复合绝缘子伞裙护套注射成型工艺研究

张 倩 徐卫星 司晓闯

(平高集团有限公司，河南 平顶山 467001)

我国于上世纪80年代开始研制并使用复合绝缘子，复合绝缘子的挂网运行大大提高了输电线路的耐污闪能力，尤其是在重度污染地区，复合绝缘子的使用有效遏制了大面积污闪事故的发生，该类绝缘子还具有重量轻、运输与安装方便、易维护、制造工艺简单等优点。上世纪90年代中后期，复合绝缘子的优势逐渐被人们所认同，并且开始大量使用，打破了电瓷、玻璃绝缘子一统天下的局面。时至今日，我国已成为复合绝缘子制造及挂网运行数量最多的国家，从低电压等级到高压、超高压、特高压，从交流到直流，复合绝缘子的应用越来越广。尤其是在特高压输电工程中，要求绝缘子重量轻、成本低、对外绝缘性能的要求极高，复合绝缘子的使用比例越来越高，对特高压电网的安全可靠运行具有重要意义。

随着需求数量的迅速增长，市场对复合绝缘子的生产效率和产品质量都提出了更高的要求，这就迫使各个复合绝缘子制造商不得不改变原来的加工工艺，提高生产效率、改善产品质量、降低生产成本。作为复合绝缘子产品的核心组成部分，伞裙护套的加工工艺近几年改进最大，从原来的单伞模压成型工艺发展到现在普遍采用的整体注射成型工艺，使得伞裙护套加工工序的生产效率提升了至少5倍以上，也明显改善了伞裙的外观质量。在实际生产中，模具结构、工艺参数等因素会对整体注射成型工艺产生重要的影响，所以，有必要对这些影响因素进行深入研究分析。

1 伞裙护套

图1 复合绝缘子结构组成

复合绝缘子根据使用情况可以分为空心复合绝缘子、棒形支柱复合绝缘子和线路复合绝缘子。无论哪种绝缘子，一般至少由以下三部分组成(如图1所示):伞裙护套、端部附件和环氧玻璃纤维缠绕管(引拔棒)。其中伞裙护套不仅起到外绝缘的作用，还能保护复合绝缘子内部的玻璃纤维材料免受外界环境的侵蚀，在我国，伞裙护套的材料多数采用的是高温硫化硅橡胶(HTV)，这种硅橡胶是一种具有优良电气性能的高分了材料，充分硫化后，伞裙护套可以耐受日晒、雨淋、风沙、酷暑、严寒等恶劣气象条件，自然盐碱、化学酸、碱、盐导电尘埃的污染，以及潮湿等到条件下可能发生的火花放电或局部电弧的蚀损等综合考验，因此硅橡胶伞套具有很好的抗老化、耐高低温、耐臭氧和耐电蚀损等性能。

传统的伞裙护套成型工艺主要是单伞模压成型，然后再通过粘接剂按照一定的伞型排列顺序逐片粘接到环氧玻璃纤维缠绕管(引拔棒)上，这种工艺方法实施过程相对复杂，效率低下，每一片伞裙都必须占用一定的硫化时间，粘接质量受人为因素影响较大，不同伞裙之间存在环形接缝，这也是外界潮气、微小颗粒进入或沉积于绝缘子内部的隐患。

模压工艺曾经被长期采用，为我国复合绝缘子的发展做出了重要贡献，但随着国内硅橡胶注射机的出现，这种工艺就逐渐被淘汰，取而代之的是注射成型工艺。注射成型主要是利用高压设备将硅橡胶(HTV)注射进绝缘子伞裙模具型腔内，在一定的温度、压力、时间等条件下进行硫化，该工艺可以一次成型多片连续的伞裙，伞裙在成型过程中直接包裹在环氧玻璃纤维缠绕管(引拔棒)表面，与其粘接牢靠。这种工艺效率高、质量稳定，但是对设备、模具结构设计、工艺过程控制等要求非常严格，任何一个因素的波动或设计不当都会给产品质量造成很大的影响，所以，下面模具设计、工艺过程控制两个方面谈一下复合绝缘子注射成型工艺的注意事项。

2 模具结构设计

复合绝缘子的外形尺寸决定了伞裙模具的大小，根据设备单次注射能力的不同，伞裙护套可以一次注射成型，也可分段多次注射成型。对于一次整体注射成型的模具，在设计时需要注意以下几个要点:

2.1 模框部分

模框是复合绝缘子注射模具的基体，直接与注射机相连接，起着加热、保温、传递压力的作用。为了使硅橡胶在模腔内硫化时有一个相对恒定的环境温度，必须合理设计模框的加热棒安装位置(如图2所示)，原则是保证模腔内不同区域的温度大致相同。另外，模框厚度的设计也有讲究，由于大多数注射机上配置的都有一套主加热系统，模具温度的80%以上都来自主加热板传递的热量，因此模框底部(图3中的项5)，也就是与主加热板相连的那一部分不易太厚，以免影响热量的利用效率，在150mm～250mm之间为宜，而模框四周(图3中的项1、2、3、4)主要起保温作用，多数情况下需要安装辅助加热棒和隔热板，为了减少温度散失这部分模框不能太薄(建议不小于150mm)。如图2所示。

图2 辅助加热孔位置

图3 模框结构示意图

2.2 模块部分

一般来说，每套复合绝缘子伞裙注射模具的型腔都有很多模块拼接而成，这些模块要求硬度高、耐磨、表面粗糙度底，其材料可以是模具钢，也可以使用45#进行调制、表面镀铬处理，都能达到上述要求。模块材料符合要求的情况下，影响伞裙成型效果的就是模块的尺寸设计。

首先，模块在设计时，建议模块应高出模框端面0.5mm～1mm(装配之后)，注意，这种结构只允许出现在其中一个半模上，而另外一个半模则要让模块与模框端面对齐。这样两半模合紧之后只有模块部分接触，承受合模压力，而两个模框理论上会有0.5mm～1mm的间隙，有利于胶料注射过程中模腔内气体的排出，伞裙型腔注满之后多余的胶料也能顺着溢料槽从这个间隙流出。实践证明:采用这种结构，伞裙不易产生气泡，合模缝处毛边较薄。

另外，在注射之前伞裙型腔内充满了空气，鉴于实际效果不理想，国内绝大多数的复合绝缘子制造厂都没有采用抽真空的办法来排气，而是随着胶料逐渐填充伞裙型腔，自动让气体排出。这种方法既经济又简单，前提是模具排气槽的结构设计必须合理，每一片伞裙型腔都要设计排气槽，其位置最好在伞裙最上端(如图4所示)，直接与外界空气相通，排气槽的具体形状及尺寸要根据实际经验来设计，基本原则是让气体畅通无阻，而胶料在未填满型腔之前不能溢出，建议排气槽:“宽而浅”。

当胶料填满伞裙型腔之后，内部压力很大，必然会有少量胶料溢出，在模具分型面处形成毛边，毛边太厚，影响产品外观质量，还有可能造成制品在开模时撕裂伞裙。所以，在模块上沿着伞裙边缘附近(1.5mm左右)设计一道溢料槽可以有效控制伞裙毛边的厚度，为了便于清理溢料槽的形状最好是外宽内窄，且与外界空气相通(如图5所示)。

图4 排气槽结构

图5 溢料槽结构

有些高电压等级的产品由于高度较高，伞裙数量多，受到设备大小的限制不得不采用两次(或两次以上)注射成型的办法。这种模具就需要专门设计一套接头模块，用于一段与二段之间的对接，对接工艺相对复杂，对模具制造精度要求高。一般常见的接头结构如图6所示，把接头伞裙设计成一个凸起结构，高度15mm左右，作为下一片伞的根部。这种结构需要注意的有以下几方面，首先，为了保证对接质量，必须保证定位伞的位置始终不变，也就是在注射过程中前一段已经成型的那部分伞裙相对于模具不能发生位移，可以采取多种措施来进行定位，方法很多，在此不再叙述。另外，凸起接头在设计时应把外侧(靠近前一段成型伞裙的那一侧)紧贴模腔，而内侧则要留出间隙以便胶料能够进入，同时凸起接头外侧第一个伞套应与模具紧密配合，防止多余胶料从此处进入定位伞型腔，影响定位伞外观质量。最后，需要在第一片接头伞裙上端设计一道泄压槽，当模腔充满了处于状态高压的胶料时，多余的料就可以顺着泄压槽排除。

图6 接头结构

2.3 模腔尺寸

爬电距离是复合绝缘子重要的外绝缘参数，其实际值不能小于图纸设计要求。由于硅橡胶是在高温状态下硫化的，从模具中取出冷却至室温后，会发生收缩，所以模具型腔在设计时要考虑硅橡胶收缩的影响，按收缩率把图纸尺寸进行放大即可作为模具型腔的尺寸，一般高温硫化硅橡胶收缩率在3%左右。

3 工艺过程

3.1 工艺参数

影响复合绝缘子伞裙注射成型质量的工艺参数主要有:模具型腔内的温度、硫化时间和模腔内部压力，硅橡胶的硫化速度、硫化程度以及硫化后的机械性能、化学性能受这三个工艺参数的影响较大。下面简要介绍一下这三个参数的作用机理，并结合实际经验给出每种参数的控制范围作为参考。

压力主要是指硫化过程中模具型腔内的压力，需要保持恒定，它是保证伞裙护套致密性的关键。在胶料刚刚注满型腔时，由于胶料还未硫化，具有一定的流动性，同时处于高温高压状态，理论上模具型腔处于密闭状态，内部没有压力散失，但是由于溢料槽、排气槽的存在，甚至模具本身因为制造精度等原因也会留有缝隙，这些因素都会导致胶料在硫化初期有少量溢出型腔，压力下降。鉴于此，必须在刚注满胶料时先进行保压，目的是弥补溢出的胶料和压力损失，因此需要根据制品用胶量的大小、模腔的密闭程度来合理设置保压开始的位置(注射量剩余值)，保压最好分成3～4段进行，每一段的保压时间根据需要可以在5～15秒之间。保压结束后，模具依然处于高压状态直到硫化结束。

温度直接决定硅橡胶能否硫化，当高温硫化硅橡胶采用注射工艺成型时，最好的硫化温度应该在130℃ ～135℃范围内，并且恒定。温度过低或过高都不利于硫化，当温度过低时(模腔表面120℃以下)，硫化缓慢，效率低，也容易出现欠硫现象，温度过高时(模腔表面140℃以上)，注射过程中胶料容易焦烧，表现为伞裙局部老化。一般情况下，设备自带有温度测量系统，但它并不能准确的反映模具型腔表面的温度值以及是否均匀，所以建议在注射前应使用表面测温仪实际测量型腔各处的温度，根据测量结果进行局部的调整，确保型腔表面温度符合工艺要求。

在压力、温度一定的条件下，硫化时间的长短主要取决于伞裙护套的最大厚度，厚度越厚所需的硫化时间也越长。一般伞裙护套最厚的地方在大伞裙的根部，大多数都在6mm～20mm之间，下面一组数据是在特定压力、温度条件下不同厚度的样片完全硫化所需的最短时间，仅供参考，见表1。

表1 不同厚度样片的硫化时间

3.2 环氧玻璃纤维缠绕管(引拔棒)的处理

伞裙护套与环氧玻璃纤维缠绕管(引拔棒)之间存在界面，二者之间的粘接质量对复合绝缘子的电气性能有重要的影响，所以在注射之前需对环氧玻璃纤维缠绕管(引拔棒)进行处理:首先，其表面的清洁处理很有必要，不能残留水分和杂质，杂质的残留会对复合绝缘子的绝缘性能产生不同程度的影响，严重时会导致绝缘子闪络、击穿。其次，没有偶联剂的作用伞套与缠绕管(引拔棒)不可能真正的连接起来，所以还要均匀的涂抹偶联剂，其种类较多，现在普遍采用的有AP133、CH608等，不同厂家的工艺方法不尽相同，偶联剂的配比、刷涂时间、温度要求等都要合理选择。

3.3 模具注胶口的打开位置

一般在模具设计时都预留了足够多的注胶口，但是这些注胶口不能同时打开。不同的产品注胶口的打开位置也不一样，它主要影响的是伞裙护套的外观质量，如气泡的多少、位置、大小等，另外对于空心复合绝缘子来说，注胶口的打开位置还会影响玻璃纤维缠绕管的内在质量，如由于受力不均匀导致管子压裂等，而对于实芯支柱复合绝缘子，可能会影响产品的直线度、伞套厚度的均匀性等。下面结合生产经验简要介绍两种左右开模的模具常用注胶口的打开位置。

只打开下端注射口，上端注射口全部关闭，如图7所示。这种注胶方式非常有利于注射过程中气体的排出，制品不易产生气泡，外观质量好，但是容易压裂玻璃纤维缠绕管上端内壁，因为胶料从下端进入，压力很大，把整个管子向上托起并挤压，当模具与玻璃纤维缠绕管的接触面积(承受压力位置)太小时就更容易导致管子损伤，另外当管子直径小、高度大时，这种注射方法还容易导致上下合模缝处伞套的厚度出现差异。所以，这种注射方法应注意尽量增大模具与玻璃纤维缠绕管的接触面积，减小铁芯与管子之间的配合间隙，在胶料不出现焦烧的情况下，减小注射速度，以降低胶料对管子的冲击压力。

上下均打开同等数量的注胶口，如图8所示。这种注胶方式上下对称注射，受力均匀，玻璃纤维缠绕管不易损伤，缺点是气体不易排出，容易产生气泡，并且气泡主要分布于上下注胶口的交界面附近。

图7

图8

3.4 注射过程控制

不同的设备可能存在一些性能方面的差别，但是基本功能都差不多，对于注射机来说一般都会包括胶料塑化系统、温控系统、注射系统、压力控制系统等。设备参数的选择也会对产品质量产生很大的影响，比如注射过程中的速度和压力、注射后的排气次数与位置、保压压力与位置等等都需要在实际生产中进行调试和总结，在此不再详细讲述。

4 结语

随着复合绝缘子用量的急剧增加，传统的加工工艺已远远不能满足市场的需求，整体注射成型技术的推广应用，使复合绝缘子的生产变得方便快捷，产品质量也得到进一步改善。本文仅从模具设计制造、工艺参数选择等方面简单叙述了注射成型工艺应该注意的事项，其实注射工艺还与生产设备、工装设计与使用、胶料的工艺配方等很多方面息息相关。

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