空心復合絕緣子的結構設計研究

司曉闖 徐衛星 張 倩

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467013）

0 引言

自20世紀50年代以來，美國就開始研究和使用復合絕緣子，主要使用環氧樹脂、樹脂增強玻璃鋼芯棒、橡膠或氟塑料等聚合材料。到80年代，美國、德國等國的復合絕緣子發展非常迅速，主要有以美國為代表的乙丙橡膠復合絕緣子和以德國為代表的高溫硫化硅橡膠復合絕緣子。

我國對復合絕緣子的研制開發始于20世紀80年代初，我國電網的高速發展有力地促進了復合絕緣子產業的迅速壯大。目前，我國復合絕緣子的研究、制造和運行已居世界領先水平，運行經驗也引起了國際相關組織的關注。實際運行表明，使用復合絕緣子是解決我國污穢地區外絕緣污閃最為有效的方法之一，不僅有效遏制了大面積污閃事故的發生，也大大減輕了繁重的污穢清掃等運行維護工作量。

與瓷和玻璃絕緣子相比，在電氣性能方面：復合絕緣子的工頻干閃電壓略高于瓷絕緣子的干閃電壓；復合絕緣子的工頻濕閃電壓比瓷絕緣子高約15%。復合絕緣子的雷電沖擊50%放電電壓比瓷絕緣子高約5%。復合絕緣子不存在零值擊穿、零值檢測和零值更換的問題。復合絕緣子具有優良的耐污閃性。在抗老化性能方面：復合絕緣子屬有機材料，在運行中受到各種氣候和外界的影響，會造成復合絕緣子絕緣性能的下降，影響到復合絕緣子的使用壽命。但是目前在我國電網中已經使用了近20年的產品仍在掛網運行，未出現異常情況。同時隨著有機材料新配方的研制，復合絕緣子的使用壽命將會有較大程度的提高。

1 空心復合絕緣子的結構

空心復合絕緣子主要有三大部件構成：端部金屬附件、硅橡膠傘裙護套、環氧樹脂玻璃纖維纏繞管。

圖1 空心復合絕緣子的結構組成

1.1 端部金屬附件

端部金屬附件是復合絕緣子機械負荷的傳遞部件，它與玻璃纖維環氧樹脂纏繞管組裝在一起構成復合絕緣子的連接件。目前端部附件的主要材料為：高強度鑄鋁合金和鑄鋼等，在本產品的試制過程中我們采用高強度鑄鋁合金作為端部附件材料，金屬型鑄造加T6人工時效處理，其抗拉機械強度可達到295MPa。

1.2 硅橡膠傘裙護套

傘裙護套是復合絕緣子的外絕緣部分，其作用是使復合絕緣子具有足夠高的防濕閃和污閃的外絕緣性能，以保護玻璃纖維環氧樹脂纏繞管免遭大氣的侵襲。傘裙護套長期暴露在戶外，經受各種惡劣氣象條件和工業污染的侵蝕，在運行狀態下還可能受到火花放電或局部電弧的燒蝕。因此通常要求傘裙護套必須具有優良的防污閃性、耐漏電起痕性和耐電蝕損性，以及耐臭氧、耐高溫等大氣老化的作用。傘裙護套材料現主要有高溫硅橡膠（HTV）和液態硅橡膠（LSR）。

1.3 環氧樹脂玻璃纖維纏繞管

玻璃纖維環氧樹脂纏繞管是空心復合絕緣子的機械負荷的承載部件，同時又是內絕緣的主要部分，它具有很高的機械強度、絕緣性能和長期穩定性，玻璃纖維環氧樹脂纏繞管材料采用耐酸、耐高溫、抗拉彎強度大的樹脂增強玻璃纖維纏繞而成。

2 空心復合絕緣子的結構設計

2.1 傘形設計

根據運行經驗和模擬運行條件下的實驗室試驗結果，一般要求絕緣子的剖面形狀應符合相應參數[1]。在相同的干弧距離和爬電距離要求下，可設計出多種滿足參數要求的傘形形狀，但不同的傘形形狀對其成型工藝、硅橡膠材料的損耗量、模具的結構設計和模具材料的消耗量存在很大的影響。傘伸出越大，意味著用于傘裙成型的模腔越深，模具的厚度、高度就越大。目前高溫注射工藝的模具是靠設備上加熱板進行加熱，通過模具材料本身的熱傳導性能取得工藝要求的溫度參數值。模具的厚度越大，熱傳導效果越差，導致模具分型面的溫度與模腔底部的溫度差異較大，不利于傘裙護套的成型，因此，設計人員就得考慮通過輔助加熱等方式來保證模具溫度的均勻性，最終增加了設計成本、模具材料成本、模具加工成本和設備的能耗。

在GB/T 26218.3-2011[2]中對污穢條件下傘形結構參數有具體的要求，目前國內復合絕緣子生產廠家一般采用的傘形有：一大一小、一大兩小、一大一中一小和等徑傘等（如圖2～5）。

（1）傘間距 S 和傘伸出 P 之比 S/P 應大于 0.75；（2）在復合絕緣子的任一部分，局部爬電距離Ⅰd與空氣間距d之比Ⅰd/d應小于 5；（3）對于交替傘形，P1-P2 應不小于 15mm；（4）交替傘形傘間最小距離c不小于50mm。

同時考慮到硅橡膠傘裙材料耐漏電起痕和電蝕水平達到TMA4.5級，而 GB/T 21429-2008[3]規定“絕緣子用傘套應使用不低于GB 6553-2003[4]規定的TMA4.5級，最大電蝕深度不超過2.5mm的絕緣材料”，并根據以往運行經驗，硅橡膠護套厚度應在5mm以上。

圖2

圖3

圖4

圖5

2.2 密封結構設計

在產品的運行過程中，空心復合絕緣子內部充有一定壓力的SF6氣體或其他絕緣介質，因此空心復合絕緣子的密封結構對保證產品的密封性、安全運行起到至關重要的作用。當端部附件與玻璃纖維纏繞管澆裝粘接面密封性可靠時，空心復合絕緣子的密封槽可設在端部附件平面上或與其相配的零部件端面上，采用矩形槽，見圖6；當粘接面的密封可靠性未得到驗證時可采用密封圈放在端部附件和玻璃纖維纏繞管粘接縫處 （俗稱三角形密封），見圖7；另外在三角密封的基礎上也可增加一個副密封槽來保證產品密封性，見圖8。根據我公司多年來的生產經驗，端部附件與玻璃纖維纏繞管澆裝粘接面密封性可靠性已經得到充分驗證，同時考慮到空心復合絕緣子與瓷絕緣子的互換性，國內廠家在產品的設計中大量采用的是圖5所示的平面密封設計——密封槽設在與端部附件相配的零部件端面上。

圖6

圖7

圖8

2.3 玻璃纖維纏繞管與端部附件結構設計

端部附件與玻璃纖維環氧樹脂纏繞管連接結構的好壞直接影響到玻璃纖維環氧樹脂纏繞管強度的發揮及空心復合絕緣子機械性能。在文獻[5]中，文獻作者給出了空心復合絕緣子的內水壓、抗彎及法蘭粘接強度的理論計算方法：

（1）內水壓強度設計要求

（2）抗彎強度設計要求

（3）法蘭粘接強度設計要求

式中，pb——破壞水壓（MPa）；D1——管外徑（cm）；d1——管內徑（cm）；Mw——破壞彎矩（N·cm）；L——法蘭粘接面高度（cm）；K——考慮膠裝應力影響取的安全系數，K＝2.5；[σn]——內壓許用應力（MPa），[σn]＝86；[σw2]——膠裝抗彎強度（MPa），[σw2]＝75；[σj]——法蘭粘結許用應力（MPa），[σj]＝15。

根據以上計算方法，綜合考慮產品在使用過程中所受到的內壓力、產品自重、風載荷及端子拉力等作用力，在滿足各項技術參數要求的前提下，對40.5kV斷路器用空心復合絕緣子的結構進行了設計，并通過solidworks軟件進行了仿真計算：

序號 零部件 屈服強度 泊松比 彈性模量1法蘭 295 Mpa 0.33 7.1×1010N/m2 2 環氧樹脂玻璃纖維纏繞管 55 Mpa 0.32 1.45×1010N/m2

圖9 模型網格劃分

圖10 法蘭應力分布圖

圖11 玻璃纖維纏繞管應力分布圖

圖12 最大位移量

由于傘裙護套的形狀比較復雜，對模型的網格劃分帶來很大的困難，所以在計算過程中可以對模型進行適當的簡化。

計算結果：

序號 零部件 判據 最大值 安全系數1法 蘭 295 Mpa 173.2 Mpa 1.71 2 環氧樹脂玻璃纖維纏繞管 55 Mpa 18.1 Mpa 3.03 3膠 裝 劑 15 Mpa 11.4 Mpa 1.31

3 結論

隨著空心復合絕緣子在工程中用量的不斷增加，對產品質量的要求也在逐步提高。本文從空心復合絕緣子的構成、結構設計等方面簡單敘述了空心復合絕緣子的設計過程，并對公司現有一種產品的結構進行了簡單設計，為設計員在空心復合絕緣子的設計方面提供了參考。

[1]邱志賢譯.絕緣子在污穢條件下的選用導則·附錄D·表征絕緣子剖面形狀的參數.絕緣子與避雷器標準譯文集[M].西安.西安電瓷研究所.1989.

[2]GB/T26218.3-2011，污穢條件下使用的高壓絕緣子的選擇和尺寸確定第三部分：交流系統用復合絕緣子[M].北京：中國標準出版社，2011.

[3]GB/T21429-2008，戶外和戶內電氣設備用空心復合絕緣子定義、試驗方法、接收準則和設計推薦[M].北京：中國標準化出版社，2008.

[4]GB/T6553-2003，評定在嚴酷環境條件下使用的電氣絕緣材料耐電痕化和蝕損的試驗方法[M].北京：中國標準化出版社，2003.