800kV直流支柱复合绝缘子制造技术

1、2009 年 第 3 卷 第 4 期南 方电网 技术 高压直流输电2009，Vol. 3，No. 4SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGYHVDC Transmission文章编号：1674-0629(2009)04-0049-04中图分类号：TM721.1; TM854文献标志码：A±800kV 直流支柱复合绝缘子制造技术马斌 1，罗兵 2，李全文 1，黎小林 2，周曙琛 1（1. 南通市神马电力科技有限公司，江苏 南通 226553；2. 南方电网技术研究中心，广州 510623）摘要：特高压支柱复合绝缘子的研发是解决±800 kV 特高压直流

2、输电工程中高海拔和重污秽等问题的方法之一。根据 国内±800 kV 特高压直流输电工程对支柱复合绝缘子的技术要求，从大直径芯棒研制、整体真空注射、法兰胶装工装 等方面介绍了特高压直流支柱复合绝缘子的制造技术。关键词：特高压直流；支柱复合绝缘子；大直径芯棒Manufacture Technology of ±800 kV Post Composite InsulatorsMA Bin1, LUO Bing2, LI Quanwen1, LI Xiaolin2, ZHOU Shuchen1（1. Nantong Shenma Electric Scientific and Te

3、chnical Co., Ltd., Nantong, Jiangsu 226553, China;2. CSG Technology Research Center, Guangzhou 510623, China）Abstract: The development of post composite insulators is one of the ways to solve the problems of high altitude and heavy pollution involved in ±800 kV UHVDC transmission projects. Acco

4、rding to the technical requirements of ±800 kV UHVDCprojects in China, this paper presents the manufacture technology of the post composite insulator, including the development of big-diameter mandril, the technology of one-shot vacuume injection and the flange gluing-bonding design.Key words:

5、ultra high voltage DC; post composite insulator; big-diameter mandril“特高压输变电系统开发与示范”项目是“十 一五”国家科技支撑计划重大项目。该项目针对制 约我国特高压交、直流工程设计建设及输变电设备 制造的一批关键技术和瓶颈问题，设置了 32 个课 题，±800 kV 特高压直流输电支柱复合绝缘子的研 发是其中的课题之一。在我国实施的±800 kV 直流输电工程建设是 国内电力制造行业提升技术水平的极好机遇。2006 年下半年，南通市神马电力科技公司与中国南方电 网有限责任公司合作，根据国内±

6、800 kV 特高压直 流输电工程对支柱复合绝缘子的技术要求，开展大 直径芯棒支柱复合绝缘子的研发工作。本文介绍这种支柱复合绝缘子的制造技术，包 括其整体真空注射、法兰胶装工装等新技术。1±800 kV 直流支柱复合绝缘子结构简介支柱复合绝缘子由大直径缠绕芯棒、端部连接基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重大项目(2006BAA02A31)。 Foundation item: Project Supported by Key Project of the National Elev- enth-Five Year Research Program of China (2006BAA0

7、2A31).件、硅橡胶伞裙组成，其结构图如图 1 所示。±800 kV 直流支柱复合绝缘子以小直径芯棒 为基轴，经缠绕固化制成大直径芯棒，在芯棒的外 围粘固有高温硫化硅橡胶一次整体注射成型。其生 产过程中，存在几个关键技术：1） 硅橡胶专用料的研究、大直径芯棒的制造 工艺；1缠绕层；2小直径芯棒；3法兰； 4硅橡胶伞裙；5密封圈图 1 支柱复合绝缘子结构图Fig. 1 The Structure of Post Composite Insulator50南方电网技术第 3 卷2） 硅橡胶整体真空注射成型工艺；3） 法兰材料的研究。解决好这些关键技术是生产此产品的基础。2±8

8、00 kV 直流支柱复合绝缘子制造技术2.1硅橡胶专用料复合绝缘子作为输电线路中的一个重要部件， 其对包覆在芯棒表面的外绝缘材料的选择有严格的 要求。±800 kV 直流支柱绝缘子属于特高压等级， 大部分使用在西南高海拔，强紫外线照射等地区， 再加上直流绝缘子在运行过程中的静电吸附、电弧 电流无过零点等情况，因此它对外绝缘材料的要求 很苛刻。目前使用的绝缘子用高温硫化硅橡胶制造，并 采取了一系列改进措施：1） 使用美国 Kabot 的气相法白炭黑，粒度为2 000 目以上的氢氧化铝，同时对所有填料表面用有 机硅氧烷处理，提高了硅橡胶的耐老化和憎水性能， 同时大大提高了硅橡胶的击穿电压

9、；2） 采用高分子量的甲基乙烯基硅橡胶生胶， 并同时采用两种分子量不同的生胶，提高硅橡胶的 拉伸和撕裂强度；3） 配方中加入低粘度的低分子物质，以保证 硅橡胶的憎水性及憎水性迁移。通过这些改进措施，硅橡胶的性能有显著的提 高，改进前、后的数据如表 1 所示。表 1 硅橡胶性能参数对比表检验项目改进前数据改进后数据邵尔 A 硬度/ HA6267拉伸强度/ MPa4.24.4扯断伸长率/%220280扯断永久变形/%22体积电阻率/(·cm)7.8×10148.5×1014击穿电压/( kV·mm-1)21.025.4相对介电常数3.23.2图 2 注射模具

10、镶块排列图撕裂强度（直角）/ (kN·m-1)20.423Fig. 2 Chart of Injection MouldTab. 1 Comparison of Silicon Rubber Performance with Respect to the Change of Parameters2.2大直径环氧玻璃纤维芯棒制造工艺技术2.2.1树脂配方与固化工艺研究 在支柱芯棒生产过程中，选择合适的促进剂和增韧剂、调整树脂配方，使固化反应放热更加平缓，避免集中放热导致制品内部热应力过高，从而解决 了固化过程中制品开裂的问题。2.2.2拉挤棒的车加工处理 拉挤棒在缠绕之前，需进行车加工

11、处理，以去除拉挤棒表面富含脱模剂的表面层，保证后续缠绕 时，树脂对其能浸润良好；在拉挤棒的表面车出阻 尼螺旋槽，缠绕时，先在这些沟槽中填满环向纤维， 固化后可以增加后续缠绕层与拉挤芯棒的纵向剪切 强度。2.2.3缠绕工装设计与加工拉挤芯棒为缠绕芯模时直径只有 80 mm，并且 是一条直棒，没有封头，这样缠绕角无法保证，纤 维缠绕不能正常运行，必须设计特殊缠绕辅助工装。在拉挤芯棒两端固定销钉环，靠装配在环上的 销钉控制纱线的走向，保证缠绕角满足设计要求。 2.2.4 铺层结构设计环氧树脂的固化反应是放热反应，缠绕层过厚， 固化过程中缠绕层容易开裂；缠绕层薄，生产效率 低。根据树脂配方和固化工艺研

12、究的结果，结合生 产实践和多次试验研究的结果，确定分三次缠绕， 每次确定合理的缠绕的厚度及缠绕角度。2.3整体真空注射模具的设计及注射工艺高温硫化硅橡胶空心复合绝缘子整体真空注射 已经是一项成熟的工艺，这主要体现在注射模具工 装的自主设计与制造及注射参数设定与工艺过程控 制的日趋完善。结合制造±800 kV 支柱绝缘子的要 求，神马公司自主设计与制造出实心支柱复合绝缘 子的模具。图 2 是±800 kV 支柱绝缘子注射模具镶 块排列图。实心支柱绝缘子的注射工艺与空心绝缘子的注 射工艺相比主要区别是：实心支柱绝缘子注射时没 有芯模，需要设计特殊的起模工装；棒体在模具中 的环纵

13、向定位、棒体的保护、密封结构处理有所不第 4 期马斌，等：±800 kV 直流支柱复合绝缘子制造技术51同；注射工艺参数设定、工艺过程须重新编排。2.3.1起模工装设计 绝缘子图样和相关标准对硅橡胶外套在棒体的纵向位置和环向厚度均匀性都有明确要求，棒体的 保护、密封结构的处理与起模方式都是模具设计中 必须考虑和解决的问题。基于设计简单、加工方便、 生产操作便捷的原则，设计了专门的起模工装，集 环纵向定位、棒体保护、密封与起模于一体，使所 有问题都有效地得以解决。2.3.2界面处理 要保证绝缘子外部硅橡胶伞套与棒体间有效粘接界面的实现，要选用合适的偶联剂，设定合理的 工艺参数。温度是支

14、柱绝缘子与空心绝缘子注射工艺存在 差异的唯一参数。由于±800 kV 支柱绝缘子芯棒为 280 mm 的大直径实心棒体，从棒体表面至芯部存 在着明显的温度梯度。这温度梯度的存在增加了注射工艺的难度，其 直接后果是界面难于达到预期效果。为解决这一问 题，我们先从理论分析着手，结合实验验证，选用 合适的预处理方式与步骤，使温度参数达到工艺条 件的理想状态，从而有效解决了界面处理技术。 2.4法兰胶装工艺及端部密封结构±800 kV 支柱绝缘子端部法兰胶装技术仍沿用空心复合绝缘子的胶装技术。通过尺寸的合理设 定，具体就是棒体两端面的平行度公差之和小于产 品两端面平行度公差，从而在

15、设计上保证了要求。 另外，通过胶装夹具的合理设计，加工中心的 精准加工，提高夹具的精度来保证绝缘子两端部法 兰安装孔的位置度要求。为使产品满足机械性能要 求，胶装强度必须保证，所采取的措施为：胶装黏 合剂经机械搅拌后，进行抽真空处理，消除黏合剂 中的气泡；控制注胶的温度及速度，保证黏合剂有 合适的黏度和较好的流动性，能充满预期的胶装间隙。±800 kV 支柱绝缘子的端部密封采用的是内嵌式密封结构如图 2 所示。在硅橡胶与法兰端部留 有 4.5 mm×5.5 mm×12 mm 的间隙，法兰胶装后， 在法兰与硅橡胶间均匀涂上少许 RTV，将材质为 HTV 的密封圈 B

16、 平整的嵌入法兰与 HTV 的间隙内 形成合适的压缩量，然后在密封圈 B 上再均匀的涂 上少许 RTV，将密封圈 A 平整的嵌入 HTV 与法兰之间，密封圈 A 与密封圈 B 的接口应光滑平整且接 头应相对错开，最后在密封圈 A 的表面均匀涂上 RTV 使之形成一定的坡度，这样就能绝对阻止外部 水汽沿 HTV 与法兰的界面渗入导致电蚀。图 3 端部密封结构Fig. 3 The Structure of the Flange Gluing-Bonding2.5 法兰材料±800 kV 支柱复合绝缘子由 5 节连接而成，每 节之间需要通过法兰来连接，并满足以下要求：1） 具有很高的抗拉强

17、度，并具有良好的塑性 和韧性；2） 应用于室外，因此要对表面进行防腐蚀处 理，提高使用寿命；3） 对于平波电抗器，还要保证法兰在强磁场 作用下的温升，较高的温度会降低绝缘子胶装区胶 装剂的强度，从而影响产品的整体机械性能。针对要求 1 和 2 ，我们选择 球墨铸铁 （QT450-10），表面采用热镀锌处理（热镀锌层符 合 JB/T 81771995 规定）防腐蚀工艺。针对要求 3 的特殊要求，选用了不锈钢作为强 瓷区法兰材料，并做了相应的模拟试验。试验环境：采用型号为 BK20000/66 的并联电 抗器，支撑高度 1 286 mm。金属附件位置：位于电抗器绕组正下方地面上， 金属附件口朝下。

18、测试仪器：测温枪。 试验结论：根据计算，金属附件所处位置磁场强度为 8.405 kA/m，在该场强中不锈钢 0Cr18Ni12金属附件最高温升 25 K。大容量平波电抗器在绝缘52南方电网技术第 3 卷子顶端金属附件处的等效磁场强度为 14.572 kA/m， 根据温升正比于损耗、损耗又与磁场强度成正比的 关系，所以可推算出不锈钢 0Cr18Ni12 法兰的温升 为：T = (14.572 / 8.405) × 1.6 × 25 K = 69.3 K < T.式中，T为允许温升。根据此试验结果，在磁场较强的位置（与干式 平波电抗器连接的绝缘子元件两金属附件位置）采 用

19、不锈钢 0Cr18Ni12 作为金属附件材料。而其余绝 缘子元件位置处由于磁场比较小，仍采用力学性能 优异的球墨铸铁材料作为金属附件材料。2.6胶装用黏合剂法兰胶装部位是绝缘子抗拉、抗扭的薄弱环节， 法兰胶装强度影响绝缘子产品的抗拉、抗扭性能。 支柱绝缘子设计要求整柱绝缘子破坏抗拉强度大于 100 kN。由此推算出支柱绝缘子法兰的黏结强度应大于 12 MPa。2.6.1黏合剂选配 查阅有关资料，已知用于空心复合绝缘子铝法兰胶装的黏合剂与球墨铸铁和不锈钢的黏结强度分 别为 7.60 MPa 和 6.41 MPa。但这黏合剂不能满足支 柱绝缘子法兰胶装的要求。黏合剂配方选择主要依据黏合剂的玻璃化温

20、度 Tg、黏结强度、工作温度下的黏结强度和耐冷热循 环性等参数而定。对于±800 kV 支柱绝缘子来讲，最高工作温度 100 ，所以，黏合剂的 Tg 必须高于 115 。合适 的 Tg 作为配方筛选的第一条件。通过大量的试验，最终配出适合支柱法兰胶装 用的黏合剂。2.6.2黏合剂的冷热循环试验 为了考察黏合剂的高低温性能，按照 IEC 标准对研制出的配方进行高低温循环试验，经过 96 h 两 个周期的循环试验后，黏合剂的黏结性能见表 2。 试验结果表明，按照新配方配制的粘结剂的冷热循 环性能优良，满足 IEC 标准的要求。表 2 冷热循环后黏合剂的黏结性能 Tab. 2 Feltin

21、g Performance after Cooling and Heating Circulation试件名称黏结强度/MPa FRP/ 球墨铸铁 （室温）17.46FRP/不锈钢（室温）16.052.6.3黏合剂的固化工艺表 3 是不同固化条件下，按照新配方配制的黏 合剂的固化度。由表 3 看出，120 ，3 h 是合适的 黏合剂固化工艺。表 3 不同固化条件下黏合剂的固化度Tab. 3 The Solidification Degree under Different Temperatures固化条件固化度/%固化条件固化度/%110 ，3 h75.2120 ，2 h88.4110 ，5 h84.7120 ，3 h95.7115 ，3 h89.5120 ，4 h96.43结论&