聚烯烃绝缘子材料的机械性能与电气性能

聚烯烃绝缘子材料的机械性能与电气性能聚烯烃绝缘子材料的机械性能与电气性能 年第 期 总第 期 年 月电 瓷 避 雷 器 作者简介史佳 女 硕士 从事聚烯烃绝缘子性能研究 聚烯烃绝缘子材料的机械性能与电气性能史 佳 刘 甫 全一武 陈 超 严姗芝 严维逊 南京大学化学化工学院高性能高 分子材料与技术教育部重点实验室 南京 江苏 金三力电力器材实业有限公司 南京 摘 要探索聚烯烃材料作为硬质复合绝缘子伞套基材的可能性 在聚丙烯和聚乙烯混合树脂中添加阻燃剂 硅油 抗氧化剂等助剂 制成聚烯烃材料 评估其机械 电气和憎水性等性能 进一步将聚 烯烃材料用作伞套制成棒型悬式绝缘子 开展芯棒材料试验 装配 好的芯棒的负荷 时间试验等设计试验 干雷电冲击耐受电压试验 湿工频耐受电压等型式试验 结果表明聚烯烃绝缘子的主要机械性能和电气性能满足 架空线路绝缘子标称电压高于 交流系统用悬 垂和耐张复合绝缘子定义 试验方法及接受准则 的要求 是一类 具有广阔应用前景的新型硬质复合绝缘子 关键词聚烯烃 悬式绝缘子 机械性能 电气性能 引言悬式绝缘子是架空输电线路上导线和杆塔机械相连的重要组成 部分 不仅起到导线与杆塔的绝缘以及增加爬电距离作用 而且要 承受导线自重及导线的风载 覆冰 巡检踩踏等各种机械力作用 年第 期聚烯烃绝缘子材料的机械性能与电气 性能 总第 期 悬式绝缘子发展至今 主要有瓷绝缘子 玻璃绝缘子 以及硅橡胶复合绝缘子 等 大类在电 网中规模应用 实际运营发现有高低温冲击 污闪 雷击 鸟害 覆冰 外力及老 化等各种因素会导致绝缘子的性能缺失 不同种类的绝缘子失效原因不一 如陶瓷绝缘子内部存 在结晶相 玻璃相和气孔等非均质多相状态 使用时因瓷件 铁帽 和钢架膨胀系数不同产生的热应力使内部缺陷扩散 会导致绝缘子 失效 钢化玻璃绝缘子的表面具有亲水性 被水浸润后会导致较大 沿面泄漏电流 同时其抗污闪能力也较差 硅橡胶复合绝缘子具有 质量轻 表面憎水性强 耐污闪性能好等特点 但硅橡胶复合绝缘 子的力学强度略低 伞套在线路安装或检修时易被踩踏损害 在鸟 害频发地区经常发生被鸟啄食等破坏现象 也对其长期应用可靠性 带来不利影响 近年来 高强度脂环族环氧树脂材料作为复合绝缘子材料研究引起 了关注 这是因为环氧基材具有优异的机械强度 刚度和良好的电性能 制成的绝缘子具有防鸟啄伤功能 同时也便 于巡线员踩踏绝缘子进行线路检修 但由于环氧树脂固化物刚性有余而韧性不足 热浇注成绝缘子伞套 后的某些结构部位会产生内应力集中现象 在温差变化 机械冲击 力 电能冲击和振动等作用下 需警觉因内应力释放而造成开裂 以及因耐电痕性能稍差导致表面电痕破坏现象 为结合硅橡胶优异的电性能 韧性和憎水性以及环氧树脂材料优良 的力学强度和刚性等优点 本文探索以聚烯烃材料 聚乙烯和聚丙 烯混合树脂 为树脂基材制作硬质复合绝缘子伞套的可能性 聚烯烃是一类性能优异的绝缘材料 但尚未见其用 作复合绝缘子材料的报道 我们在聚烯烃材料中共混入一定比例的阻燃剂 二甲基硅油 抗氧 化剂等助剂后高压注射成型 测试其机械性能 电气性能和憎水性 等 与 复合绝缘子用硅橡胶绝缘材料通用技术条件 规定技术 要求进行对比 进一步将其作为伞套制成 复合悬式绝缘子 对照 架空线路绝缘子标称电压高于 交流系统用悬 垂和耐张复合绝缘子定义 试验方法及接受准则 的要求 开展各 项设计试验和型式试验 探讨制备基于聚烯烃伞套材料的一类新型 硬质复合绝缘子的可行性 试样制备与试验方法 原材料及试样制备主要原材料聚乙烯 聚丙烯 十溴二苯乙烷 三氧化二锑 云母 硅酮 硅油 抗氧剂 和光稳定剂 偶联剂 等 绝缘子芯棒为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料 试样制备按重量比配制原材料 聚乙烯 份 聚丙烯 份 十 溴二苯乙烷 份 三氧化二锑 份 云母 份 硅酮 份 硅油 份 抗氧剂 份 光稳定剂 份 偶联剂 份等 在 充分混合搅拌 双螺杆挤出 水冷 热风干燥造粒 最后将聚烯烃粒子在注塑机中 高温高压 注入各种模具成型 试验方法拉伸强度和拉断伸长率按照 塑料拉伸性能的测定第 部分模塑和挤塑塑料的试验条 件 进行测试 弯曲强度按照 塑料弯曲性能的测定 进行测试 吸水率按照 塑料吸水性测定 进行测试 硬度按照 塑料和硬橡胶使用硬度计测定压痕硬度 邵氏硬度 进行测试 表面电阻率和体积电阻率按照 绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法 进行测试 击穿强度按照 绝缘材料电气强度试验方法第 部分工频下试验 进行 测试 加速老化试验按照 塑料实验室光源暴露试验方法第 部分氙弧灯 法进行 测试 静态接触角在光学接触角 分析仪进行测试 水滴大小 滴在基材表面上 内完成测试 复合绝缘子的芯棒材料试验 装配好的芯棒的负荷 时间试验等设 计试验 干雷电冲击耐受电压试验 湿工频耐受电压等型式试验按 照 在国家绝缘子避雷器质量监督检验中心 西安高压电器研 究院有限责任公司 进行 试验结果与分析 聚烯烃材料的机械性能和电气性能聚丙烯和聚乙烯具有优良的介电 性能 体积电阻率可达 以上 将两种树脂共混使用 可结合聚丙烯较高拉伸强度和聚乙烯耐寒性能的优点 在混合树脂中加入少量硅酮 可提升聚合物的加工流动性和脱模性 能 降低扭矩 减少设备摩擦 降低摩擦系数 改善材料表面光泽 加入硅油以提高材料的憎水性 加入抗氧剂 光稳定剂 阻燃剂 等助剂以提高材料的耐老化特性和阻燃性 按配方 年第 期电 瓷 避 雷 器 总第 期 混合原材料后 在 用双螺杆 挤出造粒 和 条件下注塑成型 制成 聚烯烃材料 测试其机械 电气等各项性能 并对照 规定硅橡胶绝缘子材料通用技术要求 探讨其用作复合绝缘子伞 套材料的可行性 机械性能对聚烯烃材料的主要力学性能检测 测得本体拉伸强度为 拉断伸长率为 由于聚烯烃材料为硬质材料 无法测试其抗撕裂强度 改测其弯曲 强度 结果为 另外聚烯烃材料在 浸泡后吸水率仅为 表现出优异的耐水性能 材料的邵氏 硬度为 经 氯化钠的水溶液中煮沸 邵氏 硬度略微增大到 硬度变化率仅为 可燃性试验分别将样品放置在 相对湿度 的环境中 烘箱老化处理 再在 干燥箱 取出测试 样品测试结果都达到 级标准 上述数据满足 关于材料机械性能的技术要求扯断强 度不小于 拉断伸长率不小于 硬度不小于 邵氏 硬度为 水煮后硬度变化率小于 以加速老化试验试验方法测试聚烯烃材料的耐老化性能 试验条件 为日光玻璃滤光系统 光照强度 黑标温度 箱内温度 相对湿度 暴露方式光照 喷淋 经受加速老化试验 观察结果试样外观无变化 灰卡等级 级 并测得拉伸强度为 变化率 弯曲强度为 变化率 另外 取 块试样采用氙弧灯法经受 紫外光试验 辐照 度 黑标温度 外观都未出现突起或开裂 现象 上述结果表明 研制的聚烯烃材料耐老化性能良好 电气性能测得聚烯烃材料表面电阻率和体积电阻率分别为 和 交流电场击穿强度为 上述数据达到或高于 关于材料电气性能的技术要求 表面电阻率和体积电阻率不小于 数量级 击穿场 强交流不小于 的规定要求 憎水性试验取平板试样 面积 厚度 用无水 乙醇清洗试样表面 然后去离子水冲洗 晾干后置于防尘容器内 在试验室环境下保存 用喷雾法确定试样的憎水性等级 接 触法测量静态接触角 结果见表 每片试样的最小值大于 平均值大于 等级达 到 级 符合要求 表 聚烯烃材料的憎水性 样品 级静态接触角 测量值 个点 最 小值平均值 憎水 性减弱特性和恢复特性试验在试验室环境下 将试样置于盛有蒸馏 水的玻璃容器中浸泡 浸泡结束后取出试样 甩掉试样表面的水珠 用滤纸吸干表面残留 的水 测量试样的静态接触角和 等级 测量结果见表 将测量过减弱特性的试样 在试验室环境下静置 再次测量 试样的静态接触角和 等级 测量结果汇总在表 表 聚烯烃材料的憎水性减弱特性试验结果 样品 级静态接触角 测量值 个点 最小值平均值 表 聚烯烃材料的憎水性恢复特性试验结果 样品 级静态接触角 测量值 个点 最小值平均值 从表 和表 中可以看出试样在憎水性减弱特性试 验后 等级为 级 每片试样的静态接触角的最小值大于 平均值为 憎水性恢复特性试验后 等级为 级 静态接触角最小值为 平均值为 上述数值均大于或等于 中 的 憎水性试验相关规定 另外 由于聚烯烃材料疏水特性 在采用 年第 期聚烯烃绝缘子材料的机械性能与电气性能 总第 期 浸 污法 定量涂刷法对其表面实施湿法污染时 硅藻土和氯化钠水污 液 会形成点滴或团状污液 不能实施均匀污染 导致憎水性迁 移试验无法进行 如何均匀涂覆一层规定厚度的模拟污染物 如盐 密与灰密分别为 和 正 在下一步研究中 综上分析 聚烯烃材料的主要电气性能和机械性能满足硅橡胶绝缘 子相关技术条件 尤其材料的力学强度突出 硬度高 达到了在不 影响材料电气性能的基础上大幅度提高机械性能的设计目的 聚烯烃复合绝缘子的设计和型式试验将聚烯烃材料作为伞套制成的 悬式绝缘子 见图 长度 标称电压 中间 为聚烯烃材料 由伞套 聚烯烃材料 玻璃钢芯棒 玻纤增强环氧树脂 和端部金具 镀锌碳钢 部分结构组成 其中大伞直径 小伞直径 间距 设计聚烯烃绝缘子的额定机械负荷 为 对照 关于复合绝缘子的试验方法和接受准则开 展各种性能测试 包括界面和端部装配件连接试验 芯棒材料试验 和装配好的芯棒的负荷 时间试验等设计试验 干雷电冲击耐受电 压试验 湿工频耐受电压和无线电干扰试验等型式试验 探讨以聚 烯烃材料作为伞套材料制备一类新型复合绝缘子的可行性 图 聚烯烃复合悬式绝缘子 设计试验 界面和端部装配件连接试验取 只试品 按顺序开展 以下串行试验 突然卸载预应力试验在 下 进行 的拉伸负荷 突然卸载的试验 试验 次后观察 只试品都完好 热机预应力试验对上述 只试品施加 的机械负荷 经受 个温度循环 每一循环 每个循环内在两个温度 和 下各至少持续 并在试验前后环境温度下对试品分 别施加拉伸负荷 持续 测量长度 试验结果表明 只试品均未损坏 试验前后试品长度的最大变化量 总长 水煮和验证试验试品在氯化钠含量为 的沸水中煮 检查未发现开裂或脱落现象 水中取出后在 内开展陡陂前冲 击电压试验 冲击电压陡度 典型 示波图见图 正极性和负极性各施加 次 未击穿 而后开展干工频电压试验 首先确认一只未经水煮的样品的工频干 闪络电压为 点平均 其 和 的电压值 分别为 和 对经受水煮的 只试品进行 工频干闪络电压测试 测得闪络电压为 高于 继续对其进行工频干耐受电压试验 耐受电压 耐受时间 只试品试验过程都未发现闪络现象 因此 绝缘子的界面和端部装配件连接试验通过检验 图 典型电压示波图 年第 期电 瓷 避 雷 器 总第 期 伞和伞套材料试验伞套材料的硬度试验 紫外光 试验 可燃性试验和憎水性试验见 节的聚烯烃材料性能分析 结果满足要求 伞套材料的耐漏电起痕和电蚀损试验取 个试样 长 宽 厚 表面经打磨处理 用蒸馏水清洗干净 下 采用恒定电痕化电压法进行试验 结果见表 从表 结果得出试样在 下耐受 蚀损深度分别为 和 小于 规 定 达到 级 表 聚烯烃伞套材料的耐漏电起痕和电蚀损试验结果 试品编号 级标准污染液流速 污染液电阻率 施加电压 耐受时间 是否过流中断否否否 否否不应过流中断蚀损深度 绝缘子的起痕和蚀损试验采取以下条件雾室温度 水流速度 水中氯化钠含量 盐雾颗粒大小 平行取 只试品 施加 电压 爬电距离 施加持续时间 期间非过流原因中断 次 每次 整个试验未出现过流中断 试验后试品的伞裙未被击穿 未产生起痕 电蚀未腐蚀到芯棒 芯棒材料试验染料渗透试验试验 支直径 带伞套 的芯棒样品 长度范围 放入盛有 品红 乙醇溶液的玻璃容器中的钢球上 规定 以上 试验后检查样品 均无贯穿渗透现象 水扩散试验试验 只直径 带伞套的芯棒样品 长度范围 在 置于含有 重量氯化钠的去离 子水中 煮沸 后放入盛有自来水的容器中 室温放置 取出在 内进行耐压试验 试验条件试验时间 试验电压 电压耐受时间 泄漏电流为 小于 的规定值 装配好的芯棒的负荷 时间试验机械负荷试验和平均破坏负荷 的确定取 个试品开展拉力试验 试验结果见表 表 结果显示额定负荷下 复合绝缘子耐受 观察均未出现损坏 支试品的破坏负荷分别超过额定机械负荷 的 和 达到设计要求 平均破坏负荷为 耐受负荷的检查施加平均破坏负荷 的 持续 验证该复合绝缘子的长期机械特性 测试 后均无任何损坏出现 表 聚烯烃绝缘子的机械性能试验 试样施加拉伸负荷 耐受时间 耐受结果破坏负荷 破坏状态 未损坏 脚端拉脱 未损坏 脚断 未损 坏 脚端拉脱 型式试验 电气试验取 只试品 按顺序开展以下串行试验 干雷电冲击耐受电压试验对其施加电压 典型示波 图见图 正负极各施加电压 次 耐受结果未发现闪 络现象 湿工频耐受电压试验雨水在 测得电导率为 固定降水量为水平分量 垂直分量 对绝缘子施加电压 电弧距离 耐受时间为 未发现闪络现象 无线电干扰电压试验依据 高压绝缘子无线电干扰试验 测量频率 样品悬挂安装 背景干扰水平 按标准规定程序进行试验 施加电压 最后一轮降压过 程中规定测量电压下的无线电干扰电压结果为 和 远小于 的要求 损伤极限验证试验及端部装配件与绝缘子伞套间界面的密封试 验取 只试品 开展以下试验 持久耐受负荷试验分别施加 负荷 即 持续 试验后 只试品都完好 染色渗透检查随机取其中 只 用清洁剂将表面清理干净 用着色 剂渗透进行裂痕检查 检查范围包括伞套包裹端部装配件的全部界 面 渗透剂 年第 期聚烯烃绝缘子材料的机械 性能与电气性能 总第 期 在表面作用 清除多 余渗透剂 检查表面 绝缘子未出现裂痕 额定机械耐受负荷试验对剩下 只试品通过联接施加拉伸负荷 先 迅速升到 在 内升到 并保持到 样品都未损坏 拉伸破坏负荷试验对上述 只试品进行拉伸破坏试验 分别测得 且破坏发生在脚断或帽端拉 脱 结论在聚烯烃树脂中共混入一定量的阻燃剂 二甲基硅油 抗氧化 剂等助剂制成聚烯烃绝缘材料 材料显刚性 机械性能优异 拉伸 强度和弯曲强度分别达到 和 电 气和耐老化性能满足复合绝缘子硅橡胶绝缘材料规定的通用技术条 件 将该聚烯烃材料作为伞套试制成 复合悬式绝缘子 设计和 型式试验结果可满足 规定的悬垂和耐张复合绝 缘子的试验方法和接受准则相关要求 是一类具有广阔应用前景的 新型硬质复合绝缘子材料 参考文献 王镔 长棒形悬式瓷绝缘子结构性能及发展趋势 电瓷避雷 器 张启龙 风杰 吴萍 吴小飞 杨辉 钢化玻璃绝缘子研究进展 材料科学与工程学报 梁曦东 高岩峰 王家福 李少华 中国硅橡胶复合绝缘子快速发 展历程 高电压技术 李晓明 薄学微 卢声彦 朱明 棒形悬式复合绝缘子老化性能的 评估 电瓷避雷器 张冠军 赵林 周润东 申文伟 梁曦东 硅橡胶复合绝缘子老化 表征评估研究的现状与进展 高压电器 邱志斌 阮江军 黄道春 陈洪波 李晓彬 白欢 输电线路悬式 瓷绝缘子老化形式分析与试验研究 高电压技术 陈奇 高压复合绝缘子应用及老化状态研