252 kV GIS 用芳綸絕緣拉桿的制備和性能研究

信彥輝

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引言

隨著我國電力行業(yè)的不斷發(fā)展，對輸電、配電、變電等設(shè)備的需求也在不斷增加，但由于土地資源有限和建設(shè)成本限制等問題，對設(shè)備的體積和占地面積提出了更高的要求。因此，開發(fā)穩(wěn)定、可靠、占地面積小、受環(huán)境影響小的氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（GIS）是高壓開關(guān)設(shè)備的發(fā)展趨勢［1-2］。

絕緣拉桿是GIS連接操作機(jī)構(gòu)和本體的傳動絕緣零部件，因此對其有著更高的質(zhì)量和性能要求。芳綸纖維具有比強(qiáng)度高、密度小、比模量高，以及絕緣性、韌性及抗沖擊性好等優(yōu)點［3］，可將該纖維作為增強(qiáng)材料用來制造絕緣拉桿。然而芳綸纖維表面的極性基團(tuán)含量較低，纖維表面呈惰性，與樹脂體系的結(jié)合性能較差［4］，存在著絕緣拉桿內(nèi)部間隙、層間分離等缺陷。因此，對芳綸絕緣拉桿進(jìn)行開發(fā)和研究勢在必行。

本研究對252 kV GIS用芳綸絕緣拉桿進(jìn)行研究，為了改善芳綸纖維與環(huán)氧樹脂之間的浸潤性和界面相容性，避免內(nèi)部存在間隙等缺陷，增強(qiáng)材料采用芳綸纖維與聚酯纖維的混合編織物，在保證拉桿強(qiáng)度的同時，可改善其與環(huán)氧樹脂體系之間的黏接性能，以環(huán)氧樹脂為基體材料，采用真空壓力浸漬成型工藝，將其制備成電氣絕緣性能、機(jī)械性能優(yōu)異的絕緣拉桿。

1 試驗

1.1 主要原材料

本研究選用亨斯邁公司生產(chǎn)的雙酚A環(huán)氧樹脂和酸酐類固化劑、宜帆達(dá)公司生產(chǎn)的促進(jìn)劑和天鳥公司生產(chǎn)的芳綸/聚酯纖維織物。

1.2 主要試驗設(shè)備

本研究的試驗設(shè)備有差示掃描量熱儀、工業(yè)CT、電壓擊穿測試儀、分析天平、萬能試驗機(jī)和電性能試驗儀。差示掃描量熱儀用于測試絕緣拉桿的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；工業(yè)CT用于觀察絕緣拉桿的截面形貌；電壓擊穿測試儀用于測試絕緣拉桿的電氣強(qiáng)度；介質(zhì)損耗測量儀用于測試絕緣拉桿的介損值；分析天平用于測試絕緣拉桿的吸水率；萬能試驗機(jī)用于測試絕緣拉桿管材和成品的力學(xué)性能；電性能試驗儀用于測試絕緣拉桿成品的電性能。

1.3 絕緣拉桿的制備

1.3.1 絕緣拉桿管材的制備。為了改善環(huán)氧樹脂體系對芳綸纖維的浸潤性，提高絕緣拉桿的力學(xué)性能和電性能，本研究從芳綸纖維與聚酯纖維的混編結(jié)構(gòu)入手，經(jīng)向采用芳綸纖維束，緯向采用聚酯纖維束，混合編織成二維纖維布，這種設(shè)計可保證纖維織物與樹脂之間具有良好的浸潤性。纖維束的粗細(xì)和纖維織物的面密度將會直接影響樹脂對其的浸潤效果，本研究選用800 D的纖維束、面密度為150 g/m2的芳綸/聚酯混編布來制作絕緣拉桿，可有效解決纖維織物與環(huán)氧樹脂之間的浸潤問題，從而確保樹脂能充分浸潤纖維織物，并保證拉桿的機(jī)械強(qiáng)度。

將芳綸/聚酯纖維織物纏繞在預(yù)處理后的芯軸上，根據(jù)模具模腔的尺寸，在纏繞一定數(shù)量的纖維織物后，連同芯軸一同裝入模腔中，模具安裝完畢后，對模腔進(jìn)行真空處理。按照工藝配方要求將環(huán)氧樹脂、固化劑、促進(jìn)劑混合攪拌均勻，并對混合料液進(jìn)行脫氣處理。在真空壓力下將混合料液注入模腔中，在注入過程中混合料液要不斷浸漬纖維織物，在模腔充滿料液后，模具高溫固化后即制成管狀絕緣拉桿。質(zhì)量好的絕緣拉桿要求料液完全浸漬纖維織物，料液在一定溫度下的黏度適中，且料液對纖維織物的黏合強(qiáng)度高。

對芳綸絕緣拉桿的制備工藝進(jìn)行控制，可保證絕緣拉桿的性能和質(zhì)量的穩(wěn)定，因此，制備絕緣拉桿時必須合理地控制各個工藝過程。首先，卷坯工藝是整個絕緣拉桿制備過程中最重要的工序，卷坯的均勻程度將直接影響整個拉桿的機(jī)械強(qiáng)度，且卷坯的松緊程度還會對樹脂在布坯上的流動速度和浸漬效果產(chǎn)生影響，為了得到良好的卷坯，在進(jìn)行卷坯時，張力應(yīng)控制在25～35 N，卷布布層之間貼合均勻、密實性好、不易產(chǎn)生褶皺，將卷坯裝入模具內(nèi)不會產(chǎn)生布層堆積，對布坯進(jìn)行樹脂浸漬時，浸漬速度要均勻，不能過快或過慢，樹脂才能更充分地浸漬。其次，樹脂浸漬工序是絕緣拉桿制備成型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，會直接影響絕緣拉桿的電氣性能。對樹脂膠料和模具進(jìn)行脫氣處理，將真空度控制在10～20 mbar，以此來除去膠料中的空氣和揮發(fā)組分。為了使樹脂膠料能更加充分地浸漬布坯，應(yīng)確保充分浸漬的時間和浸漬壓力，施加浸漬壓力可使樹脂充滿布坯，有利于樹脂對纖維布的浸漬。壓力較小時，樹脂不易充滿模具，導(dǎo)致布坯各部位浸潤不充分，容易出現(xiàn)缺料、干斑等缺陷；壓力過大時，樹脂流動性過大，可能會導(dǎo)致樹脂無法及時浸漬纖維布，從而形成孔隙。因此，將浸漬時間控制在1 h以上，壓力控制在0.03～0.04 MPa。通過以上工藝的過程控制，可制備出內(nèi)部質(zhì)地均勻、密實性好的絕緣拉桿管件。

1.3.2 絕緣拉桿成品的制備。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計要求，將制備出的芳綸絕緣拉桿兩端進(jìn)行切削加工，用膠黏劑將絕緣拉桿的基體和金具固定在一起，從而制成芳綸絕緣拉桿成品。在實際應(yīng)用過程中，絕緣拉桿可承受拉力、壓力或扭力。

切削加工對絕緣拉桿成品的整體性能起著至關(guān)重要的作用。芳綸拉桿因其強(qiáng)度高、韌性好，且具有各向異性的結(jié)構(gòu)特性，導(dǎo)致其加工難度比較大，容易出現(xiàn)起層、拉毛和燒焦等加工問題，因此，選擇合適的加工方法顯得尤為重要。為了改善芳綸拉桿車削質(zhì)量，提高對芳綸纖維的切斷能力，經(jīng)過大量實踐證明，選用較為鋒利的高速鋼刀進(jìn)行加工，刀前角為10°、主偏角為45°、車削速度為50 m/min、進(jìn)刀量為0.5 mm/r。采用此方法加工出的芳綸拉桿沒有起層、拉毛等缺陷，成品質(zhì)量好，有利于將拉桿基體和金具固定在一起，提高芳綸拉桿成品的整體性能和質(zhì)量穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 絕緣拉桿的物理性能

2.1.1 絕緣拉桿的DSC測試。從絕緣拉桿上取一塊質(zhì)量約為5～10 mg的基體樹脂，在40～180℃條件下，升溫速度為10℃/min，保護(hù)氣體為氮氣，對樣品進(jìn)行DSC試驗，測試結(jié)果Tg為107℃，圖1為絕緣拉桿的DSC測試曲線。在GIS運行過程中，存在溫度上升的情況，絕緣拉桿在熱應(yīng)力和電場力的作用下，有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，從測試結(jié)果來看，可滿足絕緣拉桿在GIS中的使用要求。

圖1 絕緣拉桿的DCS曲線

2.1.2 絕緣拉桿吸水率測試。吸水率也是用來檢驗芳綸絕緣拉桿性能的一項重要指標(biāo)，要求在室溫和100℃條件下絕緣拉桿的吸水率≤0.3%［1-5］。樹脂體系對纖維織物的浸潤性越好，吸水率就越低，該指標(biāo)影響著絕緣拉桿的電氣絕緣性能。如果絕緣拉桿的吸水率較高，會使介質(zhì)的損耗升高、拉桿內(nèi)的局部缺陷增加，這些缺陷會使拉桿本身被電擊穿的風(fēng)險增大，降低拉桿的電氣絕緣性能。從絕緣拉桿上切割兩塊試樣分別泡在常溫水中和100℃的恒溫水中，用分析天平稱量試樣。常溫下拉桿的吸水率為0.17%，100℃條件下拉桿的吸水率為0.26%，所有指標(biāo)均合格，完全滿足使用要求。

2.1.3 絕緣拉桿虹吸測試。虹吸測試能直觀地反映出絕緣拉桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性。圖2是絕緣拉桿取樣虹吸測試結(jié)果的圖片。

圖2 絕緣拉桿虹吸測試

為了確保虹吸測試的準(zhǔn)確性和一致性，避免因截取絕緣拉桿試樣的位置不同而造成差異，將整根絕緣拉桿分為4個不同區(qū)域，分別截取4個試樣，然后將試樣放入裝有鋼珠和混合液的容器中，放置15 min后，發(fā)現(xiàn)4個試樣的上表面均無紅色浸潤點。試驗結(jié)果表明，芳綸/聚酯纖維織物層間的樹脂體系浸潤完全，拉桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實，沒有間隙和微小氣泡。

2.2 絕緣拉桿材料力學(xué)性能

絕緣拉桿材料的力學(xué)性能是由增強(qiáng)纖維和環(huán)氧樹脂體系共同決定的。樹脂體系與設(shè)計優(yōu)良的芳綸/聚酯纖維織物間的界面結(jié)合良好，樹脂基體能有效地將荷載均勻地傳遞到每個區(qū)域的增強(qiáng)纖維織物上，充分發(fā)揮出基體和增強(qiáng)纖維織物的優(yōu)勢，絕緣拉桿的壓縮性能、彎曲性能、剪切性能與其密切相關(guān)，在增強(qiáng)纖維織物被樹脂體系充分浸漬后，可使絕緣拉桿具有足夠的強(qiáng)度和韌性［6-7］。

對絕緣拉桿截取相關(guān)試樣，測試其壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度（見表1），從表1的性能測試結(jié)果可以看出，絕緣拉桿具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，能滿足產(chǎn)品使用要求。

表1 絕緣拉桿基材的力學(xué)性能測試結(jié)果

2.3 絕緣拉桿材料電性能

從絕緣拉桿上截取試樣進(jìn)行電氣絕緣強(qiáng)度、介質(zhì)損耗試驗，所有指標(biāo)的試驗結(jié)果均符合絕緣拉桿的電性能要求。表2為絕緣拉桿的電性能測試結(jié)果。

表2 絕緣拉桿的電性能測試結(jié)果

由表2可知，絕緣拉桿具有較高的電氣絕緣強(qiáng)度、較小的介質(zhì)損耗，絕緣拉桿的纖維織物和樹脂體系浸漬完全、內(nèi)部致密性好。如果纖維織物與樹脂體系浸漬不完全、界面結(jié)合性不好，在進(jìn)行電性能試驗時，將會直接導(dǎo)致拉桿內(nèi)部的薄弱點發(fā)生閃絡(luò)或擊穿［8-9］。

由樹脂與纖維織物復(fù)合而成的絕緣拉桿，其界面結(jié)合情況對其電氣絕緣性能起著決定性作用。為了進(jìn)一步驗證樹脂對纖維織物的浸潤效果和復(fù)合界面的結(jié)合性，本研究采用工業(yè)CT來檢測絕緣拉桿的微觀形貌結(jié)構(gòu)，通過檢測分析可得到拉桿內(nèi)部密度的均勻性、微孔隙的體積含量與分布等信息［10-11］。從圖3可以看出，拉桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，樹脂與纖維織物之間的界面結(jié)合性好、浸漬充分，與表2中的電性能測試結(jié)果一致。

圖3 絕緣拉桿的工業(yè)CT影像

2.4 絕緣拉桿成品力學(xué)性能

為驗證安裝金具后的芳綸絕緣拉桿管材的黏接性能，對拉桿的成品進(jìn)行力學(xué)性能測試，要求破壞拉力大于100 kN。通常在進(jìn)行拉桿破壞性試驗時，其承受的負(fù)荷是實際運行中承受負(fù)荷的300%。表3為芳綸拉桿成品拉力性能測試結(jié)果，制備的芳綸絕緣拉桿破壞拉力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100 kN，完全滿足工程使用條件。

表3 絕緣拉桿基材的力學(xué)性能測試結(jié)果

2.5 絕緣拉桿成品電性能

為驗證芳綸絕緣拉桿成品的整體絕緣性和實際運行使用的可靠性，對拉桿成品進(jìn)行工頻耐壓試驗、局部放電試驗和雷電沖擊試驗。將絕緣拉桿放置在充有0.5 MPa的SF6氣體中進(jìn)行絕緣試驗，合格的絕緣拉桿不會出現(xiàn)閃絡(luò)、擊穿、爆裂等現(xiàn)象，表4為拉桿成品的絕緣性能試驗結(jié)果，各項性能均達(dá)到技術(shù)要求，可在GIS產(chǎn)品中長期帶電運行。

表4 絕緣拉桿基材的力學(xué)性能測試結(jié)果

3 結(jié)論

①采用芳綸/聚酯纖維織物作為增強(qiáng)材料，樹脂作為基體材料，通過真空浸漬成型工藝制備的芳綸絕緣拉桿，其電性能、機(jī)械性能優(yōu)異，滿足產(chǎn)品的使用要求。

②制備出的絕緣拉桿壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度分別為182 MPa、267 MPa和29 MPa。

③樹脂對纖維織物具有良好的浸潤性和界面結(jié)合性，使拉桿的軸向和徑向電氣絕緣強(qiáng)度分別達(dá)到15.1 kV/mm和16.5 kV/mm，介質(zhì)損耗為0.005%。

④制備出的絕緣拉桿成品力學(xué)性能和電氣絕緣性能均達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，破壞拉力可達(dá)到176 kN，工頻耐壓460 kV/5 min和雷電沖擊±1 050 kV（1.2/50μs）各15次均無閃絡(luò)、無放電擊穿，175 kV電壓下局部放電量為0.08 pC，完全可滿足工程使用要求。