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紧凑型需求推动了设计新型环氧绝缘组件

May 3, 2017 • Developments in Epoxy Materials, 最近文章汇总

正如降低成本和减少维护的要求正在影响 着架空输电线路的设计,当前中压应用中的 一个核心推动力是要求更小更轻的绝缘组 件。
INMR采访了总部在德国的环氧绝缘子供 货商,了解最新一代环氧树脂材料是如何帮 助达到这一目标的。
长期以来,环氧树脂一直是范围宽广的整体中压绝缘组件 的主导材料,用于诸如开关和变压器以及接触网和牵引电 传动的设备中。多年来,环氧树脂的配方经历了周而复始 的改变,目的是提高可加工性并且克服运行中遇到的任何 问题。例如,双酚A环氧树脂(BPA)在大多数室内中压应 用中仍然是主导材料,但发现在户外应用中却丧失了稳定 性,特别是热带地区,在持续的太阳光下双键芳香族化合 物结构断裂。为了克服这一缺陷,在化学上将BPA树脂改 善为抗高能紫外线的结构。结果产生的脂环族环氧树脂材 料(CEP)从此成为了各种不同户外线路和变电站应用的 标准。 Pic2 环氧绝缘 紧凑型需求推动了设计新型环氧绝缘组件 Pic2 近年来,为了使这一材料的应用更广泛,CEP也经历了产品 的开发,结果诞生了新的配方,保持长期的憎水性,在更高 运行温度下甚至展示了半柔性。

"开发诸如新型憎水性半柔性 的环氧极大地拓宽了可能的 设计, 满足客户不断变化的 需求。"

Hubert Wilbers是总部位于德国的亨斯迈先进材料有限 公司技术支持专家。据Hubert Wilbers介绍,这类开发使 绝缘组件生产商有更大的可能性实现设计最佳化,满足不 断变化的市场需求。Wilbers说,“新型的憎水性半柔性环 氧极大地拓宽了可能的设计范围。当今,这些材料不仅是 传统一次浇注复合材料整体绝缘子的理想材料,而且也是 一系列内有芯棒或芯管,但用环氧取代硅橡胶外绝缘的复 合绝缘子的理想材料。”
Georg Jordan是一家中等规模的绝缘组件供货商,总部 位于德国的Siegburg,这家绝缘子制造商正在使用这种 新材料扩大产品开发工艺。Jordan已有约60年的历史,一 直使用后续开发的大多数新一代环氧材料。该公司现任总 裁Ulrich Jaegers解释说,现在,生产为客户量身定制的 环氧绝缘组件这一行业的变化速度像材料本身的变化速 度一样快。
Jaegers(左), Wilbers和环氧GIS套管。 环氧绝缘 紧凑型需求推动了设计新型环氧绝缘组件 Pic3

Jaegers(左), Wilbers和环氧GIS套管。

他评述,“过去,客户通常带着具体的设计要求来到公司, 我们的基本作用是制造工具并浇注产品。但这种生产模式 已经变了。当今,客户不仅寻找产品,而且寻求预期的产品 机械和电气行为的技术建议。客户甚至需要故障模式分析 专家,目的是确定会发生什么问题,以便在发生之前就能 预测潜在的问题。”
Jaegers补充说,除了扩大服务范围以外,组件本身也在变 化,一个关键因素是更紧凑型设计的需求增加,以节省能 源或空间,或两者兼备。15年来,Jordan的其中一个主要 市场部门一直是机车牵引,高速铁路系统的生产商要求诸 如导电弓架绝缘子这样的电气硬件更小更轻,以迎合他们 自己的客户需求。这反过来推动绝缘组件供货商缩小产品 尺寸以及重量。
Jordan公司的一款新型导电弓架绝缘子已经进入了产品 开发的收尾阶段,是这一趋势最好的实例。与被替换的单 元不同,该产品不是整件而是复合件,中心FRP芯管被浇 注了半柔性憎水性的CEP所包覆。目前,该产品进入了最后 测试,将很快进入市场,允许导电弓架绝缘子支撑的重量 减少高达40%。
目前很先进的整体导电弓架绝缘子采用标准的CEP(左图)制造,凭借其半柔性憎水性,新开发的复合绝缘组件替代产 品的重量轻得多。 环氧绝缘 紧凑型需求推动了设计新型环氧绝缘组件 Pic4

目前很先进的整体导电弓架绝缘子采用标准的CEP(左图)制造,凭借其半柔性憎水性,新开发的复合绝缘组件替代产 品的重量轻得多。

Jaegers坦承,“当然,在这一应用中,硅橡胶复合绝缘子 也可以满足减轻重量的目标,但是对于运行速度高达 300公里/小时的机车来说,硅橡胶的解决方法不现实。问 题在于伞裙摆动得太过剧烈,伞裙的大直径导致碰撞上面 的伞裙,有效地降低绝缘性能。我们的新型环氧解决方法 克服了这一缺陷,同时仍然满足了减轻重量的要求。”
Wilbers解释说,在这种情况下,材料的柔性必须达到在 弯曲应力下随芯管而移动,却没有与芯管关键界面处发生 分离的风险,所以,新型半柔性CEP被视为护套的理想材 料。他说,“在中心有芯棒或芯管的情况下,标准环氧材料 太易脆。需要一种柔性足以能够随着芯棒朝任何方向移动 的材料取而代之。这一固有的柔性也确保机械冲击情况下 具有足够的拉伸长度并且防止断裂。”Wilbers评述,在使 用复合材料的设计中,相对于硅橡胶,环氧材料的另一个 优势是外部伞裙和FRP芯棒之间优良的粘接,生产中不需 要底涂。
真空浇注可以看到树脂和固化剂存放在单独的罐体中,等待着进入真空管之前送入静态混合机。 环氧绝缘 紧凑型需求推动了设计新型环氧绝缘组件 Pic5

真空浇注可以看到树脂和固化剂存放在单独的罐体中,等待着进入真空管之前送入静态混合机。

在这种情况下,最终用户附加了减少维护的要求,憎水性 CEP被认为占据优势。机车运行中导电弓架绝缘子暴露在 从架空线上脱落的污秽环境中,憎水性确保了这种运行环 境下的良好电气性能。Wilbers说,加速老化试验表明,环 氧材料伞裙在绝缘组件预期的30年寿命期内将保持憎水 性迁移和恢复的特性。

"新型更坚固的环氧材料, 诸如憎水性CEP, 允许我们有 机会开发品质高、重量轻、 壁更薄的产品。"

像多数环氧绝缘子制造商一样,Jordan使用两种截然不 同的生产技术,真空浇注和自动压力凝胶工艺(APG)。尽 管两者都使用类似的环氧树脂、固化剂和速凝剂,两种工 艺的差别之一是所生产组件的产量和相对尺寸。例如,真 空浇注的固化温度只有约80°C,生产周期长达2到3个小 时,通常用于生产较大的组件,诸如直径高达等于或大于 1.8米的发电机护套。因为产量较小,要求工作人员一个工 作班次内管理使用多个不同的生产工具实属正常。
采用APG生产15 kV环氧铁路绝缘子的先进模具。 环氧绝缘 紧凑型需求推动了设计新型环氧绝缘组件 Pic6

采用APG生产15 kV环氧铁路绝缘子的先进模具。

APG占Jordan总生产的70%,固化温度高达150°C,生产 周期短得多,有时只有15到30分钟。Jaegers说,由于浇注 发生在相对很短的时间内,发生断裂的风险实质上高于真 空浇注工艺。他强调说,“使用APG时,比真空浇注期间的 收缩率更高,必须时刻认真考虑使用的材料。”
气泡的存在是导致产品报废的有效因素,不论哪种技术,关 键的一个生产参数是保持绝对的真空,消除气泡的风险。事 实上,组件接受常规X光检查,查找并且测量任何可能的夹 杂物的比例,确定是否需要工作人员调整生产参数。
新型复合导电弓架绝缘子的研发过程是Jaegers所说的 本行业的业务已经发生改变的典型代表。他说,“当今, 我们在诸如贸易展销会上不断寻找产品创意,并且思考 如何采用不同的方式、用不同的材料制造新产品。”例 如,Jordan的设计部门近来一直在考虑研发用于隧道中的 紧凑型环氧铁路绝缘子,与现在的瓷绝缘子相比,隧道中 更少维护和更轻重量两者兼备的环氧绝缘子是理想的。
这一设计的研发过程包括模拟震动,目的是确定提出的设 计在正常运行条件下的表现如何。设计部长Stefan Jutz 解释说,这种绝缘子将附加在2.5米长的芯棒上,因此, 必须能够承受很高的机械力。正如新型的导电弓架绝缘 子,这里考虑采用的材料也是同样的憎水性半柔性环氧材 料。Jaegers提到了采用传统CEP的一款令人振奋的更紧 凑型电力变换器设计,现在接近研发阶段的尾声,Jordan 希期这一产品年底进入市场。
以Jordan采用新材料以及现代制造方法为坚强的后 盾,Jaegers看到了Jordan有能力满足现在客户提出的对 特殊绝缘组件的需求。他说,“客户告诉我们需要什么产 品,我们则必须以高生产品质达到客户的需求。令人欣慰 的是,技术帮助我们达到了这一点,例如静态混合机这样 的设备。与以前的搅拌混合机不同,静态混合机确保了更 好地控制工艺和恒定的生产条件。”
Jaegers认为,就环氧材料本身来说,除了过去为了提高 生产效率努力改进可加工性以外,近年来也取得了很大的 进步。Jaegers说,“新型更坚固的环氧材料,诸如憎水性 CEP,允许我们有机会开发重量更轻、壁更薄的产品,更好 地满足不断变化的市场需求。”他说,与此同时,要求缩短 绝缘距离的更紧凑型设计需要更多产品设计和制造的专 业知识,现在需要更高水平的专家。
Jaegers总结说,“所有这些本行业的变化使制定方案的 时间比过去更长。但是,有了更好的分析和测试,客户现在 趋于更信赖最终产品。对于我们来说,客户对我们产品质 量的信赖是最重要的。”

   

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