復合支柱絕緣子芯體的加工研究

黃亞州

（北玻電力復合材料有限公司，山東 棗莊 277500）

0 引言

我國的能源資源需求存在遠距離、逆向分布特性，東部地區的經濟迅速發展促使電力能源消耗急劇增加，這就需要設計和開發應用高效率、大容量、遠距離的特高壓輸電技術。我國從2004年底進行了特高壓交流輸電、特高壓直流輸電技術的研究，掌握了過電壓抑制、外絕緣配置、電磁環境控制等關鍵技術，研制出變壓器、開關、串補裝置，以及換流變、換流閥、平波電抗器和直流控制保護等核心設備[1-2]。支柱絕緣子是這些核心設備中的重要組成部分，其主要由兩端金屬法蘭、芯體及硅橡膠傘裙組成，如圖1所示。因此支柱絕緣子的穩定、可靠性將直接影響著這些核心設備。

圖1 支柱絕緣子示意圖

目前，變電站中支柱絕緣子主要由陶瓷、復合材料/硅橡膠等材料組成。隨著輸送電壓等級的提高，由于復合材料/硅橡膠制品具有強度高、質量輕、耐腐蝕、耐熱性能好、絕緣性好等優良的綜合性能，其應用范圍及比重也越來越大。同時，由于復合支柱絕緣子芯體存在硬度高，加工余量大，精度要求高，切削時產品表面易燒蝕，刀具磨損較快等問題。為此，針對其材料的特性選擇適當的加工方法及刀具，以解決復合支柱絕緣子芯體加工的問題。

1 復合支柱絕緣子芯體的特性

復合支柱絕緣子芯體主要是通過卷繞單向玻璃纖維布高溫真空浸漬環氧樹脂、再固化成型的柱體。表1列出了芯體的主要性能指標及影響加工性能的相關項目。

表1 絕緣子芯體主要性能指標

2 芯體的加工工藝

車削加工是芯體加工的主要工序，包括粗車、精車和切槽，因此對加工刀具及切削參數的選擇顯得尤為重要。根據前期的研究及實際生產證明，刀具選用YG3X綜合經濟效益較優。由于預制的芯體外徑加工余量大、不規則，所以粗車采用雙刀切削（見圖2），以此降低車削次數，提高加工效率。圖3為刀具的幾何角度圖，為提升刀具的耐磨性及芯體的表層質量，表2列出了芯體車削加工刀具刃磨時的參數。

表2 芯體車削刀具選取參數表

圖2 芯體粗加工雙刀示意

圖3 刀具幾何角度

如圖4為其中一種芯體，對于復合材料芯體而言，其尺寸公差、形位公差及表觀光潔度要求較高，為提高芯體的加工效率且滿足高精度、優異的表層質量，也對切削速度、進給量、切削深度進行了系統的研究與實踐，表3與表4分別列出了不同直徑芯體的粗、精加工主要參數選取[3]。

表3 芯體粗加工設備參數選擇（芯體長度取1.5m～3.2m）

表4 芯體精加工設備參數選擇（芯體長度取1.5m～3.2m）

圖4 芯體加工示意圖

研究及實際生產表明，刀具及切削參數的選擇對芯體質量影響明顯，通過分析可知切削力及切削熱是導致加工缺陷產生的主要原因。當加工刀具的刃磨、切削參數的選擇不恰當時，芯體表觀粗糙且刀紋明顯，材料發生分層現象，材料表面形成撕裂缺陷，未被切斷的纖維形成毛刺缺陷。另外，加工過程中產生的切削熱較高時，將導致復合材料層間強度急速降低，芯體的表面出現發黃、燒傷現象。表5列出了不同直徑、不同參數選擇時加工出的芯體表觀狀態，也將直接影響加工精度[4-5]。

表5 不同參數下芯體表觀狀態

通過表5中的圖片顯示可知，在較大前角，較大后角，較小副偏角，走刀量較小的情況下芯體加工后的表面狀態最好。由于芯體外表的粗糙度除影響產品的表觀質量，還嚴重影響其加工精度的控制，圖5也列出了粗糙度與走刀量的影響曲線。

圖5 走刀量與表面粗糙度關系

3 芯體的試樣加工

由于支柱絕緣子在特高壓設備中的重要性，芯體為其重要組成部分，為確保芯體質量的可靠性，需要在每件或每批次產品兩端取樣，做電性能測試；其中試樣的加工方法及狀態，將直接影響測試結果。經研究及實踐表明，采用焊接、電鍍金剛石顆粒的盤踞或帶鋸，顆粒的粒度選取46#（315μm～400μm），且刀具上有齒狀凸起部分，再在切削的過程中加水冷卻，加工出來的試片表面光潔度較高，試片本體損傷較小，表面粗糙度能高達1.6μm，大大提升了試片的質量。

4 結語

芯體是支柱絕緣子的主承載結構，特高壓領域用的復合支柱絕緣子，由于其絕緣要求和承載要求均很高，因此高剛度大直徑芯體設計、成型與加工技術是復合支柱絕緣子的關鍵技術之一。

復合支柱絕緣子的芯體為玻璃纖維增強塑料，又由于其精度及表層的高要求，不能按傳統加工金屬材料的方法去實施，應合理地選擇刀具材質、參數及確定切削參數。經過長期的研究及生產實踐，歸納出了復合絕緣芯體加工刀具的刃磨參數、切削參數的選擇，最終實現了減少刀具的磨損，降低了加工成本，提高了加工效率，提升了產品、試樣質量的目的。