南無疆， 陳星睿， 王志文， 王禮先

（1.太原科技大學 高端重型機械裝備研究院， 山西 太原 030024；2.山西省電力公司超高壓變電公司， 山西 太原 030021；3.青島泓捷智能科技有限公司， 山東 青島 266111）

0 引 言

針對我國提出的“雙碳”目標，國家電網(wǎng)發(fā)布“碳達峰、碳中和”方案，以特高壓引領(lǐng)我國能源互聯(lián)建設(shè)。隨著交、直流高壓工程的大規(guī)模建設(shè)，復合絕緣子對電網(wǎng)穩(wěn)定、可靠地運行有重要意義。與傳統(tǒng)的玻璃、瓷絕緣子相比,復合絕緣子具有質(zhì)量輕、抗震性能和耐污性能優(yōu)良、不易破碎，能源功耗低，生產(chǎn)周期短，力學性能和質(zhì)量穩(wěn)定等特性。復合絕緣子主要由復合絕緣芯體、端部法蘭、外層硅橡膠傘裙組成。

隨著復合材料在電力電氣領(lǐng)域的發(fā)展，復合絕緣子的應用也越來越廣泛。絕緣子是輸電系統(tǒng)中使用量較大的元器件，一旦發(fā)生故障，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定造成不利影響，必須對絕緣子的質(zhì)量進行嚴格控制，以保證其運行過程中的安全性[1-3]。初期我國高壓電線路上運行的復合絕緣子都是從國外進口，隨著我國裝備技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)領(lǐng)域的科研人員對復合絕緣子持續(xù)不斷的研究，現(xiàn)階段我國生產(chǎn)的復合絕緣子質(zhì)量穩(wěn)定、性能優(yōu)異?，F(xiàn)通過對高壓復合絕緣子傘裙注射成型工藝和成型模進行研究，完成了復合絕緣子批量生產(chǎn)，通過試驗與實踐，成型的制品各項性能均滿足要求。

1 復合絕緣子結(jié)構(gòu)及性能要求

1.1 復合絕緣子結(jié)構(gòu)

復合絕緣子由復合材料芯體、外層硅橡膠傘裙和兩端法蘭組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中復合材料芯體由玻璃纖維和環(huán)氧樹脂復合而成，硅橡膠傘裙大部分通過注射成型，兩端法蘭是鋁合金鑄造而成，組裝后的復合絕緣子需保證兩端法蘭孔的角向位置關(guān)系。

圖1 復合絕緣子結(jié)構(gòu)

1.2 復合絕緣子性能要求

隨著復合絕緣子的廣泛應用，不同電壓等級的復合絕緣子性能要求不同，主要體現(xiàn)在雷電沖擊耐受電壓，操作沖擊耐受電壓，最小爬電距離和使用環(huán)境等要求，由于復合材料芯體成型工藝存在不穩(wěn)定性，如表1所示列出了對復合材料芯體性能的具體要求。

表1 復合材料芯體的性能要求

2 成型工藝及傘裙模具的設(shè)計與制造

2.1 復合絕緣子成型工藝確定

根據(jù)復合絕緣子的結(jié)構(gòu)，目前復合材料芯體主要有玻璃纖維纏繞、灌注和拉擠成型工藝成型，而硅橡膠傘裙現(xiàn)有灌膠法、擠包法、注射成型法，兩端法蘭主要采用成熟的鑄造工藝成型。綜合生產(chǎn)效率和制品合格率，對復合絕緣子的芯體選取環(huán)氧樹脂纖維預制體灌注而成，硅橡膠傘裙由注射成型工藝制造。

2.2 硅橡膠傘裙模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

硅橡膠傘裙作為復合絕緣子的重要組成部分，從早期的單傘模壓成型發(fā)展到當前的整體注射成型工藝，使得硅橡膠傘裙生產(chǎn)效率提升，傘裙的外觀質(zhì)量也有顯著改善。硅橡膠傘裙注射成型生產(chǎn)過程是在注塑設(shè)備上完成，首先將硅橡膠裝入設(shè)備塑化缸中進行加熱軟化，高溫硅橡膠在一定的壓力和速度下注入安裝在注塑機上的模具型腔內(nèi)，使其將定位在模具內(nèi)預先處理好的復合材料芯體包覆，再經(jīng)過硫化、脫模和修邊完成硅橡膠傘裙的制造。

實際生產(chǎn)中，模具結(jié)構(gòu)與制品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、模具的使用壽命等均有關(guān)系[4]。 注射模結(jié)構(gòu)為上、下打開式，模具的分型面選擇絕緣子回轉(zhuǎn)體軸心線的面上，根據(jù)復合絕緣子的尺寸，設(shè)計澆注系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)，模具的上、下模塊分為連接?？蚝统尚湍K，下模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。成型模塊的分型面設(shè)計要有便于將膠料斷開的薄凹槽和排氣槽，成型模塊斷料結(jié)構(gòu)及整體模具外形如圖3所示。鎖模力對橡膠制品的尺寸精度和質(zhì)量影響較大[5]，為防止模具在注射和硫化過程中被型腔內(nèi)的膠料頂開，在模具設(shè)計時需考慮鎖模力的大小。

圖2 注射模下模塊結(jié)構(gòu)

圖3 成型模塊斷料結(jié)構(gòu)及模具外形

鎖模力計算公式：

其中，P為鎖模力，N；n為安全系數(shù)（1.5~1.8）；s為制品外層傘裙模型分型面上的有效投影面積，cm2；p為型腔中膠料的平均壓力，MPa。

2.3 模具生產(chǎn)制造

傘裙注射成型是在一定的流速和壓力條件下將硅膠注入模具內(nèi)復合材料芯體上，注射過程中需保證復合材料芯體在模具內(nèi)定位準確且固定牢靠，避免成型后制品出現(xiàn)偏心現(xiàn)象。具體實施是將粘接好兩端法蘭的復合絕緣子芯體放入注射模內(nèi)，通過控制合模力來實現(xiàn)兩端法蘭面與模具壓緊塊的環(huán)向定位和密封，通過絕緣子兩端法蘭盤與模具端面實現(xiàn)軸向定位。模具需有足夠的強度和剛度，確保其在長期注射壓力和溫度變化下不變形、密封性良好，因此模具材料選取至關(guān)重要。模具材料應熱穩(wěn)定性好，不易變形，使用安全、可靠，成型的制品質(zhì)量穩(wěn)定，型腔板一般選用P20、718H、738H、S136等模具鋼，因其具有優(yōu)良的拋光性、防銹性、耐磨性[6]。為了保證注射后的制品能順利脫模，不出現(xiàn)粘?，F(xiàn)象，模具零件在加工后需進行多次拋光，模具型腔壁表面粗糙度Ra≤0.8 μm，同時注射過程中為了便于排氣，加工制造的上、下模成型模塊的表面要略高于?？蛎?.5~0.8 mm。

根據(jù)制品規(guī)格的不同，模具設(shè)計可以分為1模1腔、1模2腔和1模多腔結(jié)構(gòu)，制品尺寸較大時一般采用1模1腔結(jié)構(gòu)，且在長度較長時需要分段注射成型，根據(jù)圖1所示的硅橡膠傘裙尺寸設(shè)計制造的模具如圖4所示。當制品尺寸較小時，可以采用1模2腔結(jié)構(gòu)，設(shè)計制造的模具已在線生產(chǎn)，部分模具結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 實際成型模塊及模具外形

圖5 1模2腔模具部分結(jié)構(gòu)

3 模具結(jié)構(gòu)有限元分析

因特高壓復合絕緣子注射成型模具尺寸較大，一般在模具的內(nèi)部安裝電加熱裝置，為了保證模具內(nèi)部溫度的均勻性，設(shè)計模具加熱棒數(shù)量和位置尤為重要。利用 Abaqus有限元分析軟件對模具的加熱過程進行分析，P20鋼的密度為7.8×103kg/m3，熱導率為50 W/(m·K)，比熱為450 J/(kg·K)，將材料特性賦予計算模型，由于模具外部有保溫措施，模擬過程中散熱系數(shù)取較小值，加熱時間為3 600 s，環(huán)境溫度為22 ℃，加熱溫度設(shè)定為170 ℃，通過對加熱棒數(shù)量和位置優(yōu)化計算，優(yōu)化后模具溫度的分布云圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后模具溫度分布云圖

4 復合絕緣子生產(chǎn)過程及實際制品

復合絕緣子的生產(chǎn)制造主要分3個過程，復合材料芯體的制造、兩端金屬法蘭的鑄造和外層硅橡膠傘裙注射成型。復合材料芯體通過玻璃纖維預制體和環(huán)氧樹脂浸制固化成型后，機加工到規(guī)定尺寸，將鑄造、加工完的金屬法蘭粘接到加工好的復合材料芯體兩端，粘接時要保證兩端金屬法蘭連接孔的角向位置關(guān)系，粘接完成后在需要包覆硅橡膠傘裙組件的表面上涂偶聯(lián)劑，再將其裝入注射模內(nèi)進行硅橡膠傘裙成型，脫模后清除注射后的復合絕緣子分型面和澆口處多余的硅橡膠，最后對硅橡膠傘裙和兩端法蘭接口處進行封邊處理。生產(chǎn)的復合絕緣子如圖7所示，制品表面光滑，無褶皺、氣泡、撕裂和缺膠等現(xiàn)象。

圖7 復合絕緣子

5 結(jié)束語

復合絕緣子硅橡膠傘裙注射模經(jīng)過批量生產(chǎn)驗證，制品的表面質(zhì)量、精度尺寸和其他性能均滿足要求，并且提高了制品的生產(chǎn)效率。將復合絕緣子硅橡膠傘裙注射模設(shè)計成模塊化、通用化，結(jié)構(gòu)更加合理，能夠?qū)崿F(xiàn)型腔內(nèi)各模塊的快速更換，使維護更加方便、經(jīng)濟。通過有限元分析軟件Abaqus優(yōu)化了加熱模具的電熱管位置，使整個模具的溫度分布更均勻，降低了模具的熱應力，提升了注射工藝的穩(wěn)定性。