復(fù)合絕緣子耐酸芯棒材料選擇及參數(shù)確定

1  前  言
復(fù)合絕緣子是輸電線路中懸掛導(dǎo)線的絕緣設(shè)備,它所處的位置及其作用,其產(chǎn)品性能顯得十分重要。長(zhǎng)期運(yùn)行實(shí)踐證明,復(fù)合絕緣子機(jī)械性能的安全可靠性對(duì)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的影響是相當(dāng)大的,必須引起重視。復(fù)合絕緣子運(yùn)行過(guò)程中所出現(xiàn)的機(jī)械故障,除了發(fā)生在金具與芯棒連接處工藝質(zhì)量所引起應(yīng)力不均造成常態(tài)損壞外,產(chǎn)品芯棒非連接部位外露腐蝕脆斷現(xiàn)象占有相當(dāng)?shù)谋壤?/span>
為了避免復(fù)合絕緣子機(jī)械故障的發(fā)生,在保證芯棒與金具連接處穩(wěn)定和有效防止產(chǎn)品芯棒外露的基礎(chǔ)上,產(chǎn)品應(yīng)采用耐酸性能好的芯棒。這也可以有效地減少產(chǎn)品脆斷現(xiàn)象的出現(xiàn)。要保證芯棒具有良好耐酸腐蝕性能,就必須依據(jù)芯棒中材質(zhì)構(gòu)成特點(diǎn),考慮到芯棒拉擠成型過(guò)程的具體情況,在不降低芯棒整體機(jī)電性能的基礎(chǔ)上,對(duì)芯棒所組成的原材料理選擇,芯棒拉擠成型各道工序工藝參數(shù)應(yīng)利用優(yōu)化方式來(lái)確定。
2  耐酸芯棒所組成材質(zhì)的合理確定
復(fù)合絕緣子芯棒是由玻璃纖維體和樹脂組成的。它是由玻璃纖維浸漬樹脂經(jīng)模具拉擠加熱固化而形成整體的。這種成型工藝所形成的芯棒使得纖維周圍充實(shí)樹脂而粘合,其整體性能首先取決于纖維材質(zhì)成分和樹脂各組成部分的性能。
2.1玻璃纖維的選擇
玻璃纖維是芯棒中的主體材料,起著骨架增強(qiáng)作用。就國(guó)內(nèi)復(fù)合絕緣子所采用的芯棒而言,玻璃纖維含量占芯棒總重的80%左右,其體積含量約65%左右,可見玻璃纖維性能在芯棒中起著主導(dǎo)作用。
復(fù)合絕緣子芯棒采用無(wú)堿玻璃纖維。無(wú)堿玻纖基本上都是由二氧化硅、氧化鋁和氧化硼構(gòu)成的,這些氧化物分子結(jié)構(gòu)性能是較為穩(wěn)定的,而且在材料中都以絕緣性能極好晶體相結(jié)構(gòu)狀態(tài)出現(xiàn)。玻璃材料中所含有難以清除掉的微量氧化鉀和氧化鈉,是屬于堿金屬氧化物。在材料中極容易以離子狀態(tài)存在,這對(duì)絕緣性能是不利的。但可以利用鉀、鈉離子濃度比為一定值的“中和效應(yīng)”,來(lái)降低其對(duì)材料絕緣性能的影響程度。同時(shí),玻璃材料中所含有的氧
化鈣和氧化鎂,是屬于堿金屬氧化物,它們的存在可以促使材料中晶體相的氧化物結(jié)構(gòu)組成更緊密,起著阻礙堿金屬離子通路的“壓抑效應(yīng)”,由此也可以明顯提高材料中的絕緣性能。玻璃材料結(jié)構(gòu)成分的“中和和壓抑效應(yīng)”,在無(wú)堿玻璃纖維生產(chǎn)中得以充分考慮和實(shí)施,因此芯棒采用的無(wú)堿玻璃纖維電阻率高、絕緣性能優(yōu)異。
芯棒如果采用耐酸的玻璃纖維,依據(jù)酸和水介質(zhì)腐蝕纖維的機(jī)理⁽³⁾,只有減少纖維中堿土金屬氧化物的含量,才能夠提高纖維的耐酸腐蝕性能。但這必然要破壞無(wú)堿玻璃纖維玻璃中的“中和和壓抑效應(yīng)”,促使纖維的電導(dǎo)率非線性急劇增大,降低纖維的絕緣性能。
曾對(duì)國(guó)外復(fù)合絕緣子耐酸玻璃纖維芯棒進(jìn)行水煮試驗(yàn),其泄漏電流比無(wú)堿玻璃纖維芯棒高出近10倍。對(duì)其10mm
長(zhǎng)耐酸纖維芯棒施加6kV直流電壓,其直流泄漏電流比相同試驗(yàn)條件的無(wú)堿纖維芯棒大4倍以上。也對(duì)其在140℃溫度施加6kV直流電流電壓進(jìn)行100h離子遷移試驗(yàn),其直流泄漏電流變化近2個(gè)數(shù)量級(jí),而相同試驗(yàn)條件的無(wú)堿玻纖芯棒的直流泄漏電流變化只有1.5倍左右⁽¹⁾。
由此可見,耐酸纖維與無(wú)堿纖維相比,雖然具有良好的耐酸腐蝕性能,但相應(yīng)地存在著電導(dǎo)電流大的弊病,這對(duì)始終承受高電壓作用和機(jī)械拉力的復(fù)合絕緣子芯棒來(lái)說(shuō),必然對(duì)其性能帶來(lái)一定程度的影響。尤其把耐酸纖維的芯棒用在直流復(fù)合絕緣子上,其直流電場(chǎng)作用下的離子遷移現(xiàn)象,對(duì)其性能影響程度更大。因此復(fù)合絕緣子應(yīng)采用無(wú)堿纖維芯棒。
2.2樹脂的選擇
樹脂是芯棒中的基體材料,起著包裹粘合纖維的作用。樹脂雖然只占芯棒重量的20%左右,但空間體積確占有35%以上。它的結(jié)構(gòu)性能對(duì)芯棒起著關(guān)鍵的作用,尤其對(duì)耐酸芯棒采有無(wú)堿玻璃纖維的防護(hù)性能更顯得十分重要,它直接關(guān)系到芯棒耐酸腐蝕的穩(wěn)定性。
芯棒所采用的樹脂主要是由環(huán)氧樹脂、固化劑、促進(jìn)劑和脫模劑組成的。參與組成樹脂體形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固化劑,經(jīng)與環(huán)氧樹脂基體充分混合后,其結(jié)構(gòu)中的羥基、醚基和極活潑的環(huán)氧基的存在,使得具有極強(qiáng)結(jié)合性。由此在芯棒固化成型后,樹脂不但有較好機(jī)械絕緣性能,而且與纖維有很高的粘接強(qiáng)度。同時(shí),樹脂體形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中又含有穩(wěn)定的苯環(huán)、醚鍵,其結(jié)構(gòu)既稠密又封閉,使其又具有良好的耐酸腐蝕防護(hù)性能⁽⁴⁾。所以占有樹脂中相當(dāng)比例固化劑的確定是非常重要的。在選擇固化劑過(guò)程中,首先應(yīng)考慮到樹脂固化后,避免樹脂中固化殘留物遇水生成酸所造成樹脂網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)微觀破壞。防止外部酸利用這些部位通過(guò)吸附滲透擴(kuò)散進(jìn)入內(nèi)部來(lái)破壞整體性能⁽⁵⁾。其次應(yīng)注意樹脂固化拉伸強(qiáng)度和壓縮彈性變形量,這些技術(shù)參數(shù)將直接關(guān)系到芯棒整體性能和產(chǎn)品端部壓接界面結(jié)構(gòu)連接性能的穩(wěn)定。接著在樹脂固化過(guò)程中應(yīng)采取體積膨脹性措施來(lái)消除樹脂網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力⁽⁶⁾,可以在芯棒長(zhǎng)期承載過(guò)程中,不致于由于芯棒纖維彈性變形而影響樹脂的防護(hù)性能。最后,對(duì)固化劑的選擇還應(yīng)注意到由于芯棒運(yùn)行環(huán)境溫度變化及遇到外部酸濃度的改變,不應(yīng)對(duì)樹脂耐酸性能有較大的影響。
芯棒所采用樹脂中的促進(jìn)劑是為了縮短樹脂固化時(shí)間,節(jié)約能源,適應(yīng)拉擠設(shè)備性能要求而添加的。它雖然占樹脂中少量部分,但它除了應(yīng)有縮短樹脂固化時(shí)間外,還對(duì)樹脂其它性能帶來(lái)影響。因此,在確定樹脂固化促進(jìn)劑時(shí),應(yīng)在盡量縮短樹脂固化時(shí)間的基礎(chǔ)上,考慮到加入促進(jìn)劑的樹脂固化反應(yīng)活動(dòng)性變化狀態(tài)、室溫儲(chǔ)存的穩(wěn)定性和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度變化情況結(jié)合加入促進(jìn)劑后的固化樣品介損、力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性以及耐酸腐蝕程度的對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)
,通過(guò)綜合性分析后加以確定。這必然會(huì)滿足芯棒性能要求的。
芯棒所采用樹脂中的脫模劑,是為了改善芯棒拉擠過(guò)程中操作工藝性和脫模性能而添加一種助劑。樹脂中脫模劑選擇除了要求與樹脂不發(fā)生任何反應(yīng),與金屬模具內(nèi)腔表面有潤(rùn)滑作用外,還應(yīng)與樹脂在常溫下有較好的相容性,在一定固化溫度下能夠迅速?gòu)臉渲A(yù)凝膠表面遷移到拉擠芯棒表面,從而起著良好的脫模用。然后通過(guò)芯棒后固化溫度下除去芯棒表面附有膠模劑。
3  芯棒拉擠成型主要工藝參數(shù)的分析確定
 
芯棒的拉擠成型工藝過(guò)程,是無(wú)捻玻纖粗紗,以適當(dāng)?shù)臓恳俣葟慕z槽浸漬樹脂由專用裝置預(yù)成型后,進(jìn)入模具腔內(nèi),在經(jīng)過(guò)特定的冷卻區(qū)、預(yù)熱區(qū)、膠凝區(qū)和固化反應(yīng)區(qū),通過(guò)復(fù)雜物理變化和化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行復(fù)合而成型的。芯棒的拉擠固化成型最基本工藝過(guò)程是在模具腔內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。芯棒在模具腔內(nèi)各個(gè)區(qū)域的工藝參數(shù),應(yīng)根據(jù)浸漬樹脂的纖維在模具腔內(nèi)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程所出現(xiàn)變化狀態(tài),通過(guò)分析進(jìn)行合理選擇。
模具腔冷卻區(qū)的設(shè)置,是防止腔內(nèi)回流樹脂在模具口處固化,保證浸漬樹脂纖維通過(guò)。模具腔內(nèi)足夠長(zhǎng)預(yù)熱區(qū),是利用樹脂回流遷移對(duì)完成直化及精確定位的纖維進(jìn)行充分的再浸漬。同時(shí)也利用樹脂導(dǎo)熱率低引起由內(nèi)向外流動(dòng)的特點(diǎn),迫使浸漬樹脂的纖維向模具中心聚集。
模具腔內(nèi)的膠凝區(qū),是在模具溫區(qū)不斷升高的條件下,利用纖維聚集,樹脂粘度降低,體積膨脹的三重作用,促使其在模具腔壁上所逐漸形成壓力增加和積累。并在膠凝區(qū)凝膠點(diǎn)處達(dá)到最大值。
模具腔內(nèi)的固化反應(yīng)區(qū),是在通過(guò)凝膠點(diǎn)處引發(fā)樹脂膠凝和固化反應(yīng)所發(fā)生放熱,引起樹脂溫度急劇升高,促使樹脂粘度增加而迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閳?jiān)硬的固體。芯棒在模具腔內(nèi)的成型過(guò)程,可以綜合認(rèn)為是浸漬樹脂纖維在模具腔內(nèi)通過(guò)牽引狀態(tài)的樹脂流動(dòng)、壓力分布、熱量傳遞和樹脂固化動(dòng)力等作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
利用這些在模具腔內(nèi)交叉存在的變量,都作為確定芯棒成型工藝參數(shù)是難以辦到的,也是不現(xiàn)實(shí)的,只能從芯棒在模具腔所出現(xiàn)變化參量直接因果關(guān)系來(lái)考慮。從芯棒在模具腔內(nèi)完成樹脂由液體向固化狀態(tài)轉(zhuǎn)變而成型過(guò)程來(lái)看,其樹脂的固化是模具腔內(nèi)最根本也是最關(guān)鍵的變化,它是通過(guò)樹脂固化反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。樹脂固化的“放熱曲線”是直觀反映樹脂固化反應(yīng)過(guò)程的實(shí)用曲線。由此,拉擠芯棒在模具腔各區(qū)域的工藝參數(shù),應(yīng)以芯棒所采用樹脂固化的“放熱曲線”為準(zhǔn),考慮到芯棒實(shí)際拉擠過(guò)程中的牽引速度與模腔表面摩擦、纖維間樹脂粘接狀況等因素的影響,在保證拉擠芯棒的性能基礎(chǔ)上,通過(guò)優(yōu)化調(diào)整來(lái)確定。
但還需指出,在多批量生產(chǎn)芯棒過(guò)程中,則由于受芯棒原料的波動(dòng),浸膠槽樹脂室溫存放粘度變化以及添加新膠樹脂粘度的周期性改變等因素的影響,往往使工藝參數(shù)偏離樹脂反應(yīng)固化的最佳設(shè)計(jì)條件,這將直接影響拉擠成型芯棒的性能。由此,還必須根據(jù)生產(chǎn)芯棒的實(shí)際情況,相應(yīng)對(duì)模具腔各區(qū)域的工藝參數(shù)進(jìn)行微調(diào),這才能保證批量芯棒的性能穩(wěn)定性。
4  結(jié)  論
4.1  在保證拉擠成型工藝質(zhì)量的芯棒,其纖維應(yīng)采用絕緣強(qiáng)度高,長(zhǎng)期運(yùn)行各種性能穩(wěn)定的無(wú)堿玻璃纖維。
4.2  芯棒中基體所采用環(huán)氧樹脂和固化劑的選擇除了應(yīng)具備絕緣性能好,粘接強(qiáng)度高,在芯棒運(yùn)行環(huán)境溫度變化范圍內(nèi)耐酸腐蝕性能穩(wěn)定的特點(diǎn)外,還應(yīng)有消除樹脂結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的性能。
4.3  樹脂體系中采用的促進(jìn)劑,應(yīng)在滿足實(shí)際拉擠成型芯棒要求和不降低芯棒各種性能的情況下進(jìn)行合理選擇;脫模劑應(yīng)選擇在常溫下與樹脂有良好相容性,在一定固化溫度下又都能迅速遷移拉擠芯棒外表面的材料。
4.4  芯棒拉擠成型模具腔內(nèi)各區(qū)域工藝參數(shù),應(yīng)基于樹脂固化的“放熱曲線”,通過(guò)芯棒實(shí)際拉擠的相關(guān)因素進(jìn)行修正再加以確定。
 
參 考 文 獻(xiàn)
 
1  陳原.超高壓直流合成絕緣子的研究.[D]北京清華大學(xué)博士論文,1997
2  劉子亞.電介質(zhì)物理.[M]西安交通大學(xué)出版社,1979
3  徐國(guó)平.玻璃鋼化學(xué)腐蝕性能的研究.[J]纖維復(fù)合材料,1996(1):35～42
4  上海樹脂廠.環(huán)氧樹脂生產(chǎn)與應(yīng)用.[M]石油化學(xué)工業(yè)出版社,1976
5  張福林.復(fù)合絕緣子運(yùn)行過(guò)程中芯棒出現(xiàn)脆斷原因初析.[J]電網(wǎng)技術(shù),2000(1):59～61
6  郝建軍.新型環(huán)氧樹脂固化劑及其固化樹脂性能的研究.[J]絕緣材料通訊,2000(3):5～7
7  孔慶寶.樹脂基復(fù)合材料拉擠技術(shù)的探討.[J]纖維復(fù)合材料,2000(1):50～53