復合絕緣子耐酸芯棒材料選擇及參數確定

1  前  言
復合絕緣子是輸電線路中懸掛導線的絕緣設備,它所處的位置及其作用,其產品性能顯得十分重要。長期運行實踐證明,復合絕緣子機械性能的安全可靠性對電力系統經濟效益的影響是相當大的,必須引起重視。復合絕緣子運行過程中所出現的機械故障,除了發生在金具與芯棒連接處工藝質量所引起應力不均造成常態損壞外,產品芯棒非連接部位外露腐蝕脆斷現象占有相當的比例。
為了避免復合絕緣子機械故障的發生,在保證芯棒與金具連接處穩定和有效防止產品芯棒外露的基礎上,產品應采用耐酸性能好的芯棒。這也可以有效地減少產品脆斷現象的出現。要保證芯棒具有良好耐酸腐蝕性能,就必須依據芯棒中材質構成特點,考慮到芯棒拉擠成型過程的具體情況,在不降低芯棒整體機電性能的基礎上,對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應利用優化方式來確定。
2  耐酸芯棒所組成材質的合理確定
復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樹脂而粘合,其整體性能首先取決于纖維材質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,起著骨架增強作用。就國內復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作用。
復合絕緣子芯棒采用無堿玻璃纖維。無堿玻纖基本上都是由二氧化硅、氧化鋁和氧化硼構成的,這些氧化物分子結構性能是較為穩定的,而且在材料中都以絕緣性能極好晶體相結構狀態出現。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存在,這對絕緣性能是不利的。但可以利用鉀、鈉離子濃度比為一定值的“中和效應”,來降低其對材料絕緣性能的影響程度。同時,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構組成更緊密,起著阻礙堿金屬離子通路的“壓抑效應”,由此也可以明顯提高材料中的絕緣性能。玻璃材料結構成分的“中和和壓抑效應”,在無堿玻璃纖維生產中得以充分考慮和實施,因此芯棒采用的無堿玻璃纖維電阻率高、絕緣性能優異。
芯棒如果采用耐酸的玻璃纖維,依據酸和水介質腐蝕纖維的機理⁽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。但這必然要破壞無堿玻璃纖維玻璃中的“中和和壓抑效應”,促使纖維的電導率非線性急劇增大,降低纖維的絕緣性能。
曾對國外復合絕緣子耐酸玻璃纖維芯棒進行水煮試驗,其泄漏電流比無堿玻璃纖維芯棒高出近10倍。對其10mm
長耐酸纖維芯棒施加6kV直流電壓,其直流泄漏電流比相同試驗條件的無堿纖維芯棒大4倍以上。也對其在140℃溫度施加6kV直流電流電壓進行100h離子遷移試驗,其直流泄漏電流變化近2個數量級,而相同試驗條件的無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,耐酸纖維與無堿纖維相比,雖然具有良好的耐酸腐蝕性能,但相應地存在著電導電流大的弊病,這對始終承受高電壓作用和機械拉力的復合絕緣子芯棒來說,必然對其性能帶來一定程度的影響。尤其把耐酸纖維的芯棒用在直流復合絕緣子上,其直流電場作用下的離子遷移現象,對其性能影響程度更大。因此復合絕緣子應采用無堿纖維芯棒。
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。它的結構性能對芯棒起著關鍵的作用,尤其對耐酸芯棒采有無堿玻璃纖維的防護性能更顯得十分重要,它直接關系到芯棒耐酸腐蝕的穩定性。
芯棒所采用的樹脂主要是由環氧樹脂、固化劑、促進劑和脫模劑組成的。參與組成樹脂體形網狀結構的固化劑,經與環氧樹脂基體充分混合后,其結構中的羥基、醚基和極活潑的環氧基的存在,使得具有極強結合性。由此在芯棒固化成型后,樹脂不但有較好機械絕緣性能,而且與纖維有很高的粘接強度。同時,樹脂體形網狀結構中又含有穩定的苯環、醚鍵,其結構既稠密又封閉,使其又具有良好的耐酸腐蝕防護性能⁽⁴⁾。所以占有樹脂中相當比例固化劑的確定是非常重要的。在選擇固化劑過程中,首先應考慮到樹脂固化后,避免樹脂中固化殘留物遇水生成酸所造成樹脂網狀結構微觀破壞。防止外部酸利用這些部位通過吸附滲透擴散進入內部來破壞整體性能⁽⁵⁾。其次應注意樹脂固化拉伸強度和壓縮彈性變形量,這些技術參數將直接關系到芯棒整體性能和產品端部壓接界面結構連接性能的穩定。接著在樹脂固化過程中應采取體積膨脹性措施來消除樹脂網狀結構內部殘余應力⁽⁶⁾,可以在芯棒長期承載過程中,不致于由于芯棒纖維彈性變形而影響樹脂的防護性能。最后,對固化劑的選擇還應注意到由于芯棒運行環境溫度變化及遇到外部酸濃度的改變,不應對樹脂耐酸性能有較大的影響。
芯棒所采用樹脂中的促進劑是為了縮短樹脂固化時間,節約能源,適應拉擠設備性能要求而添加的。它雖然占樹脂中少量部分,但它除了應有縮短樹脂固化時間外,還對樹脂其它性能帶來影響。因此,在確定樹脂固化促進劑時,應在盡量縮短樹脂固化時間的基礎上,考慮到加入促進劑的樹脂固化反應活動性變化狀態、室溫儲存的穩定性和玻璃化轉變溫度變化情況結合加入促進劑后的固化樣品介損、力學性能、熱穩定性以及耐酸腐蝕程度的對比試驗數據
,通過綜合性分析后加以確定。這必然會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生任何反應,與金屬模具內腔表面有潤滑作用外,還應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從樹脂預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的分析確定
 
芯棒的拉擠成型工藝過程,是無捻玻纖粗紗,以適當的牽引速度從浸膠槽浸漬樹脂由專用裝置預成型后,進入模具腔內,在經過特定的冷卻區、預熱區、膠凝區和固化反應區,通過復雜物理變化和化學反應進行復合而成型的。芯棒的拉擠固化成型最基本工藝過程是在模具腔內來實現的。芯棒在模具腔內各個區域的工藝參數,應根據浸漬樹脂的纖維在模具腔內的連續運動過程所出現變化狀態,通過分析進行合理選擇。
模具腔冷卻區的設置,是防止腔內回流樹脂在模具口處固化,保證浸漬樹脂纖維通過。模具腔內足夠長預熱區,是利用樹脂回流遷移對完成直化及精確定位的纖維進行充分的再浸漬。同時也利用樹脂導熱率低引起由內向外流動的特點,迫使浸漬樹脂的纖維向模具中心聚集。
模具腔內的膠凝區,是在模具溫區不斷升高的條件下,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。并在膠凝區凝膠點處達到最大值。
模具腔內的固化反應區,是在通過凝膠點處引發樹脂膠凝和固化反應所發生放熱,引起樹脂溫度急劇升高,促使樹脂粘度增加而迅速轉變為堅硬的固體。芯棒在模具腔內的成型過程,可以綜合認為是浸漬樹脂纖維在模具腔內通過牽引狀態的樹脂流動、壓力分布、熱量傳遞和樹脂固化動力等作用來實現的。
利用這些在模具腔內交叉存在的變量,都作為確定芯棒成型工藝參數是難以辦到的,也是不現實的,只能從芯棒在模具腔所出現變化參量直接因果關系來考慮。從芯棒在模具腔內完成樹脂由液體向固化狀態轉變而成型過程來看,其樹脂的固化是模具腔內最根本也是最關鍵的變化,它是通過樹脂固化反應來實現的。樹脂固化的“放熱曲線”是直觀反映樹脂固化反應過程的實用曲線。由此,拉擠芯棒在模具腔各區域的工藝參數,應以芯棒所采用樹脂固化的“放熱曲線”為準,考慮到芯棒實際拉擠過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上,通過優化調整來確定。
但還需指出,在多批量生產芯棒過程中,則由于受芯棒原料的波動,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,往往使工藝參數偏離樹脂反應固化的最佳設計條件,這將直接影響拉擠成型芯棒的性能。由此,還必須根據生產芯棒的實際情況,相應對模具腔各區域的工藝參數進行微調,這才能保證批量芯棒的性能穩定性。
4  結  論
4.1  在保證拉擠成型工藝質量的芯棒,其纖維應采用絕緣強度高,長期運行各種性能穩定的無堿玻璃纖維。
4.2  芯棒中基體所采用環氧樹脂和固化劑的選擇除了應具備絕緣性能好,粘接強度高,在芯棒運行環境溫度變化范圍內耐酸腐蝕性能穩定的特點外,還應有消除樹脂結構殘余應力的性能。
4.3  樹脂體系中采用的促進劑,應在滿足實際拉擠成型芯棒要求和不降低芯棒各種性能的情況下進行合理選擇;脫模劑應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各區域工藝參數,應基于樹脂固化的“放熱曲線”,通過芯棒實際拉擠的相關因素進行修正再加以確定。
 
參 考 文 獻
 
1  陳原.超高壓直流合成絕緣子的研究.[D]北京清華大學博士論文,1997
2  劉子亞.電介質物理.[M]西安交通大學出版社,1979
3  徐國平.玻璃鋼化學腐蝕性能的研究.[J]纖維復合材料,1996(1):35～42
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