复合绝缘子用胶装剂性能优化研究

司晓闯 齐小乔 王彩君 陈蕊

摘 要：对复合绝缘子法兰用胶装剂的配方进行了优化调整，测定了调整后胶装剂配方的凝胶时间、玻璃化转变温度、力学性能和击穿电压等参数，并与在用的胶装剂配方进行了对比，进行了样机破坏负荷试验。结果表明：以甲基纳迪克酸酐为固化剂，新加入LD-410增韧剂，拉伸强度提高了9.2 MPa，弯曲强度提高了22.5 MPa，冲击强度提高了0.9 kJ/m2，击穿强度提高了3 kV/mm，复合绝缘子样机通过了破坏负荷试验验证，满足使用要求。

关键词：环氧树脂;胶装剂;复合绝缘子

中图分类号：TM215.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）08-0129-03

Study on Performance Optimization of Epoxy Resin Binder

for Composite Insulator

SI Xiaochuang1 QI Xiaoqiao2 WANG Caijun3 CHEN Rui1

（1.Pinggao Group Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467001;2.Henan Pinggao General Electric Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467001;3. Henan Pinggao Electric Co.Ltd.，Pingdingshan Henan 467001）

Abstract： The formulation of the glue for the composite insulator flange was optimized and adjusted. The gelation time， glass transition temperature， mechanical properties and breakdown voltage of the binder were determined. The parameters were compared with those of the binder used in the composite insulator， and the failure load test of the prototype was verified. The results show that the tensile strength is increased by 9.2 MPa， bending strength is increased by 22.5 MPa， impact strength is increased by 0.9 kJ/m2， breakdown strength is increased by 3 kV/mm， and the composite insulation sub sample machine has passed the test verification of failure load， which meets the requirements of application.

Keywords： epoxy resin;binder;composite insulator

復合绝缘子作为高压电气行业中必备的绝缘部件，被广泛应用于地理信息系统（Geographic Information System，GIS）、罐式断路器、输电线路、变电站中。复合绝缘子自身具有良好的憎水性和憎水迁移性，使得其抗污闪能力强，同时，其还具有不检零、不清扫、重量轻、运输安装方便等诸多优点[1]。近年来，随着电力产业的蓬勃发展，复合绝缘子在电力行业中的应用越来越多。在结构上，复合绝缘子主要由硅橡胶伞裙护套、玻璃纤维缠绕管（芯棒）和端部金属附件组成。复合绝缘子在使用过程中，端部金属附件起到连接和传递载荷的作用。在生产过程中，一个重要的工艺环节是端部金属附件与玻璃纤维缠绕管（芯棒）的粘接，即法兰的胶装。将胶装剂注入端部金属附件与玻璃纤维管（芯棒）的间隙内，加热固化，形成三维交联结构的固化物，把两者结合成一个整体[2]。端部金属附件与玻璃纤维缠绕管（芯棒）之间的最终粘接效果将严重影响绝缘子的使用寿命。这与胶装剂的自身机械性能参数和产品的结构设计有很大关系。近年来，随着特高压直流穿墙套管的国产化替代，运行工况对复合绝缘子的法兰胶装强度提出了更高的要求。本文在不改变原胶装剂环氧树脂-酸酐固化体系的情况下，通过对配方的调整优化，提高胶装剂的拉伸、弯曲和冲击等机械性能，进而增强复合绝缘子（特别是轴线与水平线成小角度夹角安装）长期运行的可靠性。

1 试验部分

1.1 主要原料

环氧树脂：CYD-128（中石化巴陵石化分公司）;增韧剂：LD-410环氧活性增韧剂（利鼎电子材料有限公司）、聚癸二酸酐（温州清明化工有限公司）;固化剂：甲基纳迪克酸酐（市售）、甲基四氢基苯酐（大连金世光电材料有限公司）;硅微粉400目（东海县白塔埠镇誉文石英制品厂）;促进剂。

1.2 试样制备

将模具和硅微粉放置在烘箱中预烘2 h以上;将环氧树脂加热，降低黏度，然后加入预烘好的硅微粉等，采用手工搅拌的方法，按照同一方向搅拌，直至目测无颗粒状硅微粉;依次按比例加入固化剂、增韧剂和促进剂，充分搅拌均匀，目测分层、沉淀后，浇入模具中;将模具放入烘箱固化2 h后关闭烘箱，模具从炉温降至室温脱模。

1.3 试验方法

凝胶时间使用DV2TRV黏度计进行测试，测试方法参照《环氧树脂凝胶时间测定方法》（GB 12007.7—1989），测试温度为70～120 ℃。

拉伸强度使用INSTRON万能试验机进行测试，试验方法参照《塑料 拉伸性能的测定 第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件》（GB/T 1040.2—2006），拉伸速率为5 mm/min。

彎曲强度使用INSTRON万能试验机进行测试，试验方法参照《塑料 弯曲性能的测定》（GB/T 9341—2008），速度为5 mm/min。

冲击强度使用ZBC1251-C摆锤式冲击试验机进行测试，试验方法参照《塑料 简支梁冲击性能的测定 第1部分：非仪器化冲击试验》（GB/T 1043.1—2008）。

玻璃化转变温度使用差示热分析仪进行测试，试验方法参照《电气绝缘材料 测定玻璃化转变温度的试验方法》（GB/T 22567—2008）。

击穿强度使用GCSTD-C电压击穿测试仪进行测试，试验方法参照《绝缘材料电气强度试验方法 第1部分：工频下试验》（GB/T 1408.1—2006）的规定，测试试样厚度为2 mm，在变压器油中进行测试，升压速度为2 000 V/s。

2 结果与讨论

2.1 配方调整

原胶装剂的主要成分为：CYD-128环氧树脂、甲基四氢苯酐、聚癸二酸酐、硅微粉、促进剂等。优化后的胶装剂的主要成分为：CYD-128环氧树脂、甲基纳迪克酸酐、聚癸二酸酐、LD-410、硅微粉、促进剂等。与原胶装剂相比，优化后的胶装剂采用甲基纳迪克酸酐作为固化剂，同时增加了LD-410增韧剂组分。甲基纳迪克酸酐是浅黄色液体，由甲基环戊二烯与顺丁烯二酸酐加成反应得到。在室温下，甲基纳迪克酸酐与环氧树脂容易混合，配制品使用周期长，固化时放热量少，固化物体积收缩小，电性能好，特别是耐电弧性能特好，耐热老化性能优良，适用于浇注、浸渍、层状绝缘制品[3]。LD-410增韧剂为无色、低黏度透明液体，是一类长链线性分子结构中含有羟基官能团的聚醚化合物。羟基是一活性反应基团，能参与固化反应，对环氧树脂-酸酐固化反应不产生阻滞或促进等影响，可使固化物交联网络结构中醚网络比例增加，能提高固化产物的机械力学性能、电气绝缘性能、抗开裂性和冲击性。

为了验证原胶装剂的性能，给新胶装剂配方技术参数指标提供参考，对原胶装剂的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、击穿强度等关键机械、电气性能参数进行测试，结果如表1所示。

2.2 凝胶时间

凝胶时间是指液态树脂或胶液在规定温度下由液态转换为固态凝胶所需的时间，对于热固性树脂，是指从添加促进剂后到形成凝胶的时间[4]。在实际的法兰胶装过程中，通过热板与法兰之间的热传导，提高法兰的温度，并保持高温，为胶装剂的固化提供热量。在一定温度下，胶装剂凝胶时间是提高胶装效率和降低能耗成本的重要控制因素。优化后的胶装剂配方，凝胶时间与温度的关系如图1所示。从图1可知，随着温度的提高，凝胶时间逐渐降低，当固化温度为100 ℃时，凝胶时间为21 min，与原胶装剂相比，凝胶时间基本相当。

2.3 玻璃化转变温度

玻璃化转变温度是衡量材料热性能的一个重要参数，材料的许多特性都在玻璃化转变温度附近发生急剧变化，导致性能失效。在复合绝缘子的使用过程中，在环境温度和内部温度的综合作用下，法兰部位的温度逐渐升高，最终达到动态平衡。相关技术条件规定，复合绝缘子的使用温度不超过80 ℃，在有一定裕度的情况下，不超过100 ℃，因此，胶装剂的玻璃化转变温度大于此数即可满足使用要求。配方调整后，胶装剂的玻璃化转变温度测试结果如图2所示。由2图可知，玻璃化转变温度为107.8 ℃，比原胶装剂低4.5 ℃，材料的耐热性较好，满足使用要求。

2.4 机械、电气性能

在100 ℃的温度下，制备新胶装剂拉伸、弯曲、冲击和击穿强度测试试样，每种试样10片，结果取算术平均值，最终测试结果与原配方对比如表2所示。从表2可知，拉伸强度提高了9.2 MPa，弯曲强度提高了22.5 MPa，冲击强度提高了0.9 kJ/m2，击穿强度提高了3 kV/mm。相比原胶装剂配方，新胶装剂的机械、电气性能参数均有不同程度的提高，有利于增强复合绝缘子运行的可靠性。

2.5 样机破坏负荷试验

利用新胶装剂进行了复合绝缘子的法兰胶装，按照《外和户内电气设备用空心复合绝缘子定义、试验方法、接收准则和设计推荐》（GB/T 21429—2008）进行了内压力和弯曲破坏试验[5]。固化工艺条件：温度为100 ℃，固化时间为2 h。固化完成后对绝缘子进行了机械破坏试验，在小于3.2 MPa的压力下未被破坏，如图3（a）所示。在24 kN弯曲负荷下未被破坏，如图3（b）所示，样机通过试验，满足使用要求。

3 结论

采用甲基纳迪克酸酐作为固化剂，同时新增加LD-410增韧剂组分，对复合绝缘子法兰胶装剂配方进行了优化调整。优化后，凝胶时间基本不变，胶装剂拉伸强度、弯曲强度、冲击强度和击穿强度分别为54.1 MPa、76.9 MPa、6.3 kJ/m2和31 kV/mm，与优化前均有不同程度的提高;玻璃化转变温度为107.8 ℃，具有较好的耐热性能，虽然与原配方相比，该参数有所降低，但满足复合绝缘子产品的使用条件。采用此胶装剂的空心复合绝缘子样机，顺利通过了内压力和弯曲破坏负荷试验，未见明显破坏。由此可见，优化后的胶装剂配方满足空心复合绝缘子产品的法兰胶装需求，具有推广应用价值。

参考文献：

[1]许喆.复合绝缘子的长期运行性能试验研究[D].济南：山东大学，2009：102.

[2]井琼琼，司晓闯，张倩，等.混料工艺对法兰胶装剂性能的影响[J].河南科技，2013（18）：60-61.

[3]俞翔霄，俞赞琪，陆惠英.环氧树脂电绝缘材料[M].北京：化学工业出版社，2007：26-27.

[4]王箴.化工辞典[M].北京：化学工业出版社，2010：56.

[5]国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.户外和户内电气设备用空心复合绝缘子定义、试验方法、接收准则和设计推荐：GB/T 21429—2008[S].北京：中国标准出版社，2008.