司曉闖 齊小喬 王彩君 陳蕊

摘 要：對(duì)復(fù)合絕緣子法蘭用膠裝劑的配方進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，測(cè)定了調(diào)整后膠裝劑配方的凝膠時(shí)間、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、力學(xué)性能和擊穿電壓等參數(shù)，并與在用的膠裝劑配方進(jìn)行了對(duì)比，進(jìn)行了樣機(jī)破壞負(fù)荷試驗(yàn)。結(jié)果表明：以甲基納迪克酸酐為固化劑，新加入LD-410增韌劑，拉伸強(qiáng)度提高了9.2 MPa，彎曲強(qiáng)度提高了22.5 MPa，沖擊強(qiáng)度提高了0.9 kJ/m2，擊穿強(qiáng)度提高了3 kV/mm，復(fù)合絕緣子樣機(jī)通過(guò)了破壞負(fù)荷試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹(shù)脂;膠裝劑;復(fù)合絕緣子

中圖分類號(hào)：TM215.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）08-0129-03

Study on Performance Optimization of Epoxy Resin Binder

for Composite Insulator

SI Xiaochuang1 QI Xiaoqiao2 WANG Caijun3 CHEN Rui1

（1.Pinggao Group Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467001;2.Henan Pinggao General Electric Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467001;3. Henan Pinggao Electric Co.Ltd.，Pingdingshan Henan 467001）

Abstract： The formulation of the glue for the composite insulator flange was optimized and adjusted. The gelation time， glass transition temperature， mechanical properties and breakdown voltage of the binder were determined. The parameters were compared with those of the binder used in the composite insulator， and the failure load test of the prototype was verified. The results show that the tensile strength is increased by 9.2 MPa， bending strength is increased by 22.5 MPa， impact strength is increased by 0.9 kJ/m2， breakdown strength is increased by 3 kV/mm， and the composite insulation sub sample machine has passed the test verification of failure load， which meets the requirements of application.

Keywords： epoxy resin;binder;composite insulator

復(fù)合絕緣子作為高壓電氣行業(yè)中必備的絕緣部件，被廣泛應(yīng)用于地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）、罐式斷路器、輸電線路、變電站中。復(fù)合絕緣子自身具有良好的憎水性和憎水遷移性，使得其抗污閃能力強(qiáng)，同時(shí)，其還具有不檢零、不清掃、重量輕、運(yùn)輸安裝方便等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。近年來(lái)，隨著電力產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，復(fù)合絕緣子在電力行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越多。在結(jié)構(gòu)上，復(fù)合絕緣子主要由硅橡膠傘裙護(hù)套、玻璃纖維纏繞管（芯棒）和端部金屬附件組成。復(fù)合絕緣子在使用過(guò)程中，端部金屬附件起到連接和傳遞載荷的作用。在生產(chǎn)過(guò)程中，一個(gè)重要的工藝環(huán)節(jié)是端部金屬附件與玻璃纖維纏繞管（芯棒）的粘接，即法蘭的膠裝。將膠裝劑注入端部金屬附件與玻璃纖維管（芯棒）的間隙內(nèi)，加熱固化，形成三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)的固化物，把兩者結(jié)合成一個(gè)整體[2]。端部金屬附件與玻璃纖維纏繞管（芯棒）之間的最終粘接效果將嚴(yán)重影響絕緣子的使用壽命。這與膠裝劑的自身機(jī)械性能參數(shù)和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大關(guān)系。近年來(lái)，隨著特高壓直流穿墻套管的國(guó)產(chǎn)化替代，運(yùn)行工況對(duì)復(fù)合絕緣子的法蘭膠裝強(qiáng)度提出了更高的要求。本文在不改變?cè)z裝劑環(huán)氧樹(shù)脂-酸酐固化體系的情況下，通過(guò)對(duì)配方的調(diào)整優(yōu)化，提高膠裝劑的拉伸、彎曲和沖擊等機(jī)械性能，進(jìn)而增強(qiáng)復(fù)合絕緣子（特別是軸線與水平線成小角度夾角安裝）長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料

環(huán)氧樹(shù)脂：CYD-128（中石化巴陵石化分公司）;增韌劑：LD-410環(huán)氧活性增韌劑（利鼎電子材料有限公司）、聚癸二酸酐（溫州清明化工有限公司）;固化劑：甲基納迪克酸酐（市售）、甲基四氫基苯酐（大連金世光電材料有限公司）;硅微粉400目（東?？h白塔埠鎮(zhèn)譽(yù)文石英制品廠）;促進(jìn)劑。

1.2 試樣制備

將模具和硅微粉放置在烘箱中預(yù)烘2 h以上;將環(huán)氧樹(shù)脂加熱，降低黏度，然后加入預(yù)烘好的硅微粉等，采用手工攪拌的方法，按照同一方向攪拌，直至目測(cè)無(wú)顆粒狀硅微粉;依次按比例加入固化劑、增韌劑和促進(jìn)劑，充分?jǐn)嚢杈鶆颍繙y(cè)分層、沉淀后，澆入模具中;將模具放入烘箱固化2 h后關(guān)閉烘箱，模具從爐溫降至室溫脫模。

1.3 試驗(yàn)方法

凝膠時(shí)間使用DV2TRV黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法參照《環(huán)氧樹(shù)脂凝膠時(shí)間測(cè)定方法》（GB 12007.7—1989），測(cè)試溫度為70～120 ℃。

拉伸強(qiáng)度使用INSTRON萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)方法參照《塑料 拉伸性能的測(cè)定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗(yàn)條件》（GB/T 1040.2—2006），拉伸速率為5 mm/min。

彎曲強(qiáng)度使用INSTRON萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)方法參照《塑料 彎曲性能的測(cè)定》（GB/T 9341—2008），速度為5 mm/min。

沖擊強(qiáng)度使用ZBC1251-C擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)方法參照《塑料 簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定 第1部分：非儀器化沖擊試驗(yàn)》（GB/T 1043.1—2008）。

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度使用差示熱分析儀進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)方法參照《電氣絕緣材料 測(cè)定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的試驗(yàn)方法》（GB/T 22567—2008）。

擊穿強(qiáng)度使用GCSTD-C電壓擊穿測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)方法參照《絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法 第1部分：工頻下試驗(yàn)》（GB/T 1408.1—2006）的規(guī)定，測(cè)試試樣厚度為2 mm，在變壓器油中進(jìn)行測(cè)試，升壓速度為2 000 V/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 配方調(diào)整

原膠裝劑的主要成分為：CYD-128環(huán)氧樹(shù)脂、甲基四氫苯酐、聚癸二酸酐、硅微粉、促進(jìn)劑等。優(yōu)化后的膠裝劑的主要成分為：CYD-128環(huán)氧樹(shù)脂、甲基納迪克酸酐、聚癸二酸酐、LD-410、硅微粉、促進(jìn)劑等。與原膠裝劑相比，優(yōu)化后的膠裝劑采用甲基納迪克酸酐作為固化劑，同時(shí)增加了LD-410增韌劑組分。甲基納迪克酸酐是淺黃色液體，由甲基環(huán)戊二烯與順丁烯二酸酐加成反應(yīng)得到。在室溫下，甲基納迪克酸酐與環(huán)氧樹(shù)脂容易混合，配制品使用周期長(zhǎng)，固化時(shí)放熱量少，固化物體積收縮小，電性能好，特別是耐電弧性能特好，耐熱老化性能優(yōu)良，適用于澆注、浸漬、層狀絕緣制品[3]。LD-410增韌劑為無(wú)色、低黏度透明液體，是一類長(zhǎng)鏈線性分子結(jié)構(gòu)中含有羥基官能團(tuán)的聚醚化合物。羥基是一活性反應(yīng)基團(tuán)，能參與固化反應(yīng)，對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂-酸酐固化反應(yīng)不產(chǎn)生阻滯或促進(jìn)等影響，可使固化物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中醚網(wǎng)絡(luò)比例增加，能提高固化產(chǎn)物的機(jī)械力學(xué)性能、電氣絕緣性能、抗開(kāi)裂性和沖擊性。

為了驗(yàn)證原膠裝劑的性能，給新膠裝劑配方技術(shù)參數(shù)指標(biāo)提供參考，對(duì)原膠裝劑的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、擊穿強(qiáng)度等關(guān)鍵機(jī)械、電氣性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

2.2 凝膠時(shí)間

凝膠時(shí)間是指液態(tài)樹(shù)脂或膠液在規(guī)定溫度下由液態(tài)轉(zhuǎn)換為固態(tài)凝膠所需的時(shí)間，對(duì)于熱固性樹(shù)脂，是指從添加促進(jìn)劑后到形成凝膠的時(shí)間[4]。在實(shí)際的法蘭膠裝過(guò)程中，通過(guò)熱板與法蘭之間的熱傳導(dǎo)，提高法蘭的溫度，并保持高溫，為膠裝劑的固化提供熱量。在一定溫度下，膠裝劑凝膠時(shí)間是提高膠裝效率和降低能耗成本的重要控制因素。優(yōu)化后的膠裝劑配方，凝膠時(shí)間與溫度的關(guān)系如圖1所示。從圖1可知，隨著溫度的提高，凝膠時(shí)間逐漸降低，當(dāng)固化溫度為100 ℃時(shí)，凝膠時(shí)間為21 min，與原膠裝劑相比，凝膠時(shí)間基本相當(dāng)。

2.3 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是衡量材料熱性能的一個(gè)重要參數(shù)，材料的許多特性都在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近發(fā)生急劇變化，導(dǎo)致性能失效。在復(fù)合絕緣子的使用過(guò)程中，在環(huán)境溫度和內(nèi)部溫度的綜合作用下，法蘭部位的溫度逐漸升高，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。相關(guān)技術(shù)條件規(guī)定，復(fù)合絕緣子的使用溫度不超過(guò)80 ℃，在有一定裕度的情況下，不超過(guò)100 ℃，因此，膠裝劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大于此數(shù)即可滿足使用要求。配方調(diào)整后，膠裝劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由2圖可知，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為107.8 ℃，比原膠裝劑低4.5 ℃，材料的耐熱性較好，滿足使用要求。

2.4 機(jī)械、電氣性能

在100 ℃的溫度下，制備新膠裝劑拉伸、彎曲、沖擊和擊穿強(qiáng)度測(cè)試試樣，每種試樣10片，結(jié)果取算術(shù)平均值，最終測(cè)試結(jié)果與原配方對(duì)比如表2所示。從表2可知，拉伸強(qiáng)度提高了9.2 MPa，彎曲強(qiáng)度提高了22.5 MPa，沖擊強(qiáng)度提高了0.9 kJ/m2，擊穿強(qiáng)度提高了3 kV/mm。相比原膠裝劑配方，新膠裝劑的機(jī)械、電氣性能參數(shù)均有不同程度的提高，有利于增強(qiáng)復(fù)合絕緣子運(yùn)行的可靠性。

2.5 樣機(jī)破壞負(fù)荷試驗(yàn)

利用新膠裝劑進(jìn)行了復(fù)合絕緣子的法蘭膠裝，按照《外和戶內(nèi)電氣設(shè)備用空心復(fù)合絕緣子定義、試驗(yàn)方法、接收準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)推薦》（GB/T 21429—2008）進(jìn)行了內(nèi)壓力和彎曲破壞試驗(yàn)[5]。固化工藝條件：溫度為100 ℃，固化時(shí)間為2 h。固化完成后對(duì)絕緣子進(jìn)行了機(jī)械破壞試驗(yàn)，在小于3.2 MPa的壓力下未被破壞，如圖3（a）所示。在24 kN彎曲負(fù)荷下未被破壞，如圖3（b）所示，樣機(jī)通過(guò)試驗(yàn)，滿足使用要求。

3 結(jié)論

采用甲基納迪克酸酐作為固化劑，同時(shí)新增加LD-410增韌劑組分，對(duì)復(fù)合絕緣子法蘭膠裝劑配方進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。優(yōu)化后，凝膠時(shí)間基本不變，膠裝劑拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和擊穿強(qiáng)度分別為54.1 MPa、76.9 MPa、6.3 kJ/m2和31 kV/mm，與優(yōu)化前均有不同程度的提高;玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為107.8 ℃，具有較好的耐熱性能，雖然與原配方相比，該參數(shù)有所降低，但滿足復(fù)合絕緣子產(chǎn)品的使用條件。采用此膠裝劑的空心復(fù)合絕緣子樣機(jī)，順利通過(guò)了內(nèi)壓力和彎曲破壞負(fù)荷試驗(yàn)，未見(jiàn)明顯破壞。由此可見(jiàn)，優(yōu)化后的膠裝劑配方滿足空心復(fù)合絕緣子產(chǎn)品的法蘭膠裝需求，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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