支柱復合絕緣子設計與制造技術現狀分析

張廣全 李挺標 張億佳 王勇偉 焦忠政

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

0 引言

在輸變電系統中支柱復合絕緣子主要應用但不限于以下設備：電抗器、隔離開關、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氧樹脂的玻璃鋼（FRP，空心管或實心引拔棒）制造技術已經日趨成熟，加上設計結構的優化，支柱復合絕緣子的機械性能及電氣性能已經能夠滿足252kV及以下電壓等級隔離開關的使用要求。隨著中國特高壓輸電線路的建設，更高電壓等級及機械負荷的支柱復合絕緣子已經被廣泛應用于換流閥廳、柔性直流輸電系統、變電站等領域，其市場容量非常大。

基于目前國內市場的需求及競爭情況，在開發支柱復合絕緣子的時候，不僅要考慮其機械性能和電氣性能滿足相關標準要求，同時還要考慮其綜合性能及經濟性能的匹配，本文就支柱復合絕緣子的相關設計及制造工藝技術展開論述。

1 目前芯體結構分類

1.1 引拔芯體結構

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

圖1 引拔芯體結構生產工藝圖示

傳統工藝在生產大直徑芯體（如直徑＞220mm）的時候，在成型過程中，樹脂固化放出大量的熱，這會使芯體內部產生內應力，芯體內部發生微裂紋的風險。目前通過工藝調整及樹脂配方的改進，玻璃纖維在充分浸漬復合膠的同時，復合膠經過預膠凝階段使得浸漬纖維在進入模具前既能充分滲透，又能發生一定程度的性狀變化，有效避免了傳統拉擠工藝生產的芯棒中存在的應力集中現象的發生，從而規避了芯棒在后期使用過程中出現應力釋放造成的中心開裂或出現裂紋現象，提升了產品的實用性和穩定性。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、強度高、適用期長的特性。

目前具備生產大直徑芯體（直徑＞220mm）成熟工藝經驗的廠家有西安高強絕緣電氣、上虞金鳳凰等，其在行業內具有廣泛的運行業績。

1.2 多芯固化芯體結構

此結構產品是由多支玻璃纖維引拔棒按照一定的規律進行組合，并與環氧樹脂基體進行二次復合固化制成，如圖2所示。

圖2 多芯固化芯體結構解剖視圖

該工藝需要對單支引拔棒表面進行打磨處理，并涂覆底膠，排布時要相對均勻才能避免固化時產生內部應力，采用此結構芯體，在設計初期需注意，根據其機械受力要求盡量放大安全系數，以防產生界面裂紋而影響芯體內部絕緣性能。與此同時，當其直徑足夠大的時候，絕緣子在長期運行過程中，各個小芯棒之間的界面被破壞的風險就會大大降低，但是當直徑過大時，其固化升溫曲線即緩慢升溫及升溫梯度的選擇就需要嚴格控制，控制不當易產生不良品，因此按照此工藝生產時設計初期安全系數的選擇尤為重要。

目前國內代表企業是山東青州力王，在業內有較好的供貨業績。

1.3 多次多層纏繞結構

采用實芯引拔棒為內芯載體，先纏繞一層然后固化，固化完成后對其表面進行加工，然后再次纏繞，一般經過兩到三次纏繞可達到尺寸要求，比如平波電抗器用支柱復合絕緣子用的芯棒直徑為φ280mm。這種逐層纏繞制造內絕緣，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鍵點。各個纏繞界面如果處理不好，在氣候四季溫差的作用下，以及電負荷、風擺的綜合作用，有產生微間隙的風險，該間隙在運行若干年后一旦貫通，對絕緣子無論是機械性能或是電氣性能將是致命的，特別是±1100kV直流特高壓支柱復合絕緣子的結構高度大大增高，其多次纏繞產生的界面會出現裂紋的風險大大增加。按IEC 62217∶2005《標稱電壓高于1000 V使用的戶內和戶外聚合物絕緣子 一般定義、試驗方法和接收準則》，目前，此類材料的水擴散試驗，在監造中發現，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構，并逐漸退出市場。

1.4 真空浸漬成型芯體結構

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

該芯棒結構的成型工藝要求選用樹脂，在常溫下樹脂工藝期內樹脂黏度極低，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鍵。

目前國內代表企業是北京玻璃鋼研究院。

1.5 瓷芯外復合絕緣結構

如圖3所示，該結構芯體主要是采用圓瓷柱作為支柱絕緣子的內支撐，在瓷圓柱外面注射成型或直接粘接上傘套，此結構應用于對偏移量要求小的隔離開關是一個很好的解決方案。瓷圓柱的量產可以降低制造成本，所以從實用性和經濟性上都是可以被接受的。

圖3 芯體加工成型原理

瓷芯外復合絕緣結構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，特別是結構高度大的支柱復合絕緣子，其長期運行時的機械性能需考慮。同時其傘套與瓷圓柱粘接界面及法蘭膠裝的可靠性，在制造過程中都應引起足夠的重視。

目前國內代表企業是中材江西電瓷電氣有限公司。

1.6 空心填充結構

目前市場應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），也有做內部增爬裙或者固體絕緣隔斷（如硬質或軟質內隔板），主要目的都是增強支柱復合絕緣子內部的電氣性能。

從總體來講，該種芯體結構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方法進行科學驗證。例如當充氣體絕緣時要考慮泄漏問題（短期內不能表現的）、隔斷的界面和芯體試驗驗證方法和標準等。

這些結構都要考慮呼吸效應引起的微滲漏，當滲漏達到極限值的時候對絕緣子的內絕緣是否構成破壞，還需要長期研究及實際運行得出。另外目前的標準如何考核該復合結構，試驗方法及判定標準適不適合，也是需要大家思考和進一步研究的課題。

2 各種芯體試驗情況對比論述

2.1 染色滲透試驗

取各種結構φ280mm×長度1000mm，切成10mm厚度，并按照標準GB/T22079－2008進行打磨，符合標準要求的試片進行染料滲透試驗，滲透時間：15min，其試驗結果統計如圖4和圖5所示。

圖4 不同芯體結構類型的染料滲透試驗通過率統計圖

圖5 燃料滲透試驗（部分）

2.2 水擴散試驗

詳見表1。

表1 不同芯體結構類型水擴散試驗統計表

結論：表中四種結構芯體均能通過該試驗。

2.3 直流擊穿電壓試驗

詳見表2。

表2 不同芯體結構類型直流擊穿電壓試驗統計表

結論：表中四種結構芯體通過該試驗。

2.4 熱誘導試驗

詳見表3。

表3 不同芯體結構類型熱誘導試驗統計表

結論：表中四種結構芯體通過該試驗。

本文僅做以上試驗項目，建議芯棒控制指標如表4所示。

表4 支柱復合絕緣子性能指標控制表

3 端部法蘭裝配方式優劣勢分析

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缺點。

3.1 膠裝劑膠裝結構圖示

如圖6所示，該工藝是在芯棒和法蘭之間設置間隙，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的生產工裝來實現，是現有傳統生產工藝的一種。如果需要大批量化生產，需要配套多個膠裝加熱裝置，即可以實現快速化生產。

圖6 膠裝劑膠裝結構示意圖

3.2 壓接裝配

該工藝特點是芯棒外徑與法蘭內徑采用滑配合尺寸（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現的重點要素，需要經過多次壓接實驗對比，找出合理的壓接工藝參數。生產過程中壓強一般控制在15~20Mpa，保壓時間控制在3~8s，即可實現法蘭快速裝配，該工藝生產效率高，且質量可靠。

圖7 壓接裝配結構示意圖

圖8 壓接裝配狀態圖

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徑，芯棒外徑（僅連接部分）與法蘭的內徑（僅連接部分）分別設計有若干個凹槽，在法蘭裝配時，將法蘭加熱，使其內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，利用壓力機的壓力將芯棒緩緩壓入法蘭，最后在一定溫度和時間內完成粘接膠的固化，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較小，采用過盈配合也不能取得較好的效果。

4 傘型結構經濟性及對污穢性能的影響

4.1 最新標準及招標文件要求

根據DLT 1472.2—2015 《換流站直流場用支柱復合絕緣子 第2部分尺寸與特性》及白鶴灘招標文件技術要求部分，對支柱復合絕緣子傘型提出來明確要求，隨著國家電網的發展，為了適用于各種復雜的氣候條件，招標單位在編制招標文件時也越來越重視傘型的設計，所以在產品開發設計階段一定要研讀這些標準及要求，以免研發的產品達不到要求而失去投標資格。

另外傘型設計的時候也要考慮其工藝性和經濟性，如一個合理的傘裙設計會具有很好的脫模工藝性且不會產生氣泡，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過程中斷傘或者不滿足標準要求，如果傘裙過厚會造成不必要的膠料浪費，影響到產品的成本構成。另外傘型一定要滿足標準要求，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，所以外絕緣設計是需要高度重視的一個技術。圖9和表5是一種大小傘型設計的建議值，供參考。

圖9 大小傘型圖示

表5 支柱復合絕緣子傘型設計參數參考表

4.2 戶內戶外差異化及模具投入的經濟性

隨著國家特高壓電網的大批量建設，直流輸電需要大量的閥廳內支柱復合絕緣子，閥廳內用支柱復合絕緣子采用滿足戶內爬電距離要求的絕緣子即可，同比戶外支柱復合絕緣子爬電距離小很多，如果統一采用大爬距的戶外支柱絕緣子，會使戶內支柱復合絕緣子制造成本上升，而且對于戶內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，這樣不僅大大節省前期模具投資，還可以降低支柱復合絕緣子的制造成本，使企業更加具有競爭力。

5 結束語

根據國家電網及南方電網對支柱復合絕緣子的需求來看，目前還是主導采用實心引拔棒作為支柱復合絕緣子芯體的主流設計，對于絕緣子的機械性能、電氣性能有著嚴格的要求，并有相關標準對其都進行了詳細的規定。基于此，建議廠家在研發和制造支柱復合絕緣子的時候，還是按照兩網要求為主，以避免馬拉松式的研發投資。

現在相關空心支柱復合絕緣子的標準正在制定中，為了降低成本，建議企業作為技術儲備，要開展空心結構的支柱復合絕緣子的研發，以應對未來市場的新需求。

行業管理部門及相關專家，在對空心支柱復合絕緣子的相關定型試驗項目編制時，如芯體試驗項目、試驗方法及試驗判定準則等，建議通過大量的試驗驗證來制定相關標準，以指導企業的正確研發路線和研發投入。