CN101093741B

CN101093741B - 直接承载型复合绝缘子及其制备方法

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Publication number: CN101093741B
Application number: CN2007100752910A
Authority: CN
Inventors: 秦国富; 秦琛
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2027-07-23
Also published as: CN101093741A

Abstract

本发明专利属于输变电技术领域，涉及一种直接承载型复合绝缘子及其制备方法。该绝缘子包括芯体、端部附件、护套和伞裙，芯体由多股硅橡胶粘接包裹的玻璃纤维束制成，芯体、端部附件、护套、伞裙通过硅橡胶注射工艺形成一整体。绝缘子的制备方法包括步骤：首先、将玻璃纤维表面粘接硅橡胶；其次、用玻璃纤维束将两端的挂环缠绕固定，并形成多股被硅橡胶包裹的玻璃纤维束组成的芯体；再次、将该芯体、挂环、护套和伞裙通过硅橡胶注射工艺形成一体。本发明中直接承载式复合绝缘子的承载能力大大增强、机械性能稳定、可靠；机械负荷测试值分散性小，而且芯体和挂环的连接稳定性更强，挂环与芯体的连接不会对芯体造成损坏。

Description

直接承载型复合绝缘子及其制备方法

技术领域

本发明专利属于输变电技术领域，涉及一种用于额定电压高于10kV架空输电线路，作为带电体即输电导线和接地体即杆塔之间的绝缘和机械固定用的直接承载型复合绝缘子及其制备方法。

背景技术

由于输变电的容量日益增大、电压不断升高。对架空输电线路的安全可靠性的要求也越来越高。作为输电导线与杆塔之间绝缘和机械固定之用的绝缘子在用于高压架空输电线路中时其电气绝缘性能越好、机械性能越长期稳定可靠，其使用价值越高。

目前承载型棒形悬式复合绝缘子中，承受机械负荷组件采用的是由环氧树脂粘接玻璃纤维束引拔棒，简称芯棒，及芯棒端部附件组成。芯棒承受机械负荷主体是玻璃纤维束，所承受机械负荷是通过芯棒和端部附件的连接结构传递。包括内楔式、外楔式、及压接式三种端部附件连接结构的绝缘子，以压接式连接结构为例，其传递机械负载原理是：利用连接区内被联接部件本身的过盈配合来实现的。即装配前的芯棒外径值略小于端部附件的金属套筒内径。压接装配后，金属套筒被塑性变形，内壁收缩后的内径数值反而略大于装配前的芯棒外径值，以芯棒外径被压缩形成过盈配合。相互之间是靠静摩擦力来传递机械负荷。连接区内的芯棒配合面在装配压力下受压缩，发生弹性变形，由弹性应力作为产生静摩擦力的持久正压力。在正压力作用下，当端部附件承受机械负荷拉力时，静摩擦力在芯棒和套筒之间传递机械负荷。芯棒由此间接地承受施加在绝缘子端部附件上的机械负载。

而静摩擦力是连续作用在配合面上的表面力，其最大值是与正压力大小成正比，其稳定性直接和配合面上的应力状态有关。由于芯棒和端部附件的材质、结构形状，其配合面的加工质量，及装配工艺的质量，这些都直接影响芯棒配合面应力状态。不足够的压缩量，不会产生足够弹性应力，不会产生足够的和机械拉力负荷相平衡的静摩擦力。同样不均匀的压缩量，即局部压缩过大时会使芯棒材料内部产生剪应力、张应力等应力集中，造成干扰弹性应力合力的大小及稳定，导致正压力波动或下降；由于其最大压缩量一般小于芯棒直径的1.25％，所以当有过大的压缩量，会使芯棒受损伤或发生部分脆裂，导致整个芯棒抗拉强度下降。而且在芯棒长期承受机械负荷下，芯棒材料会发生蠕变，导致连接区内的弹性应力下降。

由于芯棒的承载能力，不仅仅取决于芯棒的直径，即环氧树脂粘接包裹的玻璃纤维束的数量多少，更大程度上取决于连接区内芯棒外圆周表面被压缩状态，即表面应力状态，影响这种应力状态的因素有芯棒，及端部附件的金属套筒的材质及加工质量、装配工艺等诸多因素。这些因素影响有滞后性，波动性，很容易造成产品机械负荷测试值的分散性大。

产品按照标准JB5892-91《高压线路用有机复合绝缘子技术条件》对绝缘子进行最大机械负荷(MML)拉伸负荷试验时，对于连接区内的应力状态容易形成冲击，对连接状况造成难以预测的损伤。

综上所述，由于压接式端部附件和芯棒连接是利用被连接部件本身的过盈配合来实现的，相互之间靠静摩擦力来传递机械负荷。连接区内的芯棒配合面在装配应力下受压缩，发生弹性变形，由弹性应力作为产生静摩擦力的正压力。压接式端部附件的连接结构不仅影响其承载能力的充分发挥、而且影响其长期承载能力的稳定性、可靠性及机械负荷测试值的分散性。从而影响压接式棒形悬式复合绝缘子的承载能力，及其长期承载能力的稳定性、可靠性及机械负荷测试值的分散性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的棒形悬式复合绝缘子承载能力差、长期承载能力的稳定性、可靠性不够和机械负荷测试值分散等技术问题，本发明提供了一种新型结构和材质的直接承载型复合绝缘子。

基于该直接承载型复合绝缘子，本发明还提供了一种直接承载型复合绝缘子的制备方法。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种直接承载型复合绝缘子，包括芯体和与所述芯体端部连接的端部附件，所述芯体由硅橡胶粘接包裹的玻璃纤维束制成，所述芯体与所述端部附件的连接体的外部通过包裹硅橡胶形成一整体。

根据本发明的一优选实施例：所述端部附件为挂环。

根据本发明的一优选实施例：所述芯体与所述挂环的连接通过芯体内所述玻璃纤维束缠绕所述挂环的方式实现。

根据本发明的一优选实施例：所述芯体、所述挂环、所述护套和所述伞裙，通过硅橡胶注射工艺形成一体式结构。

根据本发明的一优选实施例：所述硅橡胶为以甲基乙烯基硅橡胶为基材的混炼胶。

为了解决现有技术中的第二个技术问题，本发明提供了一种直接承载型复合绝缘子的制备方法，所述制备方法包括步骤：第一、将玻璃纤维表面粘接硅橡胶；第二、用多股被硅橡胶包裹的所述玻璃纤维束将所述挂环缠绕固定；第三、将第二步中所述多股玻璃纤维束与所述挂环形成的固定体通过硅橡胶注射工艺制成一整体；第四、将所述第三步中所述整体物质通过硅橡胶注射工艺制出护套和伞裙，使所述芯体、所述挂环、所述护套和所述伞裙形成一体。

根据本发明的一优选实施例：所述第四步是通过将所述第三步中形成的所述整体物质放入伞裙、护套成型模内，再通过向所述成型模内注入硅橡胶的方式实现。

根据本发明的一优选实施例：所述第一步中的所述玻璃纤维的表面为经过有机硅烷表面处理剂处理过。

根据本发明的一优选实施例：所述玻璃纤维为无碱玻璃纤维。

本发明的有益效果是：由于采用了由多股硅橡胶粘接包裹玻璃纤维束形成的芯体，并用多股被硅橡胶包裹的所述玻璃纤维束将所述挂环缠绕固定成一整体的结构，由芯体内所述玻璃纤维束来直接承受施加在绝缘子上下两端挂环上的机械负载。这种新型结构的绝缘子长期承载能力的稳定性好、可靠性高，机械负荷测试时，芯体的受力均匀，使本发明中直接承载式复合绝缘子的承载能力大大增强，而且芯体和挂环的连接稳定性更强，挂环与芯体的连接不会对芯体造成损坏。

附图说明

图1、本发明直接承载型复合绝缘子及其制备方法中直接承载型复合绝缘子结构示意图；

图2、无碱玻璃纤维性能数据表；

图3、球、窝两端金具结构值的最大允许值计算数据表；

图4、直接承载型复合绝缘子挂环装配联结金具后结构计算值数据表。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对发明做进一步说明

请参阅图1本发明直接承载型复合绝缘子及其制备方法中直接承载型复合绝缘子结构示意图。如图1所示，一种直接承载型复合绝缘子，包括芯体1和与所述芯体1端部连接的端部附件12，所述芯体1由硅橡胶粘接包裹的玻璃纤维束11制成，所述芯体1与所述端部附件12的连接体的外部通过包裹硅橡胶形成一整体。所述芯体1与所述挂环12的连接通过芯体1内所述玻璃纤维束11缠绕所述挂环12的方式实现。所述护套3和所述伞裙2为一体式结构，通过硅橡胶注射工艺制成。

本发明一种直接承载型复合绝缘子的制备方法，主要包括以下步骤：第一、将玻璃纤维11表面粘接硅橡胶；第二、用多股被硅橡胶包裹的所述玻璃纤维束11将所述挂环12缠绕固定；第三、将第二步中所述多股玻璃纤维束11与所述挂环12形成的固定体通过硅橡胶注射工艺制成一整体；第四、将所述第三步中所述整体物质通过硅橡胶注射工艺制出护套3和伞裙2，使所述芯体1、所述挂环12、所述护套3和所述伞裙2形成一体。所述第四步是通过将所述第三步中形成的所述整体物质放入伞裙、护套3成型模内，再通过向所述成型模内注入硅橡胶的方式实现。

本发明中直接承载型复合绝缘子的芯体采用无碱玻璃纤维的“直接无捻粗纱”，代号为EC13-2400玻璃纤维。根据绝缘子的机械负载的等级，制作芯体的玻璃纤维，按碱金属氧化物含量0.8％以下，纤维直经为13～23μm，其线密度范围为1100～4400tex。依照GB4202《玻璃纤维代号》及行业标准JC/T277，选择适宜代号的玻璃纤维。所选用的无碱玻璃纤维所具有的性能可以参阅图2。

本发明中所采用的硅橡胶均采用以甲基乙烯基硅橡胶为基材的混炼胶进行整体注射工艺，涉及到用硅橡胶粘接玻璃纤维束11；用硅橡胶粘接多股被硅橡胶粘接包覆的玻璃纤维束11；伞裙2、护套3和芯体1之间通过硅橡胶的粘接固接和用硅橡胶粘接被硅橡胶粘接包覆的玻璃纤维束11和热镀锌钢制挂环12间的粘接。

由于整体注射工艺的注射压强高达126MPa，温度高达160℃。硅橡胶在高压、高温下，以流体状态(粘流现象)和胶粘剂及其它被粘物进行相间接触，界面间粘接过程伴随着硅橡胶硫化过程，在模腔内进行完成。在这样环境氛围下，对粘接过程产生如下有利因素：第一、高压、高温下，胶粘剂分子与被粘物分子能以分子相接触；第二、流体状态的硅橡胶，随着湿润程度增加，有利于在微观上凹凸不平的相间能充分接触，使接触面积扩大；第三、有利于粘接界面间产生化学键作用。

硅橡胶与玻璃纤维之间的粘接：在玻璃纤维拉丝时，用有机硅烷表面处理剂进行处理，使纤维表面与有机硅烷氧基通过水解缩合，形成化学键结合，而硅烷的另一端则带有反应性基团，能与硅橡胶产生交联作用，而获得牢固的结合。

硅橡胶之间粘接：硅橡胶硫化过程分二个阶段进行，第一阶段胶料在加压下，进行加热定型，称为一段硫化；第二阶段在高温传热介质中进行硫化，称为二段硫化或称为后硫化。硅橡胶之间粘接是指正进行硫化的硅橡胶和已硫化成形的硅橡胶部件之间粘接，粘接过程在硫化过程同时完成。这发生在伞裙护套分段注射制作并和芯体1固接的过程。聚合物粘接的扩散理论认为，在同一种高分子聚合物的粘接界面，由于结构形态、化学组成的一致，尤其在注射工艺高压、高温的氛围下，界面张力减小，正进行硫化的硅橡胶以流体状态进行相互接触，相互亲合，相溶性极强。扩散层厚度可在几十埃到几千埃。分子链段相互扩散深入到对方内部，粘附界面消失，形成一个交织网络过渡区，形成牢固致密的粘接。硅橡胶之间的粘接是发生在正进行硫化的和已部分硫化的硅橡胶之间。这也就意味着，在粘接界面这两部分不同状态的硅橡胶相互之间会发生硫化，即发生交联。形成粘附力很强的化学键。因此在注射工艺高压、高温的氛围下，正进行硫化的硅橡胶和已硫化成形的硅橡胶部件之间的粘接，即用硅橡胶粘接多股被硅橡胶粘接包覆的玻璃纤维束11，及硅橡胶伞裙2、护套3和芯体1之间相互的固接，能形成致密牢固的无界面的整体。这在复合绝缘子的生产实践中获得证实。

硅橡胶和挂环之间粘接。在本实施例中挂环采用热镀锌的钢制挂环12。在硅橡胶和热镀锌的钢制挂环12粘接中，实际上是硅橡胶和钢制挂环12的镀锌层之间粘接。经热浸镀锌的金属件，锌液与铁基工件表面发生了导致工件表面的化学成分和组织结构变化的反应，形成锌铁合金层与铁基体相结合。在大气腐蚀过程中锌能在表面形成一层致密、坚固、耐蚀的ZnCO₃·3Zn(OH)₂保护膜，保护了锌层不被进一步腐蚀。采用有机硅偶联剂做金属表面处理剂和胶料直接黏合增黏剂，引入与镀锌层表面氢氧化合物进行化学反应的活性基团，可以在粘接表面形成共价键。从而使用硅橡胶粘接被硅橡胶粘接包覆的玻璃纤维束11和热镀锌钢制挂环12间的粘接达到牢固的化学结合。在复合绝缘子生产实践中，以硅橡胶作为端部密封胶和钢制端部附件的镀锌层之间能形成牢固的粘接也获得证实。

特别要强调的是上述过程是在高压、高温的注射条件中完成的，流体状的硅橡胶严实地填充被粘接物之间存在的所有缝隙，形成无气隙、气泡、致密牢固的粘接。

本发明直接承载型复合绝缘子具有以下结构特点：

第一、由多股硅橡胶粘接包覆玻璃纤维束形成芯体1，并由芯体1内的玻璃纤维束11来直接承受施加在绝缘子上下两端挂环12上的机械负载。

第二、所述绝缘子的各部件，芯体1、伞裙2、护套3、玻璃纤维束11、挂环12间的组合均采用硅橡胶进行整体注射工艺，硫化后浑然一体。形成很少界面的绝缘实体，成柔性棒形绝缘子。

第三、是该绝缘子的挂环和输电导线、杆塔接地之间机械固定，即绝缘子的组装，可通过选配送电线路金具，连接起来。如可通过配用额定机械拉伸负荷相当的QB型球头挂板、WS型碗头挂板和球窝连接的棒形悬式复合绝缘子进行互换；如可通过配用额定机械拉伸负荷相当的Z型挂板(GB2327-83)，或P型挂板(GB2327-83)直接和其它联结金具联结。当配用相应的联接金具后，直接承载型复合绝缘子的结构高度(H)和最小电弧距离仍将符合JB/T8460-1996《高压线路用棒形悬式复合绝缘子尺寸与特性》标准的相应参数要求。如以下所述的说明：从标准：JB/T8460-1996《高压线路用棒形悬式复合绝缘子尺寸与特性》标准中的“绝缘子主要尺寸与特性”中，从绝缘子型号FXB2-220/100抽取二种机械负荷等级，不同的相应的参数，分别进行球、窝两端金具结构值的最大允许值的计算，如图2。

具体计算式为：

M＝H-h式中：

M表示球、窝两端金具结构值的最大允许值；

H表示绝缘子的结构高度；

h表示绝缘子的最小电弧距离。

根据上述计算公式，可以得到球、窝两端金具结构值的最大允许值计算数据表，该表可以参阅图3。

从《电力工程高压送电线路设计手册第二版》(国电公司，东北电力设计院编.北京：中国电力出版社，2002)中，选取联结金具和直接承载型复合绝缘子的挂环装配后，按该资料所提供的数据，进行两端金具组合后结构值L计算。

具体计算式为：

J_Q＝h+R； J_W＝h+R； L＝J_Q+J_W

式中：J_Q表示挂环和QB型球头挂板装配后结构计算值；

J_W表示挂环和WS型碗头挂板装配后结构计算值；

L表示两端金具装配后结构计算值合计；

h表示金具两端联结点间距离；

R表示挂环伸出端最大设计值。

其计算结果可以参阅图4直接承载型复合绝缘子挂环装配联结金具后结构计算值数据表。

从图3和图4的计算结果可视：直接承载型复合绝缘子在挂环上装配联结金具后结构计算值合计L，远小于标准的球、窝两端金具结构值的最大允许值M要求。

结构特点第四方面是该绝缘子的额定电压、额定机械拉伸负荷、结构高度、最小电弧距离、最小公称爬电距离等设计参数参照JB/T8460-1996《高压线路用棒形悬式复合绝缘子尺寸与特性》标准的相应参数进行设计；复合绝缘子的剖面形状等设计参数，符合IEC标准(国际电工委员会IEC报告出版物815第一版1986)。

本发明直接承载型复合绝缘子还具有以下性能特点：

第一、由于玻璃纤维束直接承受施加在绝缘子上的机械负载，没有类似压接式的连接结构对其承载能力产生制约，及其长期承载能力的稳定性、可靠性以及对机械负荷测试值分散性所产生的不良影响；可避免在对产品进行最大机械负荷检测时产生类似的对应力状态形成冲击，对连接状况造成难以预测的损伤。

第二、因产品制造应符合JB5892-91《高压线路用有机复合绝缘子技术条件》标准相应的要求，伞裙护套是由硅橡胶制作，因而具有有机复合绝缘子同样优良的防湿闪和污闪的性能。不必进行清扫、不要测零，维护工作量大大减少。

第三、因产品相关设计参数按参照JB/T8460-1996《高压线路用棒形悬式复合绝缘子尺寸与特性》标准；复合绝缘子的剖面形状等设计参数，符合IEC标准，因而和其它类型的棒形悬式复合绝缘子互换性强。

第四、因芯体是由多股硅橡胶粘接包覆玻璃纤维束，经硅橡胶整体注射工艺，使玻璃纤维束和挂环硫化后，浑成一体，形成柔性棒形实体。硫化后的硅橡胶弹性、明显大于固化后的环氧树脂类，所形成的柔性棒形实体的抗弯曲性、扭曲性显著优于环氧树脂粘接玻璃纤维束引拔棒。

第五、由于伞裙、护套、芯体的基体材料都是硅橡胶，经整体注射硫化后，浑然一体，伞裙、护套、及芯体之间很少界面，显著提高其绝缘的电性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种直接承载型复合绝缘子，包括芯体(1)和与所述芯体(1)端部连接的端部附件(12)，其特征在于：所述芯体(1)由硅橡胶粘接包裹的玻璃纤维束(11)制成，所述芯体(1)与所述端部附件(12)的连接体的外部通过包裹硅橡胶形成一整体，所述硅橡胶为以甲基乙烯基硅橡胶为基材的混炼胶。

2.根据权利要求1所述的复合绝缘子，其特征在于：所述端部附件(12)为挂环(12)。

3.根据权利要求2所述的复合绝缘子，其特征在于：所述芯体(1)与所述挂环(12)的连接通过芯体内所述玻璃纤维束(11)缠绕所述挂环(12)的方式实现。

4.根据权利要求2所述的复合绝缘子，其特征在于：进一步包括护套(3)和伞裙(2)，所述芯体(1)、所述挂环(12)、所述护套(3)和所述伞裙(2)通过硅橡胶注射工艺形成一体式结构。

5.一种直接承载型复合绝缘子的制备方法，其特征在于所述制备方法包括步骤：

A1.将玻璃纤维表面粘接硅橡胶；

A2.用多股被硅橡胶粘接包裹的玻璃纤维束(11)将挂环(12)缠绕固定，所述多股被硅橡胶粘接包裹的所述玻璃纤维束(11)形成芯体；

A3.将A2步中所述多股玻璃纤维束(11)与所述挂环(12)形成的固定体通过硅橡胶注射工艺制成一整体；

A4.将所述A3步中所述整体物质通过硅橡胶注射工艺制出护套(3)和伞裙(2)，使所述芯体(1)、所述挂环(12)、所述护套(3)和所述伞裙(2)形成一体。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述A4步是通过将所述A3步中形成的所述整体物质放入伞裙(3)、护套(2)成型模内，再通过向所述成型模内注入硅橡胶的方式实现。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述A1步中的所述玻璃纤维的表面为经过有机硅烷表面处理剂处理过。

8.根据权利要求5或7所述的制备方法，其特征在于：所述玻璃纤维为无碱玻璃纤维。