改性复合材料间隔棒和悬垂线夹的研制及应用

牛海军，付斌，朱宽军，司佳钧，张军，王景朝

(1.中国电力科学研究院，北京市100192；2.国网湖北省电力公司，武汉市430000)

改性复合材料间隔棒和悬垂线夹的研制及应用

牛海军1，付斌2，朱宽军1，司佳钧1，张军1，王景朝1

(1.中国电力科学研究院，北京市100192；2.国网湖北省电力公司，武汉市430000)

为了解决输配电线路中钢和铝合金金具高能耗的问题，降低线路损耗，对数十种工程塑料进行了遴选和研究，确定以PA66尼龙作为复合材料的基材。在基材中加入玻璃纤维、增韧剂、耐臭氧和耐腐蚀等改性材料，并通过反复试验测试和配方优化，成功研制出一种改性复合材料，其抗拉强度为210 MPa，延伸率为4.5%。材料具有密度小、绝缘性好、耐辐射、节能环保、耐疲劳等优点。进行了基于改性复合材料的间隔棒和悬垂线夹设计、试制与试验研究，结果表明其性能满足国家标准和电力行业标准要求。基于复合材料的悬垂线夹已应用于35 kV和220 kV架空输电线路中，运行状况良好。

PA66；纤维增强改性；改性复合材料；间隔棒；悬垂线夹

0 引 言

在输配电线路中，采用高效节能金具来替代高能耗的钢和铝合金金具对于降低线路损耗具有重要的意义[1]。本文选用PA66为基材，在基材中加入PE-g-MAH增韧剂和玻璃纤维增强剂，再加入微量的抗臭氧剂、抗紫外剂和耐候剂得到不同强度和韧性的改性复合材料，从中遴选满足金具材料性能要求的配方，基于此改性复合材料研制出满足国家标准和电力行业标准要求的间隔棒和悬垂线夹[2-4]。

1 基材材料比选

通过对改性聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)和聚酰胺(polyamide，PA)性能分析可知，PVC的拉伸强度最高为56 MPa，未增强PA的拉伸强度高达100 MPa，而尼龙改性研究的迅速发展赋予了尼龙高强度、耐燃、耐低温、实现高性能化和功能化的特性。考虑到电力金具要满足的强度、弯曲模量、高低温冲击和耐盐雾及抗静电老化等综合性能，采用PA66芳香族聚酰胺为基材较为适合[5-6]。

2 纤维的增强改性

玻璃纤维对尼龙的增强得到广泛应用，是较为成熟的增强尼龙，玻璃纤维增强尼龙后其拉伸强度及弯曲强度等力学性能得到了大幅提高。玻璃纤维增强PPA树脂是最大结晶度为20.3%的半结晶性芳香族系耐热性聚酰胺树脂，熔点为310 ℃，玻璃化温度为127 ℃，热变形温度为285 ℃(增强)，连续使用温度为165 ℃[7]。

玻璃纤维增强PPA与其他玻璃纤维增强工程塑料比较如表1所示。

表1 玻璃纤维增强PPA工程塑料的性能

注：PEI为聚乙烯亚胺，PPS为聚苯硫醚，PET为聚对苯二甲酸二乙酯。

从表1可以看出玻璃纤维增强PPA的热变形温度、拉伸强度及弯曲弹性模量等性能指标都优于其他玻璃纤维增强工程塑料，所以选择玻璃纤维增强PPA作为增强材料。

3 玻璃纤维含量对尼龙力学性能的影响

通过试验研究表明玻璃纤维(glass fibre，GF)含量越高，玻璃纤维尼龙的力学性能越高，但过高的玻璃纤维含量对设备的磨损严重，且注塑成型加工也较困难，特别是薄壁制品难以充满模腔。这是由于玻璃纤维的加入使玻璃纤维尼龙的溶体流动速率(melt mass-flow rate，MFR)下降，对形状复杂及薄壁制品来说很难成型。图1～4给出了不同的玻璃纤维含量对玻璃纤维PA66力学性能及热变形温度的影响。

由图1～4可以看出，玻璃纤维的含量在30%以内时，拉伸强度、弯曲强度、冲击强度及热变形温度提升很快，几乎呈直线上升，但含量在40%～50%时，力学性能提升不大，在50%以后性能几乎没有提升，这是由于过高的玻璃纤维含量涉及到GF的分散性及与PA66树脂的黏结效果，过高的GF含量使GF与PA66机体树脂黏结度降低，因此采用30%左右的GF增强PA66较合理。同时由于玻璃纤维的加入，使得制品的成型收缩率也得到了很好的改善，GF填充30%时，收缩率降至0.2%[8-9]。

图1 GF含量与PA66拉伸强度的关系

图2 GF含量与缺口冲击强度的关系

图3 GF含量与弯曲强度的关系

图4 GF含量与热变形温度的关系

4 增韧剂对性能的影响及选择

可用于PA66增韧的增韧剂有EPDM、POE、PE、EVA等，但不同的增韧剂对其共混物的增韧效果及对刚性的影响不同。由于PA66是强极性高分子与弹性体本身相容性较差，因此常用弹性体接枝马来酸酐法来解决相容性问题。图5给出了不同增韧剂对PA66干态下冲击性能的影响。

图5 增韧剂对PA66干态冲击性能的影响

图5可以看出PA66与PE-g-MAH共混后，在PE-g-MAH含量少于30%的情况下，共混材料的冲击强度随PE-g-MAHd的含量增加而逐步上升。PE-g-MAH增强增韧的复合材料具有很高的刚性和较高的韧性，综合性能优越，其力学性能均衡，可以代替PA66应用于各种产品。同时GF、PE-g-MAH的加入降低了成型收缩率和吸水率，克服了PA66固有的缺点。采用PA66/PE-g-MAH/GF共混的复合材料，可以通过改变PE-g-MAH和GF的含量得到不同刚性和韧性的改性PA66。基于试验研究选择PE-g-MAH为增韧剂材料。

5 改性复合材料性能

考虑到电力金具要满足的强度、弯曲模量、高低温冲击和耐盐雾及抗静电老化性能，依据国家标准、行业标准对玻璃纤维改性增强型尼龙复合材料进行了性能测试，主要试验性能如下。

5.1 强度对比

可锻铸铁、ZL104、改性复合材料强度对比如表2所示。

表2 几种常用材料的抗拉强度

注：比强度为单位质量的强度。

5.2 耐候、抗静电老化试验的性能对比

天然橡胶、三元乙丙、改性复合材料耐候、抗静电老化试验的性能对比如表3所示。

表3 几种金具材料耐臭氧老化性能比较

5.3 耐盐雾及表面电阻率对比

根据ASTM/G 85—1998标准进行样板复合涂层处理的制备，再进行酸性盐雾试验的情况比较，35号钢、ZL104、改性复合材料耐盐雾及表面电阻率对比如表4所示。

表4 耐盐雾及抗静电老化性能的比较试验

5.4 不同温度下的抗张强度力学性能对比

可锻铸铁、ZL104、改性复合材料在耐候中考虑在不同温度下的抗张强度力学性能对比如表5所示，经冷热循环后各种材料的性能变化如表6所示。

表5 各种材料在不同温度下的抗张强度力学性能

表6经冷热循环后各种材料性能变化

Tab.6Propertychangeofsomematerialafterthermal-coldcycling

表5和表6表明，在不同温度下及经冷热循环后3种材料的性能变化不大，稳定性良好。改性复合材料基本性能参数如7所示。

表7 改性复合材料的基本性能参数

通过大量测试、试验和分析，改性复合材料具有优良的机械性能和力学性能，其耐臭氧、耐紫外光、耐氧化、耐腐蚀、耐气候老化性能满足目前国内各类金具性能的要求。

6 改性复合材料间隔棒和悬垂线夹

6.1 改性复合材料主要生产设备

改性复合材料加工设备和常用工程塑料基本一致，改性复合材料生产设备主要有PA盐贮罐、乙酸罐、混合器、反应器、液槽、喷射器、分离器、添加剂罐、贮槽、挤压机、造粒机、脱水桶、干燥器、进料斗、料仓。

6.2 间隔棒和悬垂线夹成型设备

间隔棒和悬垂线夹主要成型设备有真空加热干燥机、料筒、螺杆注射机、模具、热处理槽。

6.3 间隔棒和悬垂线夹的研制

基于改性复合材料性能的研究，在间隔棒和悬垂线夹的研制基础上，开发出满足工程需要的FJZF-445F/630四分裂导线阻尼间隔棒和CGF-100悬垂线夹。FJZF-445F/630四分裂导线阻尼间隔棒如图6所示，复合材料CGF-100悬垂线夹如图7所示。

图6 复合材料 FJZF-445F/630四分裂导线阻尼间隔棒

图7 复合材料CGF-100悬垂线夹

依据DL/T 1098—2009《间隔棒技术条件和试验方法》，对间隔棒进行了机械强度试验，间隔棒向心力试验结果如表8所示，线夹间拉力试验结果如表9所示，线夹间压力试验结果如表10所示[10-11]。

表8 间隔棒向心力试验结果

表9线夹间拉力试验结果

Tab.9Tensiletestresultsofsuspendedclamp

表10线夹间压力试验结果

Tab.10Testresultsofpressurebetweenclamp

依据GB/T2317.4—2000《电力金具机械试验方法》、GB/T2315—2000《电力金具标称破坏载荷及连接型式尺寸》对悬垂线夹进行了机械性能试验。破坏载荷和握力试验结果如表11和表12所示[12-14]。

表11 悬垂线夹破坏载荷试验结果

表12悬垂线夹握力试验结果

Tab.12Testresultsofgripstrengthofsuspensionclamp

通过改性复合材料的FJZF-445F/630四分裂导线阻尼间隔棒和CGF-100悬垂线夹的设计、试制、试验。其性能均满足相关国家标准要求，研制的CGF-100垂线夹已应用于35 kV和220 kV架空输电线路，运行情况良好。

7 结 语

国家电网公司重点大力加强农村电网改造和输配电建设，输电线路和配电网将大幅增长，全国用电量在大幅度提升和调整规划后，输电线损降低又是我国需要面对的一项重大研究课题。新型改性复合材料金具为高节能环保的电力金具，可节约能源，减少环境污染，降低电力金具的电能损耗。若产品大规模生产，还能带动其他节能型电力器材的广泛使用，具有巨大的经济效益和社会效益。

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(编辑：刘文莹 )

DevelopmentandApplicationofSpacerandSuspensionClampBasedonModifiedComposites

NIU Haijun1, FU Bin2, ZHU Kuanjun1, SI Jiajun1, ZHANG Jun1, WANG Jingchao1

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2.State Grid Hubei Electric Power Company, Wuhan 430000, China)

In order to solve the high energy consumption problem of fittings with steel or aluminum alloy and reduce the line loss, dozens kinds of engineering plastics were studied and the PA66 nylon composite had been determined as the basic material. Then, some modified composites like glass fiber, flexibilizer, ozone resistance and corrosion resistance were mixed in the basic material. After repeated counts of tests and formulation optimization, a new kind of composite material was successfully developed, with the tensile strength of 210 MPa and the elongation of 4.5%, which had some good performances just as small specific gravity, good insulation, resistance to radiation, energy conservation, environmental protection, antifatigue, etc. The spacer and suspended clamp based on this modified composites were designed, trial-produced and tested, whose results showed that they could meet the requirement of national standard and electric power industry standard. The suspension clamps with the modified composites have been well applied in 35 kV and 220 kV overhead transmission lines.

PA66; fiber-reinforced; modified composites; spacer; suspension clamp

国家电网公司特高压专项课题(GC81-10-006)。

TM 752

： A

： 1000-7229(2014)06-0097-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.018

2013-12-13

：2014-02-17

牛海军(1975)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为架空导线与金具技术研究，E-mail：13521517742@126.com；

付斌(1964)，男，硕士，主要从事高电压技术、输电线路运行维护技术研究工作；

朱宽军(1969)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为架空导线与金具制造技术、导线振动与舞动等问题；

司佳钧(1985)，男，硕士，工程师，主要研究方向为架空导线与金具技术研究，E-mail：sijiajun@hotmail.com；

张军(1986)，男，硕士，工程师，主要研究方向为架空导线与金具技术研究；

王景朝(1965)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为架空导线与金具技术、导线振动等问题的研究。