252 kV GIS 用芳纶绝缘拉杆的制备和性能研究

信彦辉

（河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山 467001）

0 引言

随着我国电力行业的不断发展，对输电、配电、变电等设备的需求也在不断增加，但由于土地资源有限和建设成本限制等问题，对设备的体积和占地面积提出了更高的要求。因此，开发稳定、可靠、占地面积小、受环境影响小的气体绝缘金属封闭开关（GIS）是高压开关设备的发展趋势［1-2］。

绝缘拉杆是GIS连接操作机构和本体的传动绝缘零部件，因此对其有着更高的质量和性能要求。芳纶纤维具有比强度高、密度小、比模量高，以及绝缘性、韧性及抗冲击性好等优点［3］，可将该纤维作为增强材料用来制造绝缘拉杆。然而芳纶纤维表面的极性基团含量较低，纤维表面呈惰性，与树脂体系的结合性能较差［4］，存在着绝缘拉杆内部间隙、层间分离等缺陷。因此，对芳纶绝缘拉杆进行开发和研究势在必行。

本研究对252 kV GIS用芳纶绝缘拉杆进行研究，为了改善芳纶纤维与环氧树脂之间的浸润性和界面相容性，避免内部存在间隙等缺陷，增强材料采用芳纶纤维与聚酯纤维的混合编织物，在保证拉杆强度的同时，可改善其与环氧树脂体系之间的黏接性能，以环氧树脂为基体材料，采用真空压力浸渍成型工艺，将其制备成电气绝缘性能、机械性能优异的绝缘拉杆。

1 试验

1.1 主要原材料

本研究选用亨斯迈公司生产的双酚A环氧树脂和酸酐类固化剂、宜帆达公司生产的促进剂和天鸟公司生产的芳纶/聚酯纤维织物。

1.2 主要试验设备

本研究的试验设备有差示扫描量热仪、工业CT、电压击穿测试仪、分析天平、万能试验机和电性能试验仪。差示扫描量热仪用于测试绝缘拉杆的玻璃化转变温度；工业CT用于观察绝缘拉杆的截面形貌；电压击穿测试仪用于测试绝缘拉杆的电气强度；介质损耗测量仪用于测试绝缘拉杆的介损值；分析天平用于测试绝缘拉杆的吸水率；万能试验机用于测试绝缘拉杆管材和成品的力学性能；电性能试验仪用于测试绝缘拉杆成品的电性能。

1.3 绝缘拉杆的制备

1.3.1 绝缘拉杆管材的制备。为了改善环氧树脂体系对芳纶纤维的浸润性，提高绝缘拉杆的力学性能和电性能，本研究从芳纶纤维与聚酯纤维的混编结构入手，经向采用芳纶纤维束，纬向采用聚酯纤维束，混合编织成二维纤维布，这种设计可保证纤维织物与树脂之间具有良好的浸润性。纤维束的粗细和纤维织物的面密度将会直接影响树脂对其的浸润效果，本研究选用800 D的纤维束、面密度为150 g/m2的芳纶/聚酯混编布来制作绝缘拉杆，可有效解决纤维织物与环氧树脂之间的浸润问题，从而确保树脂能充分浸润纤维织物，并保证拉杆的机械强度。

将芳纶/聚酯纤维织物缠绕在预处理后的芯轴上，根据模具模腔的尺寸，在缠绕一定数量的纤维织物后，连同芯轴一同装入模腔中，模具安装完毕后，对模腔进行真空处理。按照工艺配方要求将环氧树脂、固化剂、促进剂混合搅拌均匀，并对混合料液进行脱气处理。在真空压力下将混合料液注入模腔中，在注入过程中混合料液要不断浸渍纤维织物，在模腔充满料液后，模具高温固化后即制成管状绝缘拉杆。质量好的绝缘拉杆要求料液完全浸渍纤维织物，料液在一定温度下的黏度适中，且料液对纤维织物的黏合强度高。

对芳纶绝缘拉杆的制备工艺进行控制，可保证绝缘拉杆的性能和质量的稳定，因此，制备绝缘拉杆时必须合理地控制各个工艺过程。首先，卷坯工艺是整个绝缘拉杆制备过程中最重要的工序，卷坯的均匀程度将直接影响整个拉杆的机械强度，且卷坯的松紧程度还会对树脂在布坯上的流动速度和浸渍效果产生影响，为了得到良好的卷坯，在进行卷坯时，张力应控制在25～35 N，卷布布层之间贴合均匀、密实性好、不易产生褶皱，将卷坯装入模具内不会产生布层堆积，对布坯进行树脂浸渍时，浸渍速度要均匀，不能过快或过慢，树脂才能更充分地浸渍。其次，树脂浸渍工序是绝缘拉杆制备成型的关键环节，会直接影响绝缘拉杆的电气性能。对树脂胶料和模具进行脱气处理，将真空度控制在10～20 mbar，以此来除去胶料中的空气和挥发组分。为了使树脂胶料能更加充分地浸渍布坯，应确保充分浸渍的时间和浸渍压力，施加浸渍压力可使树脂充满布坯，有利于树脂对纤维布的浸渍。压力较小时，树脂不易充满模具，导致布坯各部位浸润不充分，容易出现缺料、干斑等缺陷；压力过大时，树脂流动性过大，可能会导致树脂无法及时浸渍纤维布，从而形成孔隙。因此，将浸渍时间控制在1 h以上，压力控制在0.03～0.04 MPa。通过以上工艺的过程控制，可制备出内部质地均匀、密实性好的绝缘拉杆管件。

1.3.2 绝缘拉杆成品的制备。根据产品设计要求，将制备出的芳纶绝缘拉杆两端进行切削加工，用胶黏剂将绝缘拉杆的基体和金具固定在一起，从而制成芳纶绝缘拉杆成品。在实际应用过程中，绝缘拉杆可承受拉力、压力或扭力。

切削加工对绝缘拉杆成品的整体性能起着至关重要的作用。芳纶拉杆因其强度高、韧性好，且具有各向异性的结构特性，导致其加工难度比较大，容易出现起层、拉毛和烧焦等加工问题，因此，选择合适的加工方法显得尤为重要。为了改善芳纶拉杆车削质量，提高对芳纶纤维的切断能力，经过大量实践证明，选用较为锋利的高速钢刀进行加工，刀前角为10°、主偏角为45°、车削速度为50 m/min、进刀量为0.5 mm/r。采用此方法加工出的芳纶拉杆没有起层、拉毛等缺陷，成品质量好，有利于将拉杆基体和金具固定在一起，提高芳纶拉杆成品的整体性能和质量稳定性。

2 结果与讨论

2.1 绝缘拉杆的物理性能

2.1.1 绝缘拉杆的DSC测试。从绝缘拉杆上取一块质量约为5～10 mg的基体树脂，在40～180℃条件下，升温速度为10℃/min，保护气体为氮气，对样品进行DSC试验，测试结果Tg为107℃，图1为绝缘拉杆的DSC测试曲线。在GIS运行过程中，存在温度上升的情况，绝缘拉杆在热应力和电场力的作用下，有较高的玻璃化转变温度，从测试结果来看，可满足绝缘拉杆在GIS中的使用要求。

图1 绝缘拉杆的DCS曲线

2.1.2 绝缘拉杆吸水率测试。吸水率也是用来检验芳纶绝缘拉杆性能的一项重要指标，要求在室温和100℃条件下绝缘拉杆的吸水率≤0.3%［1-5］。树脂体系对纤维织物的浸润性越好，吸水率就越低，该指标影响着绝缘拉杆的电气绝缘性能。如果绝缘拉杆的吸水率较高，会使介质的损耗升高、拉杆内的局部缺陷增加，这些缺陷会使拉杆本身被电击穿的风险增大，降低拉杆的电气绝缘性能。从绝缘拉杆上切割两块试样分别泡在常温水中和100℃的恒温水中，用分析天平称量试样。常温下拉杆的吸水率为0.17%，100℃条件下拉杆的吸水率为0.26%，所有指标均合格，完全满足使用要求。

2.1.3 绝缘拉杆虹吸测试。虹吸测试能直观地反映出绝缘拉杆内部结构的致密性。图2是绝缘拉杆取样虹吸测试结果的图片。

图2 绝缘拉杆虹吸测试

为了确保虹吸测试的准确性和一致性，避免因截取绝缘拉杆试样的位置不同而造成差异，将整根绝缘拉杆分为4个不同区域，分别截取4个试样，然后将试样放入装有钢珠和混合液的容器中，放置15 min后，发现4个试样的上表面均无红色浸润点。试验结果表明，芳纶/聚酯纤维织物层间的树脂体系浸润完全，拉杆内部结构密实，没有间隙和微小气泡。

2.2 绝缘拉杆材料力学性能

绝缘拉杆材料的力学性能是由增强纤维和环氧树脂体系共同决定的。树脂体系与设计优良的芳纶/聚酯纤维织物间的界面结合良好，树脂基体能有效地将荷载均匀地传递到每个区域的增强纤维织物上，充分发挥出基体和增强纤维织物的优势，绝缘拉杆的压缩性能、弯曲性能、剪切性能与其密切相关，在增强纤维织物被树脂体系充分浸渍后，可使绝缘拉杆具有足够的强度和韧性［6-7］。

对绝缘拉杆截取相关试样，测试其压缩强度、弯曲强度和剪切强度（见表1），从表1的性能测试结果可以看出，绝缘拉杆具有较高的机械强度，能满足产品使用要求。

表1 绝缘拉杆基材的力学性能测试结果

2.3 绝缘拉杆材料电性能

从绝缘拉杆上截取试样进行电气绝缘强度、介质损耗试验，所有指标的试验结果均符合绝缘拉杆的电性能要求。表2为绝缘拉杆的电性能测试结果。

表2 绝缘拉杆的电性能测试结果

由表2可知，绝缘拉杆具有较高的电气绝缘强度、较小的介质损耗，绝缘拉杆的纤维织物和树脂体系浸渍完全、内部致密性好。如果纤维织物与树脂体系浸渍不完全、界面结合性不好，在进行电性能试验时，将会直接导致拉杆内部的薄弱点发生闪络或击穿［8-9］。

由树脂与纤维织物复合而成的绝缘拉杆，其界面结合情况对其电气绝缘性能起着决定性作用。为了进一步验证树脂对纤维织物的浸润效果和复合界面的结合性，本研究采用工业CT来检测绝缘拉杆的微观形貌结构，通过检测分析可得到拉杆内部密度的均匀性、微孔隙的体积含量与分布等信息［10-11］。从图3可以看出，拉杆内部结构致密，树脂与纤维织物之间的界面结合性好、浸渍充分，与表2中的电性能测试结果一致。

图3 绝缘拉杆的工业CT影像

2.4 绝缘拉杆成品力学性能

为验证安装金具后的芳纶绝缘拉杆管材的黏接性能，对拉杆的成品进行力学性能测试，要求破坏拉力大于100 kN。通常在进行拉杆破坏性试验时，其承受的负荷是实际运行中承受负荷的300%。表3为芳纶拉杆成品拉力性能测试结果，制备的芳纶绝缘拉杆破坏拉力远远大于100 kN，完全满足工程使用条件。

表3 绝缘拉杆基材的力学性能测试结果

2.5 绝缘拉杆成品电性能

为验证芳纶绝缘拉杆成品的整体绝缘性和实际运行使用的可靠性，对拉杆成品进行工频耐压试验、局部放电试验和雷电冲击试验。将绝缘拉杆放置在充有0.5 MPa的SF6气体中进行绝缘试验，合格的绝缘拉杆不会出现闪络、击穿、爆裂等现象，表4为拉杆成品的绝缘性能试验结果，各项性能均达到技术要求，可在GIS产品中长期带电运行。

表4 绝缘拉杆基材的力学性能测试结果

3 结论

①采用芳纶/聚酯纤维织物作为增强材料，树脂作为基体材料，通过真空浸渍成型工艺制备的芳纶绝缘拉杆，其电性能、机械性能优异，满足产品的使用要求。

②制备出的绝缘拉杆压缩强度、弯曲强度、剪切强度分别为182 MPa、267 MPa和29 MPa。

③树脂对纤维织物具有良好的浸润性和界面结合性，使拉杆的轴向和径向电气绝缘强度分别达到15.1 kV/mm和16.5 kV/mm，介质损耗为0.005%。

④制备出的绝缘拉杆成品力学性能和电气绝缘性能均达到技术指标要求，破坏拉力可达到176 kN，工频耐压460 kV/5 min和雷电冲击±1 050 kV（1.2/50µs）各15次均无闪络、无放电击穿，175 kV电压下局部放电量为0.08 pC，完全可满足工程使用要求。