新型温感可变色警示绝缘罩的研发

高清清 谢嘉城 袁源明

国网上海奉贤供电公司

0 引言

目前，具有良好短路保护能力的户外跌落式熔断器其性价比高、安装使用方便，一直在大量使用。但由于其自身结构的缺陷，在目前配网系统中60%的设备故障由熔断器引起。户外跌落式熔断器故障主要来自外力破坏和发热损坏两个方面。外力破坏是由于跌落熔断器存在金属裸露部分，且10kV线路设备相间距较小，因此，鸟类、蛇类等小动物的攀爬、树枝的长高或高空抛物等外部因素容易造成跌落熔断器金属裸露部分短路，致使跌落熔断器受外力破坏的事故层出不穷。发热损坏是受限于跌落熔断器结构，特别是上触座，由于其合闸可靠性较差，容易接触不良引起温度升高，导致熔断器触头烧损、线路停运。

对此，一些厂商研发了专门用于跌落熔断器的绝缘罩。考虑到10kV架空线路全绝缘技术发展趋势，对跌落熔断器实现绝缘罩保护是较妥当的方案。然而，现有的绝缘罩产品虽对外力破坏有所防范，但仍没有解决触头发热问题，还可能加剧了触头发热所带来的隐患：由于绝缘罩的隔离作用，在外部风力较大时，绝缘罩表面散热加快，致使红外热像仪难以灵敏地检测到触头发热故障，最后导致发热加剧直至熔断器烧毁。

因此，研发一种既能有效防范外力破坏，又能有效反映触头发热的跌落熔断器专用绝缘罩，对提升中低压配网的运行可靠性意义重大。

1 温感变色原理

温感变色材料是一种新型功能材料，主要利用材料在不同温度下的物态变化（如某些盐类水合物在一定温度下失去结晶水而改变颜色）实现变色指示。通过温度变化，可以利用材料的颜色变化来测量温度、装饰产品，如制成玩具提高玩具的吸引力、或制成油墨提高印刷品广告宣传效果、还可作为各种电器的示警材料等。目前，变色材料已广泛用于纺织、印刷、医学、航天等众多领域。如果能将温感变色材料通过特殊工艺，与硅橡胶硫化工艺结合，就有望设计出能随温度变化而变色的新型功能橡胶材料，将其设计成跌落熔断器的外罩，在维持原有绝缘保护性能同时，还可通过温度变化，直观反映内部触头发热情况，从而有望克服现有绝缘罩可能加剧触头发热的弊端。温感变色材料制作的示温贴片如图1所示。

图1 示溫贴片

硅橡胶有机复合材料，由于硫化过程中的高温，温感变色材料必须为可逆型。经综合考虑，变色材料确定为有机可逆热致变色抗疲劳微胶囊特种材料。这种变色特种材料内含微胶囊变色颗粒，粒径在1～10μm之间，并具有耐高温、抗氧化等胶囊特性。其颜色随温度上升可从有色变到无色，也可从一种颜色变为另一种颜色，如图2所示。

图2 材料变色过程

选变色材料时需考虑变色温度界限范围，感温变色基本温度可根据线路上设备允许温升的范围设定。对熔断器，按标准最大值正常周围空气温度不超过40℃计算，熔断器除螺栓连接处（75K）和熔丝处（90K）外，导电回路最高温升一般允许至65K，即最高温度允许105℃。熔断器作为负荷产品，在正常使用条件下，一般温升约50～60K。而上接触部分，因弹簧结构，一般温升都接近上限值，如接触不良，可升至几百K或以上。此外，考虑到上海地区冬夏极限温差约45K（-6℃～39℃），变色材料温度界限可从110℃以上开始设定，既避免环境温度变化的干扰识别，又能对实际故障隐患的正确识别。当设备接触不良导致温度上升超出合理范围时，在变色材料作用下，可直接测温变色警示，巡视人员在巡检时目视即可直观发现。

2 新型绝缘罩结构设计

如前所述，随着绝缘化推广，熔断器绝缘防护组件也应用而生。但至目前，由于没有熔断器类设备绝缘防护组件相关技术标准和规范，导致熔断器绝缘防护组件各个厂家的设计各异，从材质（橡胶或塑料）、材料厚度（1mm～3mm不等）、结构形式（大多是U型开放式结构，如图3所示）等，很难对熔断器类设备起到真正的绝缘防护作用，有的安装在线路设备上，遇到风吹或异物触碰即产生移位，影响了产品正常运行。对此，本研发根据熔断器产品结构特性，专门设计了一种跨伞型绝缘防护组件，如图4所示。该组件能够紧紧依附在熔断器产品本体。此外，还设计有便于闭锁或开启的固定搭扣闭锁装置和防脱落设计，使产品免受风吹和异物触碰影响，保证熔断器正常分合长期可靠运行。

图3 传统绝缘防护组件图

图4 跨伞型绝缘防护组件

3 新型绝缘罩性能测试

由于没有熔断器类设备绝缘防护组件相关技术标准和规范，因此在技术上要求考虑较为详细，也为后续的标准制订或技术规范打下基础。根据选定的硅橡胶有机复合材料，参考“DL/T 376-2010复合绝缘子用硅橡胶绝缘材料通用技术条件”、“DL/T 378-2010变压器出线端子用绝缘防护罩通用技术条件”和“DL/T 880 0-2004带电作业用导线软质遮蔽罩”等规范，对带测温可变色警示的跨伞型熔断器绝缘防护组件确定了基本技术要求，并基于此技术要求，对跨伞型熔断器绝缘防护组件变色性能与异物搭接防范能力进行了实验，实验方法和实验结果如下：

1）测温变色警示试验：通过试验验证变色材料实际变色效果。

实验日期:2018年11月13日

实验地点:高压实验室

环境温度：19℃

实验类型：验证实验

对熔断器上触座施加超过额定电流的大电流，模拟接触不良触头发热现象。表1和图5-(1-8）表明当温度升至88K（对应温度107℃）时，熔断器绝缘防护组件开始变色；当温度超过100K时，熔断器绝缘防护组件完全变色。

表1 带测温可变色警示绝缘防护组件性能验证试验

图5-1

图5-2

图5-3

图5-4

图5-5

图5-6

图5-7

图5-8

2)异物搭接性能和绝缘耐受试验:通过实验验证熔断器绝缘防护组件按规定技术要求添加变色材料后的电气绝缘性能。

试验条件同上，试验结果如表2所示：试品符合现有技术规定的硅橡胶复合绝缘罩的绝缘性能，表明温感材料的添加未影响试品的绝缘性能。

表2 异物搭接性能和绝缘耐受试验

为进一步验证本产品技术性能，贝13振泰1号于2018年11月18日安装了该产品。试用至今未超温变色，且目视清楚，与红外测温仪对比，温感变色可靠、效果较好。

该绝缘防护组件安装方便，能对熔断器裸露部分进行全绝缘处理：跨伞型的防脱落结构和便于闭锁、开启的固定搭扣闭锁装置避免了风吹和异物搭接的影响，从而，从根本上防范了鼠蛇类小动物、异物搭接所造成的外破影响。此外，该绝缘罩采用温感变色，能及时发现运行中接触不良造成的超温现象。由此，本产品充分克服了现有产品触头发热不易及时发现的弊端，既可减少大量红外测温的工作量，又可降低线路停运率，提高供电可靠性。

4 结论

本文提出的带测温可变色警示的跨伞型熔断器绝缘罩不但能可靠遮蔽熔断器裸露金属部分，防止树枝、小动物等外力破坏，还能及时发现运行中超温故障的熔断器，减少了大量红外测温的工作量、降低了线路停运率，提高了供电可靠性，实现了巡视人员巡检时就可直观发现熔断器因接触不良导致温升超出合理范围的潜在故障隐患。本方案构思巧妙、可靠性高、成本低廉，可带来显著的经济效益和社会效益，值得大范围推广应用。