支柱复合绝缘子设计与制造技术现状分析

张广全 李挺标 张亿佳 王勇伟 焦忠政

（1.南京电气（集团）高新材料有限公司2.白云电气集团的华东总部南京电气科技集团有限公司）

0 引言

在输变电系统中支柱复合绝缘子主要应用但不限于以下设备：电抗器、隔离开关、母线支柱、阀厅支柱和电站母线支撑等。

目前中国玻璃纤维浸渍环氧树脂的玻璃钢（FRP，空心管或实心引拔棒）制造技术已经日趋成熟，加上设计结构的优化，支柱复合绝缘子的机械性能及电气性能已经能够满足252kV及以下电压等级隔离开关的使用要求。随着中国特高压输电线路的建设，更高电压等级及机械负荷的支柱复合绝缘子已经被广泛应用于换流阀厅、柔性直流输电系统、变电站等领域，其市场容量非常大。

基于目前国内市场的需求及竞争情况，在开发支柱复合绝缘子的时候，不仅要考虑其机械性能和电气性能满足相关标准要求，同时还要考虑其综合性能及经济性能的匹配，本文就支柱复合绝缘子的相关设计及制造工艺技术展开论述。

1 目前芯体结构分类

1.1 引拔芯体结构

真空注射环氧玻璃纤维引拔棒是由无碱无捻玻璃纤维纱浸渍环氧复合胶后，经真空注射、连续拉挤、固化而成的绝缘制品，具有良好的电气性能和机械强度，同时具备耐高温和耐应力腐蚀的性能。由于采用的都是纵向纤维，其弯曲强度可达到800Mpa以上，弯曲弹性模量到30Gpa以上，甚至达到40Gpa，如图1所示。

图1 引拔芯体结构生产工艺图示

传统工艺在生产大直径芯体（如直径＞220mm）的时候，在成型过程中，树脂固化放出大量的热，这会使芯体内部产生内应力，芯体内部发生微裂纹的风险。目前通过工艺调整及树脂配方的改进，玻璃纤维在充分浸渍复合胶的同时，复合胶经过预胶凝阶段使得浸渍纤维在进入模具前既能充分渗透，又能发生一定程度的性状变化，有效避免了传统拉挤工艺生产的芯棒中存在的应力集中现象的发生，从而规避了芯棒在后期使用过程中出现应力释放造成的中心开裂或出现裂纹现象，提升了产品的实用性和稳定性。因此必须重视制造工艺和选用合适的树脂配方体系，一般要求所选树脂配方体系具有放热低、强度高、适用期长的特性。

目前具备生产大直径芯体（直径＞220mm）成熟工艺经验的厂家有西安高强绝缘电气、上虞金凤凰等，其在行业内具有广泛的运行业绩。

1.2 多芯固化芯体结构

此结构产品是由多支玻璃纤维引拔棒按照一定的规律进行组合，并与环氧树脂基体进行二次复合固化制成，如图2所示。

图2 多芯固化芯体结构解剖视图

该工艺需要对单支引拔棒表面进行打磨处理，并涂覆底胶，排布时要相对均匀才能避免固化时产生内部应力，采用此结构芯体，在设计初期需注意，根据其机械受力要求尽量放大安全系数，以防产生界面裂纹而影响芯体内部绝缘性能。与此同时，当其直径足够大的时候，绝缘子在长期运行过程中，各个小芯棒之间的界面被破坏的风险就会大大降低，但是当直径过大时，其固化升温曲线即缓慢升温及升温梯度的选择就需要严格控制，控制不当易产生不良品，因此按照此工艺生产时设计初期安全系数的选择尤为重要。

目前国内代表企业是山东青州力王，在业内有较好的供货业绩。

1.3 多次多层缠绕结构

采用实芯引拔棒为内芯载体，先缠绕一层然后固化，固化完成后对其表面进行加工，然后再次缠绕，一般经过两到三次缠绕可达到尺寸要求，比如平波电抗器用支柱复合绝缘子用的芯棒直径为φ280mm。这种逐层缠绕制造内绝缘，每次缠绕树脂配方、缠绕厚度与固化工艺如何匹配是其工艺控制的关键点。各个缠绕界面如果处理不好，在气候四季温差的作用下，以及电负荷、风摆的综合作用，有产生微间隙的风险，该间隙在运行若干年后一旦贯通，对绝缘子无论是机械性能或是电气性能将是致命的，特别是±1100kV直流特高压支柱复合绝缘子的结构高度大大增高，其多次缠绕产生的界面会出现裂纹的风险大大增加。按IEC 62217∶2005《标称电压高于1000 V使用的户内和户外聚合物绝缘子 一般定义、试验方法和接收准则》，目前，此类材料的水扩散试验，在监造中发现，基本难通过。同时，针对此类问题，IEC 36C/182/NP新的草案亦否定了此类结构，并逐渐退出市场。

1.4 真空浸渍成型芯体结构

该芯棒结构的成型工艺是选用高性能的玻璃纤维，通过层联编织工艺预成型复合材料支柱芯体，然后将预成型芯体放入封闭的模腔注射复合环氧浸渍，固化成型后进行表面加工。该工艺结构的特点是纤维平直排列，可充分发挥玻璃纤维的强度和刚度，同时避免玻璃纤维弯曲而造成应力集中，解决了大直径芯体固化应力导致的微裂纹；另外芯体一次成型，也解决了多个界面存在而分层的问题。

该芯棒结构的成型工艺要求选用树脂，在常温下树脂工艺期内树脂黏度极低，同时与纤维具有良好的浸渍性，固化时放热低。树脂的这些特性是成型高性能支柱芯体的关键。

目前国内代表企业是北京玻璃钢研究院。

1.5 瓷芯外复合绝缘结构

如图3所示，该结构芯体主要是采用圆瓷柱作为支柱绝缘子的内支撑，在瓷圆柱外面注射成型或直接粘接上伞套，此结构应用于对偏移量要求小的隔离开关是一个很好的解决方案。瓷圆柱的量产可以降低制造成本，所以从实用性和经济性上都是可以被接受的。

图3 芯体加工成型原理

瓷芯外复合绝缘结构虽然解决了外绝缘污闪的问题，但是其瓷圆柱在受极限力冲击时仍存在断裂的可能，特别是结构高度大的支柱复合绝缘子，其长期运行时的机械性能需考虑。同时其伞套与瓷圆柱粘接界面及法兰胶装的可靠性，在制造过程中都应引起足够的重视。

目前国内代表企业是中材江西电瓷电气有限公司。

1.6 空心填充结构

目前市场应用较多的是充入绝缘气体，如高纯N2、SF6等，也有充入半流体（泡沫或硅脂膏），也有做内部增爬裙或者固体绝缘隔断（如硬质或软质内隔板），主要目的都是增强支柱复合绝缘子内部的电气性能。

从总体来讲，该种芯体结构会在一定程度上降低材料成本，但是面临诸多问题亟待行之有效的解决方法及试验方法进行科学验证。例如当充气体绝缘时要考虑泄漏问题（短期内不能表现的）、隔断的界面和芯体试验验证方法和标准等。

这些结构都要考虑呼吸效应引起的微渗漏，当渗漏达到极限值的时候对绝缘子的内绝缘是否构成破坏，还需要长期研究及实际运行得出。另外目前的标准如何考核该复合结构，试验方法及判定标准适不适合，也是需要大家思考和进一步研究的课题。

2 各种芯体试验情况对比论述

2.1 染色渗透试验

取各种结构φ280mm×长度1000mm，切成10mm厚度，并按照标准GB/T22079－2008进行打磨，符合标准要求的试片进行染料渗透试验，渗透时间：15min，其试验结果统计如图4和图5所示。

图4 不同芯体结构类型的染料渗透试验通过率统计图

图5 燃料渗透试验（部分）

2.2 水扩散试验

详见表1。

表1 不同芯体结构类型水扩散试验统计表

结论：表中四种结构芯体均能通过该试验。

2.3 直流击穿电压试验

详见表2。

表2 不同芯体结构类型直流击穿电压试验统计表

结论：表中四种结构芯体通过该试验。

2.4 热诱导试验

详见表3。

表3 不同芯体结构类型热诱导试验统计表

结论：表中四种结构芯体通过该试验。

本文仅做以上试验项目，建议芯棒控制指标如表4所示。

表4 支柱复合绝缘子性能指标控制表

3 端部法兰装配方式优劣势分析

目前主要有胶装和压接两种工艺方式装配端部法兰，下面介绍两种工艺的性能对比及优缺点。

3.1 胶装剂胶装结构图示

如图6所示，该工艺是在芯棒和法兰之间设置间隙，然后从下端注胶孔注胶，利用胶装剂自身重力的原理可将配合间隙里的气体慢慢推到上端并由排气孔排除，放置于加热装置中，一般固化温度在150℃±5℃，加压固化时间≥2h，固化完成后挪移到隔热垫板上缓慢降温即可。该工艺只能一端一端的胶装，固化时间较长，且在法兰形位公差的控制上需要配套相应的生产工装来实现，是现有传统生产工艺的一种。如果需要大批量化生产，需要配套多个胶装加热装置，即可以实现快速化生产。

图6 胶装剂胶装结构示意图

3.2 压接装配

该工艺特点是芯棒外径与法兰内径采用滑配合尺寸（见图7），采用六爪或八爪自动液压压接机在法兰外径上均匀施压，将法兰牢固地压接在芯棒上（见图8）。法兰壁厚、芯棒直径和压接长度是本工艺实现的重点要素，需要经过多次压接实验对比，找出合理的压接工艺参数。生产过程中压强一般控制在15~20Mpa，保压时间控制在3~8s，即可实现法兰快速装配，该工艺生产效率高，且质量可靠。

图7 压接装配结构示意图

图8 压接装配状态图

3.3 其他装配工艺

除以上两种装配工艺外，还有一种方式：过盈配合装配，该工艺是指芯棒连接部分的外径略大于法兰连接部分的内径，芯棒外径（仅连接部分）与法兰的内径（仅连接部分）分别设计有若干个凹槽，在法兰装配时，将法兰加热，使其内径膨胀到略大于芯棒的外径，然后分别在芯棒的外表面和法兰的内表面涂抹粘接剂后，将上下法兰同时套在芯棒上，利用压力机的压力将芯棒缓缓压入法兰，最后在一定温度和时间内完成粘接胶的固化，即完成法兰与芯棒的过盈装配。该工艺适用于膨胀系数较大的金属材料制成的法兰，如铝合金法兰，球墨铸铁法兰不适用。铸钢法兰由于膨胀系数较小，采用过盈配合也不能取得较好的效果。

4 伞型结构经济性及对污秽性能的影响

4.1 最新标准及招标文件要求

根据DLT 1472.2—2015 《换流站直流场用支柱复合绝缘子 第2部分尺寸与特性》及白鹤滩招标文件技术要求部分，对支柱复合绝缘子伞型提出来明确要求，随着国家电网的发展，为了适用于各种复杂的气候条件，招标单位在编制招标文件时也越来越重视伞型的设计，所以在产品开发设计阶段一定要研读这些标准及要求，以免研发的产品达不到要求而失去投标资格。

另外伞型设计的时候也要考虑其工艺性和经济性，如一个合理的伞裙设计会具有很好的脱模工艺性且不会产生气泡，伞裙的厚度上也不能过于极端（偏薄或偏厚），伞裙偏薄容易在生产过程中断伞或者不满足标准要求，如果伞裙过厚会造成不必要的胶料浪费，影响到产品的成本构成。另外伞型一定要满足标准要求，同时在能满足爬电距离尺寸的要求前提下尽量拉大伞间距，使绝缘子具有很好的污耐压水平，所以外绝缘设计是需要高度重视的一个技术。图9和表5是一种大小伞型设计的建议值，供参考。

图9 大小伞型图示

表5 支柱复合绝缘子伞型设计参数参考表

4.2 户内户外差异化及模具投入的经济性

随着国家特高压电网的大批量建设，直流输电需要大量的阀厅内支柱复合绝缘子，阀厅内用支柱复合绝缘子采用满足户内爬电距离要求的绝缘子即可，同比户外支柱复合绝缘子爬电距离小很多，如果统一采用大爬距的户外支柱绝缘子，会使户内支柱复合绝缘子制造成本上升，而且对于户内支柱绝缘子的电气性能可能有不利的影响。所以很多厂家同一芯棒规格会开制两套外绝缘成型模具，共用一个模框，这样不仅大大节省前期模具投资，还可以降低支柱复合绝缘子的制造成本，使企业更加具有竞争力。

5 结束语

根据国家电网及南方电网对支柱复合绝缘子的需求来看，目前还是主导采用实心引拔棒作为支柱复合绝缘子芯体的主流设计，对于绝缘子的机械性能、电气性能有着严格的要求，并有相关标准对其都进行了详细的规定。基于此，建议厂家在研发和制造支柱复合绝缘子的时候，还是按照两网要求为主，以避免马拉松式的研发投资。

现在相关空心支柱复合绝缘子的标准正在制定中，为了降低成本，建议企业作为技术储备，要开展空心结构的支柱复合绝缘子的研发，以应对未来市场的新需求。

行业管理部门及相关专家，在对空心支柱复合绝缘子的相关定型试验项目编制时，如芯体试验项目、试验方法及试验判定准则等，建议通过大量的试验验证来制定相关标准，以指导企业的正确研发路线和研发投入。