一種塔形復合絕緣子用纏繞管的制造及試驗

宋曉光 左智華 李杏龍 李旭培 王永亮 孫中航

摘 要：通過研究塔形復合絕緣子用纏繞管的結構設計、工藝設計以及產品試驗，確定了環氧玻纖纏繞管的纏繞角度，以及制造過程中原材料的預處理工藝、模具處理方法、纏繞過程控制、固化及機械加工過程。同時，闡述了塔形復合絕緣子用纏繞管的試驗項目。

關鍵詞：復合絕緣子;纏繞管;纏繞角;玻璃纖維

中圖分類號：TM216文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）16-0056-03

Abstract： By studying the structure design， process design and product test of winding pipe for tower composite insulator， this paper determined the winding angle of epoxy glass fiber winding pipe， as well as the pretreatment process of raw materials in the manufacturing process， mold processing method， winding process control， curing and machining process. At the same time， the test items of winding pipe for tower composite insulator were described.

Keywords： composite insulator;winding pipe;winding angle;glass fiber

復合絕緣子是近十幾年發展起來的新型材料結構的絕緣子，由環氧玻纖纏繞管、硅橡膠護套、法蘭等部件構成，其核心制造技術主要包括環氧玻纖纏繞管制造技術、硅橡膠配方及制造技術、傘裙注射成型制造技術及法蘭的澆裝技術等。環氧玻纖纏繞管是復合絕緣子的核心部件，因此，復合絕緣子機械性能的高低取決于內部環氧玻纖纏繞管的強度[1]。通過對纏繞管的受力狀態進行分析可知，根據不同設計方案制造的纏繞管，其機械性能差別很大，特別是玻璃纖維的強度和纏繞角度對其性能影響較大。

1 結構設計

環氧玻纖纏繞管設計過程中，最重要的是確定纏繞角，因塔形的管子是變徑的，需要確定是否需要變角度纏繞。確定了纏繞角后，還需要借助有限元分析軟件模擬產品的受力狀況，進行設計校核，確定設計出的管子滿足要求。根據空心絕緣子耐受3.5 MPa內壓和12 kN破壞彎曲載荷的具體技術指標要求，結合絕緣子錐形幾何形狀特點，空心絕緣子采用不同纏繞角度（65°、55°、45°、30°）和等角度（53°）纏繞進行鋪層設計。

將計算好的纏繞角數據輸入軟件中，將未浸膠的纖維引出，先在端部手工纏繞數圈固定好，然后啟動設備，用玻璃纖維干纏，調整出合適的線型（見圖1），調整后保證纖維能鋪滿模具表面，無大的空洞出現，纖維鋪滿模具為一層，一般需要21個來回。在纏到第五或第六層時，因纖維已達到一定的厚度，若出現纖維在端頭部位打滑現象，可在模具大頭處均勻釘上8顆釘子，纖維剛好能從釘子上繞過。

2 工藝流程

塔形復合絕緣子用纏繞管制造工藝主要有原材料的預處理、模具清理、纏繞成型、固化及加工等過程。其中需要確定的是原材料預處理（主要是樹脂和纖維是否需要烘干）、模具清理（主要是確定涂脫模劑的要求）、膠含量控制、纏繞速度、環境溫度、固化溫度、固化時間等內容。具體流程如圖2所示。

2.1 玻璃纖維的干燥

因為玻璃纖維表面含有水分，影響復合絕緣子的電氣性能和力學性能，因此，其在使用前需要進行干燥處理，一般要在60～80 ℃烘干24 h。本文中，研究者選用型號為ER468A-1200的玻璃纖維。其是由“E”玻璃制成的連續纖維單股粗紗，適合于纏繞、擠拉成型工藝;硅烷型浸潤劑處理;張力均勻，具有良好的成帶性;具有良好的耐磨性，毛絲少;纖維線密度穩定，單絲強度高;與環氧樹脂有良好的相容性，能快速、徹底地浸透[2]。

2.2 樹脂預熱及配置

研究者選用的Dow System TP202是專為纏繞復合氣瓶和高壓管道而開發的環氧樹脂體系。纏繞開始前，應先把樹脂在50 ℃的烘箱里預烘8 h。在配料前必須計算好環氧樹脂、固化劑及增韌劑等各組分的用量;稱量樹脂倒入稱量桶中并記錄樹脂凈重;按照計算好的量加入固化劑和增韌劑，并攪拌均勻，配料過程產生大量氣泡，所以要對混合料真空脫氣。樹脂要求具有優異的耐熱變形性能和柔韌性;具有優異的斷裂韌度，能有效地防止開裂;在50 ℃下應有較長的適用期，并保證樹脂材料的黏度、凝膠時間等參數變化不大，工藝性良好;良好的纖維浸潤性能。

2.3 模具清理

按裝配要求，將模具架在支撐工裝上，用浸有丙酮的棉紗清潔模具，經目測光潔無油污后涂脫模劑。一般第一次使用模具需涂5遍脫模劑，以后涂3遍即可。每次需要將脫模劑細細擦拭在模具表面，確定無漏涂，涂完后放置15 min，使脫模劑在模具表面形成一層膜，然后涂第二遍。依次涂均勻后即可使用。

2.4 纏繞成型

纏繞過程中主要通過刮膠來控制膠含量。纏繞第一層（纖維鋪滿模具表面為第一層）時不需要刮膠，從第二層開始，每層都需要刮一次膠，刮膠板需要順著纖維的繞制方向刮下。纏繞時刮膠用力適當，防止過分刮膠，纖維分層，刮掉的膠可倒進膠槽重復使用;纏繞過程中若出現纖維扯斷，應暫停纏繞，將斷了的纖維搭接到玻纖管上后再開始纏繞。工作場地應保持清潔，避免樹脂到處滴落，減少灰塵等異物，以保證制件質量，做到文明生產，纏繞完成后應認真清洗膠槽和設備，避免影響下次纏繞。產品刮膠實踐如圖3所示。

2.5 纏繞制品的固化

固化制度是保證纏繞制品充分固化的重要條件，直接影響纏繞制品的性能及質量。加熱固化制度可提高化學反應速度，縮短固化時間，從而縮短生產周期、提高生產效率。加熱固化比常溫固化的纏繞制品強度可提高20%～30%[3]。對于較厚的纏繞制品，需要采用分層固化的纏繞工藝。第一次、第二纏繞時的固化溫度-時間如表1和表2所示。

2.6 環境溫度

樹脂的黏度隨著溫度的降低而增大。為了保證膠紗在制件上的浸漬，要求纏繞制品的環境溫度高于15 ℃，用紅外線加熱纏繞制品的表面溫度控制在40～60 ℃，這樣可有效提高生產效率和質量。

2.7 制品機械加工

按產品圖紙和技術要求進行加工，加工圖與環氧玻纖纏繞管的外形圖一致，將小頭處多余部分切掉，先加工2個圓筒段，再加工錐段，分粗車和精車，每次開始加工前需量一下尺寸;車完后，慢速轉動，同時用砂紙將表面打毛[4]。

2.8 制品脫模

檢查和空試脫模設備運轉情況，正常運轉方可脫模。脫模前必須把脫模環和兩端雜物擦凈方可脫模。脫模后模具放到指定位置，并清理表面待用。

3 試驗驗證

3.1 樹脂性能測試項目

主要進行黏度、凝膠時間、玻璃化轉變溫度、熱變形溫度、拉伸性能、彎曲性能、沖擊強度的測試，測試結果如表3所示。

產品完成后，還需要進行試驗驗證，滿足設計要求后方可投產使用。需要進行的試驗項目見表4和表5。

彎曲試驗如圖4所示。

4 結語

本文以玻纖纏繞管中結構較為復雜的110 kV塔形纏繞管為研究對象，對其纏繞管設計、纏繞工藝、后固化工藝等方面進行了系統研究。結果表明：采用自主技術及工藝制造的產品通過了規定的試驗檢驗，符合公司的技術要求。

參考文獻：

[1]唐厚元.有機硅在絕緣子防污閃方面的應用[J].有機硅材料，2000（2）：14-18.

[2]梁曦東，張仁豫.有機外絕緣在特高壓輸電中的地位及發展方向[J].高電壓技術，1995（2）：3-6.

[3]陳允，何少波，吳昱怡，等.微/納米氧化鋁填料對環氧樹脂澆注體系性能的影響[J].絕緣材料，2016（9）：47-52.

[4]鄧丹，陳允，崔博源，等.盆式絕緣子用環氧澆注材料的固化工藝及性能研究[J].絕緣材料，2017（10）：21-25.