CN111081434A - 一种玄武岩纤维绝缘子芯棒 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种玄武岩纤维绝缘子芯棒，芯棒包括玄武岩纤维，耐高温树脂，固化剂；芯棒采用拉挤工艺成型，截面为圆形或类圆形，其中玄武岩纤维的体积分为65‑75％，耐高温树脂的体积分数为20％‑40％，固化剂的体积分数为5％‑10％。上述玄武岩纤维绝缘子芯棒，拉伸强度为1200‑1500MPa，弯曲强度为1200‑1400MPa，机械强度高，满足电力工业对大直径高强度芯棒的需求，同时其结构可靠，性能稳定，安全运行裕度大，不仅避免了闪络、击穿和污闪事故，保证线路安全运行水。此外，玄武岩纤维绝缘子芯棒良好的耐温性能和绝缘性能好，满足高压、特高压电路对大直径高强度芯棒的需求，满足日益发展的电力工业需要。

Description

一种玄武岩纤维绝缘子芯棒

技术领域

本发明属于电力行业用复合材料领域，尤其涉及一种玄武岩纤维绝缘子芯棒。

背景技术

在电力行业中，不同类型绝缘子需经受长期覆冰、高海拔、污秽、高温、低温、紫外线、淋雨、雷电、地震、台风等特殊运行环境的考验，随着输送电压等级的提高，陶瓷、玻璃材料的绝缘制品存在各种制约因素，应用范围及比重越来越少。复合绝缘子因其机电性能优良、防污性能优异、重量轻、制造工艺简单、直径和高度不易受制造工艺限制、灵活性强、散热性好、耐污性能好等优点，在国内输电线路中应用得越来越多。

目前，电力行业采用复合绝缘子由耐高温树脂玻璃纤维芯棒、伞套以及两端的连接金具三个部分组成。芯棒是复合绝缘子的骨架，起着支撑伞套、内绝缘、连接两端金具以及承受机械负荷等多重作用，是整个复合绝缘子中最核心部分。随着复合绝缘子使用的剧增，其损失事故也日益增加。芯棒在使用过程中出现粉化、硬化、开裂、脆断、等现象，其中脆断已成为当前复合绝缘子最严重的事故，这种现象在超高压线路中尤为突出。所谓“脆断”是指芯棒玻璃纤维受到酸液侵蚀，在很低的载荷下芯棒纤维逐渐断裂，最终整支芯棒发生断裂。此外，芯棒中的玻璃纤维复合材料具有明显的蠕变现象，玻璃纤维复合材料蠕变断裂应力为30％fu，在长期使用过程中，其变形增加，机械性能下降，也会造成芯棒提前破坏。

现有复合绝缘子芯棒直径规格为φ24-φ40，但在超高压和特高压电路中需要使用大直径芯棒，但大直径芯棒在成型过程中纤维之间孔隙率高，导致芯棒机械强度下降，无法不满足高强度芯棒的结构设计要求。在固化过程中，由于芯棒直径增大，需要更高的固化温度保证芯棒完全固化，而常规生产工艺采用150℃进行固化，无法满足高大直径芯棒的要求。

发明内容

为解决目前采用玻璃纤维在制备大直径棒芯时，出现的一系列问题，如玻璃纤维芯棒直径不能突破40mm，大直径芯棒强度低，不能满足规范要求的1000MPa；玻璃纤维芯棒蠕变断裂应力为30％fu，在很低的载荷下芯棒纤维逐渐断裂，最终整支芯棒发生断裂；.玻璃纤维体积芯棒因绝缘不良导致被击穿，发生网络互感，污闪事故；玻璃纤维芯棒生产工艺温度最高为150°，不能满足大直径芯棒工艺需求的问题。

本发明将玻璃纤维替换为玄武岩纤维，提供了一种玄武岩纤维绝缘子芯棒，其采用的技术方案是：芯棒包括玄武岩纤维，耐高温树脂，固化剂，其他添加剂包括润滑剂，消泡剂，触变剂；玄武岩纤维为高强玄武岩纤维，耐高温树脂为改性环氧树脂，固化剂为甲基六氢苯酐，通过采用拉挤工艺成型来生产芯棒，其中所述芯棒的直径为16mm-150mm，耐温性能为180-220℃，蠕变率为4％-5％，蠕变断裂应力需>54％fu，fu为极限拉伸强度。

进一步，其中芯棒截面为圆形、方形、三角、规则多边形、椭圆形或不规则多边形，其中截面为圆形或类圆形时，直径为

进一步，各组分在整个芯棒中的体积分数为：所述玄武岩纤维占整个芯棒的体积分数为65-75％，所述耐高温树脂占整个芯棒的体积分数为20％-40％，所述固化剂占整个芯棒的体积分数为5％-10％，所述润滑剂、消泡剂、触变剂总的体积分数不大于5％。

进一步，所述玄武岩纤维粗纱细度为1200-2400tex，拉伸强度为2500-3500MPa，弹性模量为85-90Gpa；所述耐高温树脂拉伸强度为80-85MPa，弯曲强度为85-90MPa，弹性模量900-1000MPa，玻璃化转变温度为155-165℃。优选地，大直径芯棒采用高强度玄武岩纤维粗纱。

进一步，所述玄武岩纤维体积电阻率需>1.4×10¹³Ω·m，耐高温树脂体积电阻率需>1.2×10¹³Ω·m。

进一步，所述玄武岩纤维热处理后纱线拉伸断裂强度需>0.5/(N/tex)，强度保留率需>65％。

进一步，玄武岩纤维绝缘子芯棒拉伸强度为1200-1500MPa，弯曲强度为1200-1400MPa，层间强度为50-60MPa。

进一步，所述润滑剂，消泡剂，触变剂总的体积分数为0.1-3.5％，其中润滑剂为滑石粉、纳米碳酸钙、石蜡或滑石粉中任一种或至少两种的组合。

有益效果：本发明制备的玄武岩纤维绝缘子芯棒机械强度高，结构可靠，性能稳定，安全运行裕度大，为线路和安全运行提供了保障。此外，玄武岩纤维绝缘子芯棒可突破玻璃纤维芯棒机械强度/直径的瓶颈，满足电力工业，尤其是高压、特高压电力线路对大直径高强度芯棒的需求。

与玻璃纤维相比，玄武岩纤维耐温性能优异，因而玄武岩纤维缘子芯棒耐温性能好。传统玻璃纤维芯棒150℃的温度限制无法满足现有生产工艺耐高温的要求，尤其是大直径芯棒需要较高的玻璃化转变温度，玄武岩纤维绝缘子芯棒最高温度可达220℃，可实现大直径芯棒的生产工艺。同时，大直径耐高温玄武岩纤维缘子芯棒能够用于高压、特高压电路中，满足我国日益发展的电力工业需要。

玄武岩纤维缘子芯棒具有良好的绝缘性，良好的绝缘性不仅避免了闪络、击穿和污闪事故，提高线路安全运行水平；同时，还可以简化绝缘子芯棒外层绝缘防护处理，大大减小绝缘子尺寸。

玄武岩纤维缘子芯棒蠕变率低，避免了绝缘子在长期使用过程中发生弯曲变形，给横向受力的绝缘子带来二次弯矩。玻璃纤维复合材料芯棒断裂应力仅为30％fu，而玄武岩纤维缘子芯棒蠕变断裂应力为54％fu，较高的蠕变断裂应力保证其在使用过程中的安全度，同时有效提高了材料的利用效率。

附图说明

图1为玄武岩纤维绝缘子示意图。

图2为本发明玄武岩纤维绝缘子圆形芯棒。

图3为本发明玄武岩纤维绝缘子椭圆形芯棒。

具体实施方式

为进一步说明本发明的原理和特征，以下结合附图与具体实施例来详细说明本发明。

本发明中的玄武岩纤维绝缘子芯棒，是将玄武岩纤维，耐高温树脂，固化剂，润滑剂，消泡剂，触变剂，按照一定的拉挤工艺成型获得的，其中连续玄武岩纤维粗纱浸润树脂后，在牵引力的作用下，通过加热模具，快速固化成型，具有自动化程度高，成型长度不受限制，生产效率高等优点。

其中本发明中的玄武岩纤维，为高强玄武岩纤维其粗纱细度为1200-2400tex，拉伸强度为2500-3500MPa，弹性模量为85-90Gpa；耐高温树脂的拉伸强度为80-85MPa，弯曲强度为85-90MPa，弹性模量900-1000MPa，玻璃化转变温度为155-165℃。

优选地，大直径芯棒采用高强度玄武岩纤维粗纱，玄武岩纤维体积电阻率需>1.4×10¹³Ω·m，耐高温树脂体积电阻率需>1.2×10¹³Ω·m。进一步地，玄武岩纤维热处理后纱线拉伸断裂强度需>0.5/(N/tex)，强度保留率需>65％。

通过上述方法制备获得玄武岩纤维绝缘子芯棒，能够达到拉伸强度为1200-1500MPa，弯曲强度为1200-1400MPa，层间强度为50-60MPa；蠕变率为4％-5％，蠕变断裂应力需>54％fu，fu为极限拉伸强度；耐温范围为180-220℃。优选地，大直径芯棒选用高固化温度。

各组分在整个芯棒中的体积分数为：所述玄武岩纤维占整个芯棒的体积分数为65-75％，所述耐高温树脂占整个芯棒的体积分数为20％-40％，所述固化剂占整个芯棒的体积分数为5％-10％，所述润滑剂、消泡剂、触变剂总的体积分数不大于5％。

优选地所述润滑剂，消泡剂，触变剂总的体积分数为0.1-3.5％，其中润滑剂为滑石粉、纳米碳酸钙、石蜡或滑石粉中任一种或至少两种的组合。消泡剂为聚氧丙烯甘油醚、聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚中任一种；触变剂为氢化蓖麻油、聚酰胺蜡中任一种。

与现有的玻璃纤维制备的芯棒相比，本发明采用玄武岩纤维绝缘子芯棒具有如下的优势：

(1)玄武岩纤维绝缘子芯棒机械强度高，可满足更大直径芯棒的使用需求。

在使用过程中，芯棒内部各部分纤维承受的应力大小不同时，芯棒纤维中应力集中的部分因承受过负荷而断裂，玄武岩纤维的拉伸强度(2500-3500MPa)与比玻璃纤维相比(1600-2100MPa)，前者是后者的1.4-2.2倍，有利于限制纤维因部分断裂后原来的负荷向其它未断裂的部分转移，造成新的应力集中位置。此外，在高压、特高压线路中，需要采用大直径芯棒，采用高强玄武岩纤维，经过拉挤工艺成型，直径最大可达150mm，同时成型后的强度最高可达1500MPa，突破了玻璃纤维芯棒40mm的直径限制，同时芯棒的强度是玻璃纤维芯棒的1.5倍，具有较大的安全余量。

(2)玄武岩纤维缘子芯棒具有良好的绝缘性，E-玻璃纤维的体积电阻为1×10¹²Ω·m，玄武岩纤维的体积电阻率为1.4-1.5×10¹³Ω·m，后者是前者的14-15倍，良好的绝缘性不仅避免了闪络、击穿和污闪事故，提高线路安全运行水平；同时，还可以简化绝缘子芯棒外层绝缘防护处理，大大减小绝缘子尺寸。

(3)与玻璃纤维相比，玄武岩纤维耐温性能优异，因而玄武岩纤维缘子芯棒耐温性能好。传统玻璃纤维芯棒150℃的温度限制无法满足现有生产工艺耐高温的要求，尤其是大直径芯棒需要较高的玻璃化转变温度，玄武岩纤维绝缘子芯棒最高温度可达220℃，可实现大直径芯棒的生产工艺。同时，大直径耐高温玄武岩纤维缘子芯棒能够用于高压、特高压电路中，满足我国日益发展的电力工业需要。

(4)玄武岩纤维蠕变率低，且蠕变断裂应力高。玻璃纤维蠕变断裂应力为30％fu，玄武岩纤维复合材料蠕变断裂应力为54％fu，较高的蠕变断裂应力保证其在使用过程中的安全度，同时有效可充分发挥玄武岩纤维高强度的使用效率。

(5)玄武岩纤维具有良好的耐腐蚀性，耐候性，降低了线路的维护成本。在玻璃纤维芯棒中的玻璃纤维能够与无机酸进行离子交换，从而导致玻璃纤维表面出现裂纹并最终断裂。应力腐蚀中的酸物质一部分是因放电而产生，另一部分是由外界酸雨产生的以及芯棒制造过程中由残留的酸酐产生的。玄武岩纤维绝缘子芯棒由于其自身化学特性，不与无机酸进行离子交换，避免了纤维表面裂纹的出现。

实施例1：

一种玄武岩纤维绝缘子芯棒，纤维采用2000tex的玄武岩纤维粗纱，拉伸强度为2600MPa，弹性模量为85GPa；树脂采用耐高温改性环氧树脂，拉伸强度为82MPa，弯曲强度为88MPa，弹性模量950MPa。玄武岩纤维体积电阻率1.45×10¹³Ω·m，耐高温树脂体积电阻率1.3×10¹³Ω·m，玻璃化转化温度160℃。玄武岩纤维热处理后纱线拉伸断裂强度0.55/(N/tex)，强度保留率66％。

玄武岩纤维绝缘子芯棒采用拉挤成型工艺，首先将连续玄武岩纤维粗纱浸润树脂后，在牵引力的作用下，牵引速度为1m/min，通过加热模具，快速固化成型，固化温度为200℃，形成玄武岩纤维绝缘子芯棒，芯棒截面为圆形，直径40mm，经测试，芯棒拉伸强度为1450MPa，弯曲强度为1250MPa，层间强度为56MPa。在150℃下，绝缘子芯棒的弯曲强度为504MPa。

实施例2：

一种玄武岩纤维绝缘子芯棒，纤维采用2400tex的玄武岩纤维粗纱，拉伸强度为3400MPa，弹性模量为88GPa；树脂采用耐高温改性环氧树脂，拉伸强度为85MPa，弯曲强度为90MPa，弹性模量1000MPa。玄武岩纤维体积电阻率1.48×10¹³Ω·m，耐高温树脂体积电阻率1.35×10¹³Ω·m，玻璃化转化温度160℃。玄武岩纤维热处理后纱线拉伸断裂强度0.56/(N/tex)，强度保留率66％。

玄武岩纤维绝缘子芯棒采用拉挤成型工艺，首先将连续玄武岩纤维粗纱浸润树脂后，在牵引力的作用下，牵引速度为1m/min，通过加热模具，快速固化成型，固化温度为220℃，形成玄武岩纤维绝缘子芯棒，芯棒截面为圆形，直径88mm，经测试，芯棒拉伸强度为1428MPa，弯曲强度为1148MPa，层间强度为52MPa。在150℃下，玄武岩纤维绝缘子芯棒的弯曲强度为486MPa。

对比例

采用玻璃纤维制备的芯棒，通过拉挤成型工艺，后获得的芯棒。一种玻璃纤维绝缘子芯棒，纤维采用2400tex的玻璃纤维粗纱，拉伸强度为2800MPa，弹性模量为85GPa；树脂采用耐高温改性环氧树脂，拉伸强度为85MPa，弯曲强度为90MPa，弹性模量1000MPa。玻璃纤维体积电阻率1.2×10¹²Ω·m，耐高温树脂体积电阻率1.35×10¹³Ω·m，玻璃化转化温度160℃。

玻璃纤维绝缘子芯棒采用拉挤成型工艺，首先将连续玻璃纤维粗纱浸润树脂后，在牵引力的作用下，牵引速度为1m/min，通过加热模具，快速固化成型，固化温度为220℃，形成玻璃纤维绝缘子芯棒，芯棒截面为圆形，直径40mm，经测试，芯棒拉伸强度为1050MPa，弯曲强度为1120MPa，层间强度为57MPa。在150℃下，玻璃纤维绝缘子芯棒的弯曲强度为352MPa。

可见，本发明的玄武岩纤维绝缘子芯棒，与同样直径的玻璃纤维芯棒相比，其拉伸强度提高38％。随着直径从40mm增大至88mm，直径增大120％时，其强度仅下降1.5％，满足电力工业对大直径高强度芯棒的需求，且其结构可靠，性能稳定，安全运行裕度大，不仅避免了闪络、击穿和污闪事故，保证线路安全运行水。

此外，玄武岩纤维绝缘子芯棒良好的耐温性能和绝缘性能好，在150℃温度作用下，相同直径的玄武岩纤维芯棒弯曲强度比玻璃纤维芯棒的高40％，满足高压、特高压电路对大直径高强度芯棒的需求，满足日益发展的电力工业需要。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种玄武岩纤维绝缘子芯棒，其特征在于，芯棒包括玄武岩纤维，耐高温树脂，固化剂，润滑剂，消泡剂，触变剂；玄武岩纤维为高强玄武岩纤维，耐高温树脂为改性环氧树脂，固化剂为甲基六氢苯酐，通过采用拉挤工艺成型来生产芯棒，其中所述芯棒的直径为16mm-150mm，耐温范围为180-220℃，蠕变率为4％-5％，蠕变断裂应力需>54％fu，fu为极限拉伸强度。

2.根据权利要求1所述的一种玄武岩纤维绝缘子芯棒，其特征在于，其中芯棒截面为圆形、方形、三角、规则多边形、椭圆形或不规则多边形，其中截面为圆形或类圆形时，直径为

3.根据权利要求1所述的一种玄武岩纤维绝缘子芯棒，其特征在于，各组分在整个芯棒中的体积分数为：所述玄武岩纤维占整个芯棒的体积分数为65-75％，所述耐高温树脂占整个芯棒的体积分数为20％-40％，所述固化剂占整个芯棒的体积分数为5％-10％，所述润滑剂、消泡剂、触变剂总的体积分数不大于5％。

4.根据权利要求1所述的一种玄武岩纤维绝缘子芯棒，其特征在于，所述玄武岩纤维细度为1200-2400tex，拉伸强度为3000-3500MPa，弹性模量为80-85Gpa；所述耐高温树脂拉伸强度为80-85MPa，弯曲强度为85-90MPa，弹性模量900-1000MPa，玻璃化转变温度为155-165℃。

5.根据权利要求1所述的一种玄武岩纤维绝缘子芯棒，其特征在于，所述玄武岩纤维体积电阻率需>1.4×10¹³Ω·m，耐高温树脂体积电阻率需>1.2×10¹³Ω·m。

6.根据权利要求1所述的一种玄武岩纤维绝缘子芯棒，其特征在于，所述玄武岩纤维热处理后纱线拉伸断裂强度需>0.5/(N/tex)，强度保留率需>65％。

7.根据权利要求1所述的一种玄武岩纤维绝缘子芯棒，其特征在于，所述玄武岩纤维绝缘子芯棒拉伸强度为1200-1500MPa，弯曲强度为1200-1400MPa，层间强度为50-60MPa。

8.根据权利要求1所述的一种玄武岩纤维绝缘子芯棒，其特征在于，所述润滑剂，消泡剂，触变剂总的体积分数为0.1-3.5％，其中润滑剂为滑石粉、纳米碳酸钙、石蜡或滑石粉中任一种或至少两种的组合。

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