复合绝缘子耐酸芯棒材料选择及参数确定

1  前  言
复合绝缘子是输电线路中悬挂导线的绝缘设备,它所处的位置及其作用,其产品性能显得十分重要。长期运行实践证明,复合绝缘子机械性能的安全可靠性对电力系统经济效益的影响是相当大的,必须引起重视。复合绝缘子运行过程中所出现的机械故障,除了发生在金具与芯棒连接处工艺质量所引起应力不均造成常态损坏外,产品芯棒非连接部位外露腐蚀脆断现象占有相当的比例。
为了避免复合绝缘子机械故障的发生,在保证芯棒与金具连接处稳定和有效防止产品芯棒外露的基础上,产品应采用耐酸性能好的芯棒。这也可以有效地减少产品脆断现象的出现。要保证芯棒具有良好耐酸腐蚀性能,就必须依据芯棒中材质构成特点,考虑到芯棒拉挤成型过程的具体情况,在不降低芯棒整体机电性能的基础上,对芯棒所组成的原材料理选择,芯棒拉挤成型各道工序工艺参数应利用优化方式来确定。
2  耐酸芯棒所组成材质的合理确定
复合绝缘子芯棒是由玻璃纤维体和树脂组成的。它是由玻璃纤维浸渍树脂经模具拉挤加热固化而形成整体的。这种成型工艺所形成的芯棒使得纤维周围充实树脂而粘合,其整体性能首先取决于纤维材质成分和树脂各组成部分的性能。
2.1玻璃纤维的选择
玻璃纤维是芯棒中的主体材料,起着骨架增强作用。就国内复合绝缘子所采用的芯棒而言,玻璃纤维含量占芯棒总重的80%左右,其体积含量约65%左右,可见玻璃纤维性能在芯棒中起着主导作用。
复合绝缘子芯棒采用无碱玻璃纤维。无碱玻纤基本上都是由二氧化硅、氧化铝和氧化硼构成的,这些氧化物分子结构性能是较为稳定的,而且在材料中都以绝缘性能极好晶体相结构状态出现。玻璃材料中所含有难以清除掉的微量氧化钾和氧化钠,是属于碱金属氧化物。在材料中极容易以离子状态存在,这对绝缘性能是不利的。但可以利用钾、钠离子浓度比为一定值的“中和效应”,来降低其对材料绝缘性能的影响程度。同时,玻璃材料中所含有的氧
化钙和氧化镁,是属于碱金属氧化物,它们的存在可以促使材料中晶体相的氧化物结构组成更紧密,起着阻碍碱金属离子通路的“压抑效应”,由此也可以明显提高材料中的绝缘性能。玻璃材料结构成分的“中和和压抑效应”,在无碱玻璃纤维生产中得以充分考虑和实施,因此芯棒采用的无碱玻璃纤维电阻率高、绝缘性能优异。
芯棒如果采用耐酸的玻璃纤维,依据酸和水介质腐蚀纤维的机理⁽³⁾,只有减少纤维中碱土金属氧化物的含量,才能够提高纤维的耐酸腐蚀性能。但这必然要破坏无碱玻璃纤维玻璃中的“中和和压抑效应”,促使纤维的电导率非线性急剧增大,降低纤维的绝缘性能。
曾对国外复合绝缘子耐酸玻璃纤维芯棒进行水煮试验,其泄漏电流比无碱玻璃纤维芯棒高出近10倍。对其10mm
长耐酸纤维芯棒施加6kV直流电压,其直流泄漏电流比相同试验条件的无碱纤维芯棒大4倍以上。也对其在140℃温度施加6kV直流电流电压进行100h离子迁移试验,其直流泄漏电流变化近2个数量级,而相同试验条件的无碱玻纤芯棒的直流泄漏电流变化只有1.5倍左右⁽¹⁾。
由此可见,耐酸纤维与无碱纤维相比,虽然具有良好的耐酸腐蚀性能,但相应地存在着电导电流大的弊病,这对始终承受高电压作用和机械拉力的复合绝缘子芯棒来说,必然对其性能带来一定程度的影响。尤其把耐酸纤维的芯棒用在直流复合绝缘子上,其直流电场作用下的离子迁移现象,对其性能影响程度更大。因此复合绝缘子应采用无碱纤维芯棒。
2.2树脂的选择
树脂是芯棒中的基体材料,起着包裹粘合纤维的作用。树脂虽然只占芯棒重量的20%左右,但空间体积确占有35%以上。它的结构性能对芯棒起着关键的作用,尤其对耐酸芯棒采有无碱玻璃纤维的防护性能更显得十分重要,它直接关系到芯棒耐酸腐蚀的稳定性。
芯棒所采用的树脂主要是由环氧树脂、固化剂、促进剂和脱模剂组成的。参与组成树脂体形网状结构的固化剂,经与环氧树脂基体充分混合后,其结构中的羟基、醚基和极活泼的环氧基的存在,使得具有极强结合性。由此在芯棒固化成型后,树脂不但有较好机械绝缘性能,而且与纤维有很高的粘接强度。同时,树脂体形网状结构中又含有稳定的苯环、醚键,其结构既稠密又封闭,使其又具有良好的耐酸腐蚀防护性能⁽⁴⁾。所以占有树脂中相当比例固化剂的确定是非常重要的。在选择固化剂过程中,首先应考虑到树脂固化后,避免树脂中固化残留物遇水生成酸所造成树脂网状结构微观破坏。防止外部酸利用这些部位通过吸附渗透扩散进入内部来破坏整体性能⁽⁵⁾。其次应注意树脂固化拉伸强度和压缩弹性变形量,这些技术参数将直接关系到芯棒整体性能和产品端部压接界面结构连接性能的稳定。接着在树脂固化过程中应采取体积膨胀性措施来消除树脂网状结构内部残余应力⁽⁶⁾,可以在芯棒长期承载过程中,不致于由于芯棒纤维弹性变形而影响树脂的防护性能。最后,对固化剂的选择还应注意到由于芯棒运行环境温度变化及遇到外部酸浓度的改变,不应对树脂耐酸性能有较大的影响。
芯棒所采用树脂中的促进剂是为了缩短树脂固化时间,节约能源,适应拉挤设备性能要求而添加的。它虽然占树脂中少量部分,但它除了应有缩短树脂固化时间外,还对树脂其它性能带来影响。因此,在确定树脂固化促进剂时,应在尽量缩短树脂固化时间的基础上,考虑到加入促进剂的树脂固化反应活动性变化状态、室温储存的稳定性和玻璃化转变温度变化情况结合加入促进剂后的固化样品介损、力学性能、热稳定性以及耐酸腐蚀程度的对比试验数据
,通过综合性分析后加以确定。这必然会满足芯棒性能要求的。
芯棒所采用树脂中的脱模剂,是为了改善芯棒拉挤过程中操作工艺性和脱模性能而添加一种助剂。树脂中脱模剂选择除了要求与树脂不发生任何反应,与金属模具内腔表面有润滑作用外,还应与树脂在常温下有较好的相容性,在一定固化温度下能够迅速从树脂预凝胶表面迁移到拉挤芯棒表面,从而起着良好的脱模用。然后通过芯棒后固化温度下除去芯棒表面附有胶模剂。
3  芯棒拉挤成型主要工艺参数的分析确定
 
芯棒的拉挤成型工艺过程,是无捻玻纤粗纱,以适当的牵引速度从浸胶槽浸渍树脂由专用装置预成型后,进入模具腔内,在经过特定的冷却区、预热区、胶凝区和固化反应区,通过复杂物理变化和化学反应进行复合而成型的。芯棒的拉挤固化成型最基本工艺过程是在模具腔内来实现的。芯棒在模具腔内各个区域的工艺参数,应根据浸渍树脂的纤维在模具腔内的连续运动过程所出现变化状态,通过分析进行合理选择。
模具腔冷却区的设置,是防止腔内回流树脂在模具口处固化,保证浸渍树脂纤维通过。模具腔内足够长预热区,是利用树脂回流迁移对完成直化及精确定位的纤维进行充分的再浸渍。同时也利用树脂导热率低引起由内向外流动的特点,迫使浸渍树脂的纤维向模具中心聚集。
模具腔内的胶凝区,是在模具温区不断升高的条件下,利用纤维聚集,树脂粘度降低,体积膨胀的三重作用,促使其在模具腔壁上所逐渐形成压力增加和积累。并在胶凝区凝胶点处达到最大值。
模具腔内的固化反应区,是在通过凝胶点处引发树脂胶凝和固化反应所发生放热,引起树脂温度急剧升高,促使树脂粘度增加而迅速转变为坚硬的固体。芯棒在模具腔内的成型过程,可以综合认为是浸渍树脂纤维在模具腔内通过牵引状态的树脂流动、压力分布、热量传递和树脂固化动力等作用来实现的。
利用这些在模具腔内交叉存在的变量,都作为确定芯棒成型工艺参数是难以办到的,也是不现实的,只能从芯棒在模具腔所出现变化参量直接因果关系来考虑。从芯棒在模具腔内完成树脂由液体向固化状态转变而成型过程来看,其树脂的固化是模具腔内最根本也是最关键的变化,它是通过树脂固化反应来实现的。树脂固化的“放热曲线”是直观反映树脂固化反应过程的实用曲线。由此,拉挤芯棒在模具腔各区域的工艺参数,应以芯棒所采用树脂固化的“放热曲线”为准,考虑到芯棒实际拉挤过程中的牵引速度与模腔表面摩擦、纤维间树脂粘接状况等因素的影响,在保证拉挤芯棒的性能基础上,通过优化调整来确定。
但还需指出,在多批量生产芯棒过程中,则由于受芯棒原料的波动,浸胶槽树脂室温存放粘度变化以及添加新胶树脂粘度的周期性改变等因素的影响,往往使工艺参数偏离树脂反应固化的最佳设计条件,这将直接影响拉挤成型芯棒的性能。由此,还必须根据生产芯棒的实际情况,相应对模具腔各区域的工艺参数进行微调,这才能保证批量芯棒的性能稳定性。
4  结  论
4.1  在保证拉挤成型工艺质量的芯棒,其纤维应采用绝缘强度高,长期运行各种性能稳定的无碱玻璃纤维。
4.2  芯棒中基体所采用环氧树脂和固化剂的选择除了应具备绝缘性能好,粘接强度高,在芯棒运行环境温度变化范围内耐酸腐蚀性能稳定的特点外,还应有消除树脂结构残余应力的性能。
4.3  树脂体系中采用的促进剂,应在满足实际拉挤成型芯棒要求和不降低芯棒各种性能的情况下进行合理选择;脱模剂应选择在常温下与树脂有良好相容性,在一定固化温度下又都能迅速迁移拉挤芯棒外表面的材料。
4.4  芯棒拉挤成型模具腔内各区域工艺参数,应基于树脂固化的“放热曲线”,通过芯棒实际拉挤的相关因素进行修正再加以确定。
 
参 考 文 献
 
1  陈原.超高压直流合成绝缘子的研究.[D]北京清华大学博士论文,1997
2  刘子亚.电介质物理.[M]西安交通大学出版社,1979
3  徐国平.玻璃钢化学腐蚀性能的研究.[J]纤维复合材料,1996(1):35～42
4  上海树脂厂.环氧树脂生产与应用.[M]石油化学工业出版社,1976
5  张福林.复合绝缘子运行过程中芯棒出现脆断原因初析.[J]电网技术,2000(1):59～61
6  郝建军.新型环氧树脂固化剂及其固化树脂性能的研究.[J]绝缘材料通讯,2000(3):5～7
7  孔庆宝.树脂基复合材料拉挤技术的探讨.[J]纤维复合材料,2000(1):50～53