輕質高絕緣芯體復合橫擔的性能研究

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.國網遼寧省電力有限公司丹東供電公司，遼寧 丹東 118000；2.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北 武漢 430074；3.華北電力大學 河北省綠色高效電工新材料與設備重點實驗室，河北 保定 071003）

0 引 言

隨著國民經濟持續發展，用電需求日益增加，對電網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的鐵塔結構，以配置金屬橫擔和絕緣子串柔性懸掛導線的方式運行[3]。然而傳統金屬橫擔絕緣水平較低，耐腐蝕性差[4]，不利于“堅強綠色電網”的構建。其次近年來線路雷擊事故頻發，統計結果顯示，輸配電網總跳閘次數中，由雷擊引起的跳閘次數占比高達40%～80%[5-6]，尤其在我國西北大氣污染嚴重地區和南方沿海多鹽霧天氣地區，雷擊引起的跳閘率更高[7-8]，而傳統金屬橫擔不利于降低雷擊事故率和提高電網安全性。另外，金屬橫擔耐老化特性較差，維護成本較高，不符合電網運行安全性、經濟性的要求。

輕質高絕緣復合橫擔具有質量輕、絕緣性能優良、耐老化特性好、防污能力強等優點[9-10]，將其作為傳統金屬橫擔的替代品已成為降低走廊寬度、節省空間及安裝成本、提高電網可靠性的有效途徑。對于復合材料橫擔的研究及應用，國外的開始時間相對較早，20世紀60年代日本已經將纖維增強復合材料（FRP材料）應用于橫擔制作并投入使用，較好地解決了風偏所引起的閃絡問題[11]。20世紀90年代初，隨著國內材料研究領域取得重大突破，復合材料在電力行業中的應用成為可能[12]。1995年，溫嶺市電力絕緣器材有限公司研制生產出110 kV復合材料橫擔以及桿頭并進行了試點應用，從此我國開始復合橫擔的大規模研究與應用[13-17]。

在近30年的發展過程中，不同電壓等級、不同型式的高絕緣復合橫擔得到進一步開發，相應的型式設計逐漸深入、趨于合理，工程應用也日益增多。2016年初，國網公司在九地實施了10 kV架空線路高絕緣復合橫擔試點應用；2018年，高絕緣復合橫擔由試用階段逐漸轉向全面推廣應用階段。2020年，中能源集團廣東省電力設計研究院針對強風地區500 kV輸電線路復合絕緣橫擔的應用進行了設計和研究[18]，復合橫擔在我國的應用日益廣泛。

目前，復合橫擔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，該工藝操作簡單，固化后的界面粘接較好，成型的芯體密度較低且有進一步下降的空間，但是由于干料層層壓實，內部容易產生填充不致密的缺陷；另一種是有機微球填充工藝，該工藝得到的芯體內部缺陷較少，電氣性能好，但是工藝操作復雜，需要嚴格控制溫度，且有機微珠的密度較大，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高絕緣泡沫芯體復合橫擔，對其進行吸水率、染料滲透性、水擴散泄漏電流、電氣強度、熱誘導、振動老化等多項試驗，并結合試驗結果及DL/T 1580—2021對材料進行合格性檢驗。

1 試 驗

1.1 試樣制備

采用有機硅改性樹脂（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。

橫擔成型工藝如下：首先，按質量比100∶90∶1稱取有機硅改樹脂、固化劑以及有機微珠，在行星式真空攪拌器中以800 r/s的速度混合5 min，攪拌時注意密封，防止微珠飄出；然后，將混合物轉移至攪拌罐進行真空攪拌脫泡，對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，控制壓力以調整填充速率；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，得到輕質高絕緣泡沫芯體復合橫擔試樣。整體試樣實物如圖1所示。

圖1 輕質高絕緣復合橫擔試樣Fig.1 Light weight and high insulation composite cross-arm sample

1.2 試樣處理

橫擔的振動疲勞是關鍵評價指標之一，本研究對橫擔整體進行振動老化試驗，結合試驗結果評估橫擔的耐振動老化性能?？紤]復合材料的散熱性及裝置本身情況，結合微風振動頻率范圍，通過式（1）進行振動頻率的計算及選取[19]。

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

以北京地區為例進行振動老化頻率及次數的分析及選?。夯谠摰貐^全年風速分布、風頻玫瑰圖及常見輸電模塊，選取平均風速為3 m/s，導線型號為LGJ-300/40，在導線無覆冰、輸電線路單回路的情況下，根據式（1）計算得到的振動頻率為20 Hz，以該值作為振動老化試驗頻率?？紤]到能夠使得導線產生穩定振動的風向概率為50%～70%，復合絕緣橫擔運行中發生微風振動的時間占全年的30%～50%，結合橫擔處于各風速段下的年振動次數及復合絕緣橫擔運行年限，本文中振動次數取1.2×105次。

振動加載裝置的選取關系到疲勞老化系統的設計合理性和運行安全性，本研究選用振動電機作為振動加載裝置，橫擔整體通過法蘭盤與振動電機和應力架相連接，振動老化試驗裝置實物圖如圖2所示。

圖2 振動老化試驗裝置Fig.2 Vibration ageing test device

1.3 性能測試

1.3.1 吸水率測試

將直徑為50 mm、長度為(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量（M′），然后通過式（2）～（4）計算各試樣的24 h絕對吸水質量（M*）、質量吸水率（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 染料滲透性測試

從復合絕緣橫擔上截取長度為(10±0.5) mm的試樣，使用細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，該染色液會在毛細作用下穿過芯體逐漸上升，測量并記錄染色液穿過試樣的時間。

1.3.3 水擴散泄漏電流測試

從復合絕緣橫擔上截取6段長度為(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，觀察試驗過程中試樣是否出現擊穿和表面閃絡現象，并測量得到試驗期間的泄漏電流值。試驗應在從玻璃容器中取出3 h內完成。

1.3.4 電氣強度測試

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

1.3.5 熱誘導試驗

從復合絕緣橫擔上截取長度為(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 結果與討論

根據試驗方法對實驗室制備得到的輕質高絕緣復合芯體橫擔（簡稱“輕質芯體橫擔”）進行試驗，同時將部分試驗結果與襄陽國網合成絕緣子有限責任公司生產的實心芯體復合橫擔（簡稱“實心芯體橫擔”）及DL/T 1580—2021的要求進行對比，綜合分析評估輕質芯體橫擔的性能。

2.1 密度及吸水率

密度是衡量絕緣材料性能的重要指標，絕緣材料質量過高會減小材料的載荷能力、增大輸電線路的振動強度等。本文選取外徑為100 mm、長度為2 000 mm的輕質高絕緣芯體復合橫擔為例，測得其質量為15.77 kg，密度為1.004 g/cm3；作為對比的同規格實心芯體橫擔，其質量為29.80 kg，密度為1.898g/cm3。可以看出輕質芯體橫擔相比實心芯體橫擔總質量減少了47%，總體密度降低了47%，充分體現出輕質的特性。

吸水率也是衡量絕緣材料性能的重要指標，絕緣材料吸水會導致其介質損耗升高、內部缺陷增多、絕緣性能下降，在高場強下易出現擊穿現象進而導致事故發生。輕質芯體橫擔振動老化試驗前后及實心芯體橫擔的24 h絕對吸水質量、質量吸水率、體積吸水率如表1所示。

表1 吸水率測試結果Tab.1 Water absorption test results

由表1可知，輕質芯體橫擔的絕對吸水質量略高于現有標準DL/T 1580—2021的指標值及實心芯體橫擔的絕對吸水質量。由于DL/T 1580—2021是基于密度為2.2 g/cm3的實心芯體橫擔制定，本文制備的輕質芯體橫擔密度僅為1.004 g/cm3，遠低于實心芯體橫擔的密度，導致輕質芯體橫擔的質量吸水率略高于標準DL/T 1580—2021的指標值，但其體積吸水率仍滿足標準規定。綜合評價可知，輕質芯體橫擔的性能優于實心芯體橫擔且能夠滿足應用要求。

振動老化試驗后輕質芯體橫擔的吸水率有小幅度上升，分析原因為振動后芯體管與輕質泡沫材料界面出現微小空隙導致水分殘留，但總體仍滿足應用要求。

2.2 染料滲透性

染料滲透性是衡量橫擔是否出現裂紋等明顯缺陷的重要指標，4個輕質芯體橫擔試樣的染料滲透試驗結果如圖3所示。

圖3 染料滲透試驗結果Fig.3 Dye penetration test results

由圖3可知，振動老化前后4個試樣在15 min內均未出現染料液貫穿的現象，表明試樣內部無明顯缺陷，制備得到的輕質芯體橫擔符合標準要求。

2.3 水擴散泄漏電流

泄漏電流是衡量橫擔絕緣性能的重要參數之一，是橫擔使用安全性的主要評價指標。輕質芯體橫擔及實心芯體橫擔的泄漏電流試驗結果如圖4所示。

圖4 泄漏電流試驗結果Fig.4 Leakage current test results

由圖4可知，振動老化試驗前，5個輕質芯體橫擔試樣的泄漏電流分別為73.1、74.3、69.2、71.2、73.8 μA，實心芯體橫擔的泄漏電流值為120.0 μA；振動老化試驗后，輕質芯體橫擔試樣的泄漏電流分別為86.1、89.4、93.1、77.9、83.7 μA，實心芯體橫擔的泄漏電流值為132.9 μA。DL/T 1580—2021規定橫擔的泄漏電流應小于364 μA?？梢?，輕質芯體橫擔的絕緣性能滿足標準規定且明顯優于實心芯體橫擔。

2.4 電氣強度

橫擔的電氣強度可反映其對電場的耐受能力，是評價橫擔絕緣性能的重要指標。5個輕質芯體橫擔試樣的長度分別為10.2、10.1、10.1、10.1、10.2 mm，實心芯體橫擔的平均長度為10 mm，測得它們的交流電氣強度如圖5所示。

圖5 電氣強度試驗結果Fig.5 Electric strength test results

由圖5可知，5個輕質芯體橫擔試樣的電氣強度分別為93.5、71.6、83.7、83.8、84.1 kV/cm，實心芯體橫擔的交流電氣強度約為55 kV/cm。DL/T 1580—2021規定，橫擔的交流電氣強度應大于30 kV/cm。試驗結果表明，輕質芯體橫擔的交流電氣強度滿足標準規定且優于實心芯體橫擔。

處于第二梯隊的省份應增強信息產業的滲透和擴散能力，提升寬帶速率和電腦普及率，實現信息產業的快速傳播能力，從而為發展融合層信息經濟提供助力。同時，應以“兩化” 融合發展為重點，鼓勵工業企業、農業企業和服務業與信息化服務機構利用互聯網、物聯網、移動互聯網、大數據和云計算等新一代信息通信技術。此外，還要積極推動寬帶戰略，各省因地制宜，統籌3G、WLAN和LTE協調發展，擴大無線寬帶網絡的覆蓋面，增加基站、公共運營熱點和AP的布局，從而促進信息產業與其他產業的浸潤、滲透和融合，催生信息經濟新業態和新模式。

2.5 熱誘導試驗

熱誘導試驗是有效反映橫擔理化性質的重要測試方法，是評價橫擔使用安全性的必要試驗。熱誘導試驗前后的橫擔試樣如圖6～7所示。

圖6 熱誘導試驗前輕質芯體橫擔試樣Fig.6 Cross-arm samples with light weight core before thermal induction test

圖7 熱誘導試驗后輕質芯體橫擔試樣Fig.7 Cross-arm samples with light weight core after thermal induction test

由圖6～7可知，振動老化前后輕質芯體橫擔試樣在進行熱誘導試驗后均未出現界面缺陷及端面裂紋，表明輕質芯體橫擔滿足標準規定。

3 結 論

本研究制備得到輕質高絕緣泡沫芯體復合橫擔，并通過試驗分析了橫擔的各項性能，主要得到以下結論：

（1）輕質高絕緣芯體復合橫擔的密度低于實心芯體橫擔，其24 h體積吸水率低于實心芯體橫擔。

（2）輕質高絕緣芯體復合橫擔的染料滲透試驗表明，15 min內各試樣均未出現染料液貫穿的現象，說明輕質芯體橫擔內部無明顯缺陷。

（4）輕質高絕緣芯體復合橫擔進行熱誘導試驗后未出現界面缺陷及端面裂紋，橫擔性能優異。

（5）輕質高絕緣芯體復合橫擔在20 Hz頻率下進行1.2×105次振動老化后端部未出現裂紋，各項性能無明顯下降，說明耐振動老化性能較好。