一种干式高压套管绝缘装置及其使用方法
阅读说明：本技术 一种干式高压套管绝缘装置及其使用方法 (Dry-type high-voltage bushing insulation device and use method thereof ) 是由 安泽庆 张艺潇 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：一种干式高压套管绝缘装置及其使用方法,包括载流导电杆、导电接头、主绝缘芯子、安装法兰、硅橡胶伞套、均压球；所述主绝缘芯子的内腔壁上喷涂半导体漆并且在主绝缘芯子的内腔壁上形成等电位面,所述载流导电杆穿设在主绝缘芯子内并且与等电位面相连形成高压电极；所述导电接头和均压球分别安装在主绝缘芯子的两侧。本发明所述的干式高压套管绝缘装置及其使用方法,结构设计合理,将载流导电杆、导电接头、主绝缘芯子、安装法兰、硅橡胶伞套、均压球、接地电极组装成干式高压套管绝缘装置,使用在交流电力系统或者直流电力系统中,通过采用改性环氧树脂,提高改性环氧树脂的耐紫外老化性能、绝缘性能、拉伸强度。(A dry-type high-voltage bushing insulating device and its operation method, including current-carrying conducting rod, conductive joint, main insulating core, mounting flange, silicon rubber umbrella cover, equalizing ball; semiconductor paint is sprayed on the wall of the inner cavity of the main insulating core, an equipotential surface is formed on the wall of the inner cavity of the main insulating core, and the current-carrying conducting rod penetrates through the main insulating core and is connected with the equipotential surface to form a high-voltage electrode; the conductive joints and the voltage-sharing balls are respectively arranged on two sides of the main insulating core. The dry-type high-voltage bushing insulation device and the use method thereof have reasonable structural design, and the dry-type high-voltage bushing insulation device is formed by assembling the current-carrying conducting rod, the conducting joint, the main insulation core, the mounting flange, the silicon rubber umbrella sleeve, the voltage-sharing ball and the grounding electrode, is used in an alternating current power system or a direct current power system, and improves the ultraviolet aging resistance, the insulation performance and the tensile strength of the modified epoxy resin by adopting the modified epoxy resin.)
技术领域
本发明属于高压绝缘套管技术领域，具体涉及一种干式高压套管绝缘装置及其使用方法。
背景技术
电力电缆及其附件的安全运行是整个电力系统安全的基本保障。与电缆本体相比，电缆附件是薄弱环节。以往输电线路故障发生的概率表明，电缆附件故障率占约70%，因此电缆终端作为关键的连接装置，其运行状态将直接影响到电缆线路的安全运行。
要保证电缆终端可以稳定可靠的运行，高压绝缘套管的设计及其重要。在干式高压套管绝缘装置中，环氧树脂因其优秀的电气绝缘功能、机械性能以及经济的价格，被广泛应用于干式高压套管绝缘装置的绝缘防护上。但是，环氧树脂耐热性差，运行中产生的热量会使环氧树脂发生热老化，导致交联的树脂分子先紧固再降解和应力变化，随老化时间增加降低材料的绝缘性，而裸露在外的环氧树脂部分会受到紫外线辐射的影响，会使环氧树脂发生光老化，导致其各方面性能下降。因此，需要研发出一种干式高压套管绝缘装置及其使用方法，以来解决上述问题。
中国专利申请号为CN202110040971.9公开了一种电力系统用新型干式套管，目的是使制成的套管种类范围广，可以用于交流电力系统，也可用于直流电力系统，没有对干式高压套管绝缘装置中环氧树脂老化导致各方面性能下降的问题进行解决。
发明内容
发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种干式高压套管绝缘装置及其使用方法，结构设计合理，将载流导电杆、导电接头、主绝缘芯子、安装法兰、硅橡胶伞套、均压球、接地电极组装成干式高压套管绝缘装置，使用在交流电力系统或者直流电力系统中，通过采用改性环氧树脂，提高改性环氧树脂的耐紫外老化性能、绝缘性能、拉伸强度，应用前景广泛。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种干式高压套管绝缘装置，包括载流导电杆、导电接头、主绝缘芯子、安装法兰、硅橡胶伞套、均压球；所述主绝缘芯子的内腔壁上喷涂半导体漆并且在主绝缘芯子的内腔壁上形成等电位面，所述载流导电杆穿设在主绝缘芯子内并且与等电位面相连形成高压电极；所述导电接头和均压球分别安装在主绝缘芯子的两侧；所述主绝缘芯子外壁上设置有凹槽，所述凹槽内缠绕接地电极，所述安装法兰胶装在在接地电极上，并且形成低压电极，所述硅橡胶伞套设置在主绝缘芯子上，所述接地电极的空气端电极包裹在硅橡胶伞套内；所述主绝缘芯子由玻璃纤维纱浸渍改性环氧树脂并且通过拉挤成型的绝缘管制成； 所述接地电极由浸渍改性环氧树脂的碳纤维制成；所述改性环氧树脂，按质量份数计，主要由以下组分构成：环氧树脂90-100份、固化剂70-80份、增韧剂15-18份、改性ZnO 2-5份、促进剂0.5-1.0份。
本发明所述的干式高压套管绝缘装置，结构设计合理，主绝缘芯子由玻璃纤维纱浸渍改性环氧树脂并且通过拉挤成型的绝缘管制成，在主绝缘芯子内侧喷涂层半导体漆，形成等电位面，与载流导电杆连接，形成了干式高压套管绝缘装置的高压电极，在外侧的安装法兰部位加工出一个弧形的凹槽，然后用浸渍改性环氧树脂的碳纤维丝沿槽平铺缠绕，固化后经车床车加工形成半导体、没有尖角的等电位层，用来安装接地的法兰，形成低压电极。 低压电极的上端包裹硅橡胶伞套作为外绝缘，以改善接地的场强，提高局部放电水平，环向缠绕的碳纤维层不但可改善电场，更重要的是可以有效防止绝缘管出现纵向开裂，这是因为拉挤成型的绝缘管只有纵向纤维，缠绕高强度的环向碳纤维后，可避免开裂风险。
主绝缘芯子、接地电极中均使用到了环氧树脂，常规的环氧树脂耐热性差，运行中产生的热量会使环氧树脂发生热老化，导致交联的树脂分子先紧固再降解和应力变化，随老化时间增加降低材料的绝缘性，而裸露在外的环氧树脂部分会受到紫外线辐射的影响，会使环氧树脂发生光老化，导致其各方面性能下降。
本发明所述的改性环氧树脂，通过加入改性ZnO，对紫外光具有极强的吸收作用，可以提高改性环氧树脂的耐紫外老化性能，此外，在固化剂、增韧剂、促进剂的配合下，改性ZnO颗粒表面活性基团可以参与环氧树脂分子的交联反应，加强界面间联，改善界面处陷阱能级进而提高改性环氧树脂的绝缘性能，同时可以更好的束缚环氧分子形变，提高了改性环氧树脂的拉伸强度。
进一步的，上述的干式高压套管绝缘装置，所述环氧树脂为双酚AE51型，所述固化剂为甲基四氢苯酐，所述增韧剂为DH410，所述促进剂为DMP-30。
本发明还涉及干式高压套管绝缘装置的使用方法，所述使用方法，所述使用方法，所述使用方法，是将载流导电杆、导电接头、主绝缘芯子、安装法兰、硅橡胶伞套、均压球、接地电极组装成干式高压套管绝缘装置 ，然后使用在交流电力系统或者直流电力系统中 。
进一步的，上述的干式高压套管绝缘装置的使用方法，在组装前，需要先制备主绝缘芯子，所述主绝缘芯子的制备，包括如下步骤：将多股烘干后的玻璃纤维纱在改性环氧树脂的胶池中充分碾压，浸润，然后通过一个模具压缩、挤压成管状的绝缘管，通过固化烘箱烘干。
通过玻璃纤维纱及改性环氧树脂的特性，经拉挤工艺制得的主绝缘芯子电气性能优异，机械强度高。
进一步的，上述的干式高压套管绝缘装置的使用方法，所述主绝缘芯子是内径50-100mm、外径100-200mm、长度1-3m的圆柱型绝缘管，内部无电容屏，所述绝缘管的绝缘厚度为20-60mm，然后在绝缘管内孔喷漆一层半导体漆，在绝缘管外侧离底部300-400mm处，往上车削深度为1-2mm、宽度为500-800mm的凹槽。
进一步的，上述的干式高压套管绝缘装置的使用方法，
进一步的，上述的干式高压套管绝缘装置的使用方法，在组装前，需要先制备接地电极，包括如下步骤：在主绝缘芯子的凹槽缠绕浸渍改性环氧树脂的碳纤维作为接地电极，其中接地电极下端300-500mm长度作为安装电流互感器的接地部分，接地电极中部100-150mm长度用作安装法兰，接地电极上部100-150mm长度包裹硅橡胶伞套。
进一步的，上述的干式高压套管绝缘装置的使用方法，所述改性环氧树脂的制备，包括如下步骤：
（1）、改性ZnO的制备：配置硅烷偶联剂KH550水解液，向干燥的纳米 ZnO加入乙醇，搅拌分散均匀后加入硅烷偶联剂 KH550 水解液，充分混合后，机械搅拌 40-60min，并辅以超声波搅拌，得到混合溶液一，将混合溶液放置于鼓风烘干箱内，烘干后研磨备用，得到KH550改性ZnO；向KH550改性ZnO加入丙酮，机械搅拌30-40min，并辅以超声波搅拌，得到混合溶液二，向混合溶液二逐步加入端羧基超支化聚酯，加入对甲苯磺酸，在100℃下使用磁力搅拌 40-60min，磁力搅拌转速调为1000-1500r/min，得到混合溶液三，将混合溶液三置于干燥箱中烘干，研磨，得到改性ZnO；
（2）、改性环氧树脂的制备：对环氧树脂进行加热，将改性ZnO加入环氧树脂中，机械搅拌40-60min，再依次加入固化剂、增韧剂、促进剂，继续搅拌60-90min，并且辅以超声波分散和 50-60℃水浴加热；搅拌均匀后，得到混合溶液四，将放入混合溶液四真空干燥器内，脱泡，得到改性环氧树脂。
因为纳米 ZnO 粒径小、表面活性高的特点，纳米 ZnO存在超细粒子团聚的问题，为了纳米 ZnO粒子在环氧树脂中的分散性，避免改性环氧树脂掺杂不均一、界面相容性差的问题，本发明采用硅烷偶联剂 KH550 协同端羧基超支化聚酯纳米 ZnO，在催化剂对甲苯磺酸的催化作用下，得到具有高度枝化结构的非线性大分子，改变了聚集形态，端羧基超支化聚酯端部的羧基除参与上述反应外，其余端部的羧基还可以参与环氧树脂的固化反应，端羧基超支化聚酯末端的羧基可与环氧树脂开环产生的羟基结合，使改性环氧树脂的交联程度更好，一方面一步改善环氧树脂和纳米ZnO掺杂物间的界面，提高界面相容性，减少内缺陷。另一方面，超支化聚酯本身可以增加改性环氧树脂固化后的机械性能，引入其优秀的力学性能。
所述硅烷偶联剂 KH550 水解液中硅烷偶联剂、乙醇、水的质量比例为 5：18：2；所述纳米 ZnO与硅烷偶联剂 KH550 水解液的质量比例为3：8；所述混合溶液二、端羧基超支化聚酯、对甲苯磺酸质量比例为10：2：1。
进一步的，上述的干式高压套管绝缘装置的使用方法，所述硅烷偶联剂 KH550 水解液中硅烷偶联剂、乙醇、水的质量比例为 5：18：2；所述纳米 ZnO与硅烷偶联剂 KH550 水解液的质量比例为3：8；所述混合溶液二、端羧基超支化聚酯、对甲苯磺酸质量比例为10：2：1。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
（1） 结构设计合理，将载流导电杆、导电接头、主绝缘芯子、安装法兰、硅橡胶伞套、均压球、接地电极组装成干式高压套管绝缘装置，使用范围广，电压等级从380V～550kV或更高，电流等级可以从几安培到几万安，使用在交流电力系统或者直流电力系统中；
（2） 所述的改性环氧树脂，通过加入改性ZnO，对紫外光具有极强的吸收作用，可以提高改性环氧树脂的耐紫外老化性能，此外，在固化剂、增韧剂、促进剂的配合下，改性ZnO颗粒表面活性基团可以参与环氧树脂分子的交联反应，加强界面间联，改善界面处陷阱能级进而提高改性环氧树脂的绝缘性能，同时可以更好的束缚环氧分子形变，提高了改性环氧树脂的拉伸强度。
附图说明
图1为本发明所述干式高压套管绝缘装置的结构示意图；
图2为本发明所述干式高压套管绝缘装置的改性环氧树脂与双酚AE51型环氧树脂热紫外联合老化交流电导率图；
图3为本发明所述干式高压套管绝缘装置的改性环氧树脂与双酚AE51型环氧树脂热紫外联合老化介电常数图；
图中：载流导电杆1、导电接头2、主绝缘芯子3、安装法兰4、硅橡胶伞套5、均压球6、接地电极7。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图1-3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，以下实施例提供了一种干式高压套管绝缘装置，包括载流导电杆1、导电接头2、主绝缘芯子3、安装法兰4、硅橡胶伞套5、均压球6；所述主绝缘芯子3的内腔壁上喷涂半导体漆并且在主绝缘芯子3的内腔壁上形成等电位面，所述载流导电杆1穿设在主绝缘芯子3内并且与等电位面相连形成高压电极；所述导电接头2和均压球6分别安装在主绝缘芯子2的两侧；所述主绝缘芯子3外壁上设置有凹槽，所述凹槽内缠绕接地电极7，所述安装法兰4胶装在在接地电极7上，并且形成低压电极，所述硅橡胶伞套5设置在主绝缘芯子3上，所述接地电极7的空气端电极包裹在硅橡胶伞套5内。
所述主绝缘芯子3由玻璃纤维纱浸渍改性环氧树脂并且通过拉挤成型的绝缘管制成； 所述接地电极7由浸渍改性环氧树脂的碳纤维制成；所述改性环氧树脂，按质量份数计，主要由以下组分构成：环氧树脂90-100份、固化剂70-80份、增韧剂15-18份、改性ZnO 2-5份、促进剂0.5-1.0份。
进一步的，所述环氧树脂为双酚AE51型，所述固化剂为甲基四氢苯酐，所述增韧剂为DH410，所述促进剂为DMP-30。
实施例1
本发明所述的干式高压套管绝缘装置的使用方法，是将载流导电杆1、导电接头2、主绝缘芯子3、安装法兰4、硅橡胶伞套5、均压球6、接地电极7组装成干式高压套管绝缘装置，然后使用在交流电力系统或者直流电力系统中 。
在组装前，需要先制备主绝缘芯子3，所述主绝缘芯子3的制备，包括如下步骤：将多股烘干后的玻璃纤维纱在改性环氧树脂的胶池中充分碾压，浸润，然后通过一个模具压缩、挤压成管状的绝缘管，通过固化烘箱烘干。
进一步的，所述主绝缘芯子3是内径50-100mm、外径100-200mm、长度1-3m的圆柱型绝缘管，内部无电容屏，所述绝缘管的绝缘厚度为20-60mm，然后在绝缘管内孔喷漆一层半导体漆，在绝缘管外侧离底部300-400mm处，往上车削深度为1-2mm、宽度为500-800mm的凹槽。
进一步的，在组装前，需要先制备接地电极7，包括如下步骤：在主绝缘芯子3的凹槽缠绕浸渍改性环氧树脂的碳纤维作为接地电极7，其中接地电极7下端300-500mm长度作为安装电流互感器的接地部分，接地电极7中部100-150mm长度用作安装法兰5，接地电极7上部100-150mm长度包裹硅橡胶伞套5。
本发明所述的干式高压套管绝缘装置使用范围广，电压等级从380V～550kV或更高，电流等级可以从几安培到几万安培，可以用于交流电力系统，也可用于直流电力系统。
实施例2
所述改性环氧树脂的制备，包括如下步骤：
（1改性ZnO的制备：配置硅烷偶联剂KH550水解液，向干燥的纳米 ZnO加入乙醇，搅拌分散均匀后加入硅烷偶联剂 KH550 水解液，充分混合后，机械搅拌 45min，并辅以超声波搅拌，得到混合溶液一，将混合溶液放置于鼓风烘干箱内，烘干后研磨备用，得到KH550改性ZnO；向KH550改性ZnO加入丙酮，机械搅拌30min，并辅以超声波搅拌，得到混合溶液二，向混合溶液二逐步加入端羧基超支化聚酯，加入对甲苯磺酸，在100℃下使用磁力搅拌60min，磁力搅拌转速调为1000r/min，得到混合溶液三，将混合溶液三置于干燥箱中烘干，研磨，得到改性ZnO；
（2）改性环氧树脂的制备：对双酚AE51型环氧树脂进行加热，将改性ZnO加入环氧树脂中，机械搅拌60min，再依次加入甲基四氢苯酐、DH410增韧剂、DMP-30促进剂，继续搅拌60min，并且辅以超声波分散和60℃水浴加热；搅拌均匀后，得到混合溶液四，将放入混合溶液四真空干燥器内，脱泡，得到改性环氧树脂。
其中，所述硅烷偶联剂 KH550 水解液中硅烷偶联剂、乙醇、水的质量比例为 5：18：2；所述纳米 ZnO与硅烷偶联剂 KH550 水解液的质量比例为3：8；所述混合溶液二、端羧基超支化聚酯、对甲苯磺酸质量比例为10：2：1。
实施例2
所述改性环氧树脂的制备，包括如下步骤：
（1）改性ZnO的制备：配置硅烷偶联剂KH550水解液，向干燥的纳米 ZnO加入乙醇，搅拌分散均匀后加入硅烷偶联剂 KH550 水解液，充分混合后，机械搅拌60min，并辅以超声波搅拌，得到混合溶液一，将混合溶液放置于鼓风烘干箱内，烘干后研磨备用，得到KH550改性ZnO；向KH550改性ZnO加入丙酮，机械搅拌40min，并辅以超声波搅拌，得到混合溶液二，向混合溶液二逐步加入端羧基超支化聚酯，加入对甲苯磺酸，在100℃下使用磁力搅拌60min，磁力搅拌转速调为1500r/min，得到混合溶液三，将混合溶液三置于干燥箱中烘干，研磨，得到改性ZnO；
（2）改性环氧树脂的制备：对双酚AE51型环氧树脂进行加热，将改性ZnO加入环氧树脂中，机械搅拌40min，再依次加入甲基四氢苯酐、DH410增韧剂、DMP-30促进剂，继续搅拌80min，并且辅以超声波分散和 50℃水浴加热；搅拌均匀后，得到混合溶液四，将放入混合溶液四真空干燥器内，脱泡，得到改性环氧树脂。
其中，所述硅烷偶联剂 KH550 水解液中硅烷偶联剂、乙醇、水的质量比例为 5：18：2；所述纳米 ZnO与硅烷偶联剂 KH550 水解液的质量比例为3：8；所述混合溶液二、端羧基超支化聚酯、对甲苯磺酸质量比例为10：2：1。
效果验证：
由上述实施例2、实施例3得到的改性环氧树脂和双酚AE51型环氧树脂（对比例）进行性能检测，测试结果如表1所示。
(1) 绝缘性能：采用无 局 放 试 验 变 压 器 及 控 制 台 ， 型 号 为YDQ15KVA/200KV，对上述实施例2、实施例3得到的改性环氧树脂和双酚AE51型环氧树脂（对比例）进行局部放电起始电压与短时击穿电压测试。
(2) 力学性能：采用D2-5DL 型电子万能试验机，将上述实施例2、实施例3得到的改性环氧树脂和双酚AE51型环氧树脂（对比例）固定在试验台指定区域，使上述实施例2、实施例3得到的改性环氧树脂和双酚AE51型环氧树脂（对比例）的轴线与金属夹具的中心线对准，沿轴向以设定的拉伸速度（10mm/mm）匀速施加静态拉伸载荷，直至测试样品断裂；通过测量拉伸过程中试样上施加的载荷和伸长长度来计算拉伸强度。
表1
局放起始电压(kV)
平均击穿电压(kV)
拉伸强度(MPa)
实施例2
16.1
26.4
76.2
实施例3
45.9
26.1
76.4
对比例
8.9
15.6
34.5
(3) 耐老化性能：参考国际电工委员会 IEC-61109-2008 标准，使用紫外老化箱对材料进行热紫外联合老化，分别热紫外联合老化 1 天、3 天、5 天、7 天、9 天、11 天、13天和 15 天，然后分别对未热紫外联合老化、热紫外联合老化 1 天、3 天、5 天、7 天、9天、11 天、13 天和 15 天的上述实施例2、实施例3得到的改性环氧树脂和双酚AE51型环氧树脂（对比例）使用阻抗/增益-相位分析仪测试交流电导率、介电常数，结果见图2、图3。
由图2可得，对比例的交流电导率变化趋势呈现先增后减再增的变化，在联合老化11 天时电导率达到最低值，之后迅速增大。而实施例2、实施例3均接近于单调递减，随着老化时长的增加，实施例2、实施例3的绝缘性能不断提高。
由图3可得，对比例的介电损耗因数在老化前 11 天基本保持不变，略小于实施例2、实施例的，但在之后迅速增大，并超过了实施例2、实施例3的。实施例2、实施例3的介电损耗整体呈现随老化时间增加而变大的趋势，增长速率没有基本一致，老化时间更长时具有更小的损耗因数，由此可得，实施例2、实施例3对于热紫联合老化具有更长效的抑制作用，老化时间较长时能更好的抑制介质损耗增大速度。
本发明具体使用方法途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
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