證試驗

圖5-1

圖5-2

圖5-3

圖5-4

圖5-5

圖5-6

圖5-7

圖5-8

2)異物搭接性能和絕緣耐受試驗:通過實驗驗證熔斷器絕緣防護組件按規定技術要求添加變色材料后的電氣絕緣性能。

試驗條件同上，試驗結果如表2所示：試品符合現有技術規定的硅橡膠復合絕緣罩的絕緣性能，表明溫感材料的添加未影響試品的絕緣性能。

表2 異物搭接性能和絕緣耐受試驗

為進一步驗證本產品技術性能，貝13振泰1號于2018年11月18日安裝了該產品。試用至今未超溫變色，且目視清楚，與紅外測溫儀對比，溫感變色可靠、效果較好。

該絕緣防護組件安裝方便，能對熔斷器裸露部分進行全絕緣處理：跨傘型的防脫落結構和便于閉鎖、開啟的固定搭扣閉鎖裝置避免了風吹和異物搭接的影響，從而，從根本上防范了鼠蛇類小動物、異物搭接所造成的外破影響。此外，該絕緣罩采用溫感變色，能及時發現運行中接觸不良造成的超溫現象。由此，本產品充分克服了現有產品觸頭發熱不易及時發現的弊端，既可減少大量紅外測溫的工作量，又可降低線路停運率，提高供電可靠性。

4 結論

本文提出的帶測溫可變色警示的跨傘型熔斷器絕緣罩不但能可靠遮蔽熔斷器裸露金屬部分，防止樹枝、小動物等外力破壞，還能及時發現運行中超溫故障的熔斷器，減少了大量紅外測溫的工作量、降低了線路停運率，提高了供電可靠性，實現了巡視人員巡檢時就可直觀發現熔斷器因接觸不良導致溫升超出合理范圍的潛在故障隱患。本方案構思巧妙、可靠性高、成本低廉，可帶來顯著的經濟效益和社會效益，值得大范圍推廣應用。