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张秀敏等 高 :压外复合绝户子外绝缘材缘料的究研应用进展
与
缘 材料绝2 0 . 60No
1高压
户复外绝合缘外绝子缘 料材的研 究 应与 进展 用
张敏 秀, 张晓
东( 北交通大学电气工京程学.北京院 1 0 4) 0 04 摘要 : 篇2献 文基础的, 在上 1综述了近年来高压户 外缘子外绝缘绝材的料新最研究 应与进用展况情 主。要介绍了压高户 外 缘子绝绝缘料所面临的材化老题问与化老机 。理重点 详细绍介 有机硅了橡胶(R s )脂 与环族 环氧树 (脂E Hc)P 等常见绝缘材 料化的与物理特性 学及以在高压外户绝缘 制子 造中的应情况用。 键调关: 户外 绝子 缘 硅;胶 橡;脂 环环氧树 脂田中分类 : 号M2T6 3 TQ 33 5 T3 .3 1 . 2 ; . ;Q3 39 文 献识标 码 ; 文章编号A 0 9 2: 9 0 2 )10 6 0 10 —93 ( 0 0 6—0 4— 6
e R e pr g s e f ctno r s o i h oh t g o t o u i a m a o iel g v a l e dour snl t r tr a s
ZHAG NiX ・i Z u r ,n ANGHXio dn a a・o
g (c olo et a ig ne giB Oig J a n tie t Bs i g 1 e04 , ia)S oh f Elcc r ln iE ern。 e n i oo gUnv r i y。 i n 00 4 Ch n j
bA a t Rt e t e ee r hn d v p ln f i h o t g u d oi s l t r ma e i l rs -m s c :r cn r sa c ad e eom e t o h g v l eao t ro un oa tr as eu a
mai ebs d n tt n -rz a de o wey o ne lta u e . T h i ggy ps a me h as fh o d o nu ao ire t sr e an t e n d cn ims o t eu to r i ls r
t
am ei a e lpe te dTh mhia n h s c lc a t ar i s a s h d pla i nn p o u — rta s r rs n . e e e c lca d p y ai h r c ei tc n tea p it s i r d c c too f h g o t gu o n d ua o f t
o i o n ihv l o e t r o s l it o rw o c mmo u d o o yr m ae i , l icu i g lso a no t rop lem r a st nld ni c n i
r b
e n yr p i yol a hit c e oya eamn i ytou e. ubr a d hd o h c bc o lca i p x r i l nr d c d
Kp e r s o tor i s lt n n a uo :ii o ub rhd o h b c c c o lh t ceo y yowd : ud o n uai g i sl t r sl n r b e;y r p o i y l a i ia p x c p
1 前
官
。高陶 材瓷料性的分子刚结赋构了予其高很机械的强 度 因,此需要不其它材料进补行 ; 强③成本。低陶 的 瓷材原料 ,如粘土 、石以及石英长均十分便宜等易。得 但 近年是, 随来着现电力工代的发业展 瓷质,缘子绝 在某 些能性方逐面渐暴露 出缺陷。 主表现在要如几下 个 面方: 脆 性大 这。就 味意 着在 其加 、 工 ①运输 、安装 以 及 护维程中非常过容碎裂易 。在这定一程上增加了度 其 本 成;② 重大量陶瓷。致密结的构定了陶瓷决体的
重量 常大 。非在 装安过 程 中 仅 需要不起 设重 备,而 且
户绝缘在整外绝缘个系中体有重要地位占。而 绝 子在缘户外绝系统,缘特是别在户高压外缘系统 ,绝
如在
电与变配电统系又中起举足轻着 的作用重 由于。
外环户十分境复杂 有,时至是甚十恶劣, 因此对户分
外绝 缘子 外 缘材 绝料 提出 了 高很的性 能要 求 , 如 要求
优有良的高低温性耐能、耐 紫老外性化、能耐 生物 腐 与蚀化学腐蚀性能及以强度高与高疏水性 等 u。 ・绝
缘 按子照所使 用外绝缘 材 料 的不 同可 以近似 分为瓷
质缘子与绝非质绝缘瓷子大两类。早期 绝缘子主的 要 是由 瓷陶玻璃与造制的。瓷陶为一作绝种缘料。 其材
应 用已经有 百年上的 历史 。作为 缘绝子材 料 其具 如 有
要建造必要需的支撑构 ,结这 在定程一度也上加了增 成本 ;③空 心失效问 。题 当绝缘子部产生电弧时,内压 力会快速大,增如 在果到达外壳能承所受的限极压 力前不及能时释地压放,力则外壳 能可破会裂当。生 发种情这时况, 陶瓷片碎在会相大的作当用力下崩。 出这 种失模效式分配式在载放过电中器常经以可遇到; ④防污 性差。能 瓷材料分子结构陶中稳的定学化使
键其
具 有很大的 面 表自能由。 因此 瓷 质 缘绝 子外表的 面 易吸湿 。水性 的 表 面得 瓷质使 缘 绝在污子 大染 的 亲
地性能下点特 ①【稳定好性陶瓷分。子构结存在中 , I :很 强的子键。离在或硅酸盐分子硅构中结,硅原 子氧 与 原间的子砌堆度很密,大这 方面两作的用使陶瓷绝 得缘性 很稳定能, 般一受不环境影的 响;②机强械度
收日期穑: 02 0 一l 50— 1 7
作简介者 张秀:敏.博士 。女。 主要从 事新绝型缘术 、 相技关材料的 电磁场理基础论究。电话研 1 — :8 31 0 605 6 8 4,电信箱 ;子 hnx z asm@ d
j. ueu c q tn.d .a
区很难正常运 。 因为表面的行珠污会降低绝子的表 缘面
阻电 。而 导 致闪络 故 等 障Ho从 I
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缘材绝 料0 o I 260N.
张敏等秀:高户压外复绝合子缘外绝缘材料的究研应用与进
4展 7
鉴
上述问题,于人们 将 目光转 了非向瓷质缘绝 子 的究研开与发。2世 6纪年 以来代 , OO聚合 材物在 料电力 工 中业的用应 逐渐受 到了广 泛 的 视 重。 出 1 表
了 电列系统 力常用中聚 合材物 的料类种 。由 于合 聚物材
子用外绝
缘材的最料研究成新 , 介果绍相关材了的 料 究与发研 展 状现。 2 高压外户合绝缘复子的化老
一
料 有重量轻、 具电介 性优 能等良优点,因在绝缘此子 制造中的逐步得到也发了展。 其尤近是来在设年与计 制造 术技飞速发的 已经展使聚合物绝缘受到子 了越 来越广 泛 的应 用。 衰
1 电系统力常用 的 合聚材料物
聚 物合型类 聚 合材物 应料的用 电系 力统 电 缆 变 器压
般而 言 ,合复绝子主缘 要三由分部成构:单向
玻璃
维棒 、纤 属终端金部以及聚件合伞裙 (物外 缘 绝材料) 。裙的伞作用要主保护玻是棒免受环纤境以及 表 面漏电 流的蚀侵。1 图 给出了压高外复合绝户子 缘 在运过程中行面临的主所要老 问题化【 由I图中 可 lo以看
出 老化 主 要, 来材自 生料 工产艺 、机械作用 、 境 环
塑热性 聚 烯(乙E P) 材 料聚 苯二 甲酸 对乙二醇酿( E ) P T 聚 苯醚硫 ( P P S) 聚 合物 弹 性 体
外等部作用及以热 、等 电部内作用两个方 。这面方 两面 所生的产化老要表现主材为的氧化料 分解、、 蚀腐
以 及 产干生带电 弧 电、 。等 漏
硅腔(橡i )S n乙丙橡 (腔 P) ER 合聚绝物 子缘 烯 一丙乙烯 双一环戊 烯二 三
元 裙材 料伞 丙橡乙腔( PE DM) 环氯树 脂浸 渍 体
环氯 /纤强增料材 玻 氯环 /2 l 2AI s o. I O氯/ 云母 浇铸环料材 ‘ 层 材压
热料同性
材料
旋转 电
机
气体 缘绝系 统( S OX ) 聚物合绝 子 缘旋转电 机 芯材 料部
复
材合料
圈1 高压户外缘子材料绝的老化
聚
合绝物子缘,称又合绝复子,缘是2 世纪6 O O年初在德国代次研制首开发的,并随 后在洲以欧美及 国地得等到发了 I 展O o年末代 年代7 初 , 6 第一代商 O业化复 合 缘绝子 问世 。 过 经3几 年 应的 , 明用在 其O 证
对 于 在 高下运压行 的 绝缘 材 料的 老 化研 表究 明 。绝 材 料 中 缘由于不 避 免可 存 地 孔在隙 高, 作压用 易下 产 生 晕电, 就 大 大加 快材 了料的 老化破坏 。此因 这作
长期物理性能
与性电方面能具较瓷有绝质缘子 为 更异优综合性的能。 复合缘绝子所之以 能够要求在分 十
苛刻电力的统系备中得设认到可主归于要聚物合 材料的质特本性。聚合物材料具如很有低表面的能, 因 此可以保证绝 子的缘面具表有水性疏,这样即 使在湿 环境 下运行可以保证绝缘也子的电气性。特 外聚此合 物材料还 具轻质 、 有安维装简护等便性特因。在此 户
高压外绝缘 中得 子到了很快 的发 展 虽。然复 绝合 缘子
高压为绝子缘材的都必料要须质地求均匀、 密致 抗 、 晕电性 好良的材, 料且而还须必进适当的耐行电晕处 理 lI o
uKa a 人等察 考人了酸工雨 境环户对外缘绝 m gi
外绝子材料的缘表面蚀机侵理 、基对聚合物材体的 料 破作用坏以及对无机于填料的影响 I【 究所研使 用l a 的材料包括 乙 烯一酸 乙醋共烯聚物( v ) E A、 硅橡胶 (1与改硅性胶橡(I 以 环氧树脂。研及发现 :究 s )MS )①雨会引酸某起些聚合物料的材表降解;面 ②机填无 , 如料三水 合 A 2 T3虽然 助于有合物材料耐聚 l( )H 。A漏 电力能提高, 的在但酸作用雨有可能加下材料表 速面降解的 ;③料表面的微材小蚀腐以及无填机料残
的
在耐性、候 机强度械 、材料相容性等面还存方不在,足 但 经过性后改可到得效有弥地。发展到今天补 复合. 缘子绝已成为户外经绝的缘要重择, 选且并计不预 久 将的在高来户压绝外方缘面据占重要位地。我国 的高 压户外复合 缘子绝研究与发的 展已经历经了几十年 的 间,时在绝缘 的子计设与造方面制取得 了著显的 步进[ 1
但是在关相材 料, 0 6- I o别是特压与高超高压绝 缘 子外缘材料绝的究研开发与面方国外与与很大却的
差 。距 本文立足 于国 内外期近 对 于高压户 外合复 绝
缘
余物能可会起聚引物合表疏面水性的低降。 如图 2 所,示 于对 EVA 言,而 本其聚合物体腐蚀与的 H在 AT 酸 雨中溶的是解步同进的,A行 颗粒H大太难完以 T 全溶 解 因,此停 在 留E A表面,V 最 导终 E致A 表面 V
完 全 失去 疏 水了 。性对 环于 树氧 脂 盲 ,而 于由二化 氧
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i绝缘
料
2材 0 . 0 N6o 1
张敏等 秀高:压外户合复绝子 外缘绝材料 的缘研 究与用进应展
49
的
合综 能。性
3 1硅橡 (胶 I . SR)
们选用 泛 广 于 户用外 绝 缘 子制作 高 温硫的化 聚四甲 基 硅二 烷氧( DS 型 硅M橡 胶作 研 究为对 。 过象加 P )通 入 水合 A 3 填l 制备 料测了 样试 。 品 采等 用三 极电充
硅 橡胶 又 称聚硅 氧烷 其 , 化学结 构 如 图 3所
u示 聚。 硅氧 烷本身并不 备橡具胶 性的质 。 必通须 过
某些段进手交联行。形 成网弹性络后体才具橡胶有 的 质 。性 弹回性 。等 3聚 示氧 硅烷 分子 构 中结 如 图。所 如 果R 乙为烯等基有具交可基团联则交,后可形联 成硅橡结构。 硅胶氧的疏键水特性予了赋硅胶橡优良
的水疏性 耐与 候 。性 键氧柔 顺性的 子分 结 使得构 硅橡 硅胶 具有良 的好工性加能 但也。正 是由于 上述原 因使 得
电统测试系 经紫了线 外(u )以v及 电处晕的理橡 硅的胶面表压衰电( 减 V情况。合表结面电 、阻s D )接触 以及 角一射线x电光子谱能( P X S 分析),他们发现 , 晕放电电 u比 v辐更能够降低射硅橡胶的表疏水面 性。 U v射辐 及 电晕以放 电所造 成的氧 破坏化 在硅会 胶表面层状橡氧化二结硅构。 E S N 等人 比了不较同的老 条件化对改性于 H IA 硅橡 胶、 I DM 以及 ESRE D M 几种 压高缘绝 SR P 、I P— 料材的 表面性能 以 耐漏 及性电 [ I。2测试样 均品添不 0 加任填何料研。究发现,这些聚 物材料合疏的性水随 着 v老u化的行而逐进降渐。低 究人员通研过外等红 测试 结果 为认 水疏 性 的降 主低要归 因 于材料 面表极 基团 (性 如基羧) 生的以及疏水成性基 团 (甲基 如)的 丧失。 v化会老低 降ED 的耐 电漏 性 u, M 认P可能 为 在是u v 化老
过程。E中D 表面 的 水疏性失损的 P M结 。 通果过接角触测的试明表,随着 分盐水的度增, 加 聚 合的物耐性水降。研究结下果还表明 。改性橡胶硅 在所有 测试 件下均表现条 出优其于它测试样 品疏
的水 性。
硅橡 胶机的械强度较,差 际实应用程中只过能过填通 料进行
强 增。
R
f5 = - 0 }
。
R
甲基 、:乙基 乙、烯、基苯基 等
聚
j硅 - 【
烷3
一
。
I CH
¨
-
E
 ̄ ’i -
吐c2H
C
H2
一
CH
I3 CH3
如
o一 j硅氯烷
I E
∈ 。
C
It
3 硅 梭
陵32 氧环树 脂 常.脂见 环族 氧 环树脂 y(lapai eoy c lC ht p x 。 o i c C P 的化学构结如 4图 E)所示 由于。环脂环氧族树脂
含不 芳香有 不族 饱和 团。 有基十分优 异耐紫的 线外 具
图 3 硅橡 形胶示成意
图硅
橡胶的低 表 面能 赋予 了 其优良的 疏性水, 使即 在 湿污 境环 下 缘, 的 表子面漏 流电也 小很n 。 这种 绝
(引uV) 能,力可成制 压户外高缘子绝取而代陶瓷 制
。品
O s i
。t
良好
的水性主疏是要由 硅橡于胶分子结 构沿着硅 中链分子骨架排氧的有机列基团造成的。 这所聚烯烃与 优良 疏的性是水似类的除了优。异表面的疏水性外。 硅 橡的胶表具有疏面水复效恢 ( 应 E是也作其 为 RH )高压户外绝 材料缘一个关的键因原在。污染区重 。 当 环 湿境较度大,时在 缘子绝表面形易成面表 弧电。会 破坏 橡胶的硅面表疏水性 从而使。漏电增流大 然而。 。 在 经过1- 1h 干而燥且存在不电的弧期, 0时 2 橡胶硅 的 面疏表性水即得到恢会复 这,就所谓的疏水恢复是 效 ( 应)EH R 。造成这种效应的要主因可原于归橡硅 胶分 子结构柔中顺 s的 .i 键以O易运及、 自由动硅 的烷分链子这种。可 由运动 自的 分子低量 聚物链 合 (w)M L在干 而燥且有电弧没的况情可下从硅胶橡 体迁移本表面到。同时亲水基团从 表迁移开 [,】面1 8 7 。 1 Y uo n人等针对户绝缘外在紫外线以子表面及 放 作用电下的效问失, 研究了硅橡题 户胶外绝缘子老 化过程中的在面表情况及硅橡以的胶HR E效应【1 他l’ 。
Hm。 HCl
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圈
4 商化业环脂族环树氧的脂学结构化与牌
号
P作 C为高 户压 外 复
合 绝 缘子 材 料 已经 有 3 E
O多
年历的。与陶史瓷或有 硅机脂绝树缘相比子。由
C P制造 的 绝缘 子 具有 更 优 异为的 机 械性能 ,可 以 E
作结构 用材。料其疏但水 却无性法有与硅树机相脂 比 。为。 人此研究们开发并新了代疏一性脂环族环水
树氧脂(y pr o i P。CHCP) hodh b e E E。C PH材 实料 E际上是 通在 型 C 用EP材料 中加 某入些 具有 殊流 特变 能 性的加 添 剂而构 成的这些 特 殊 添的加 剂粒 的径
大
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5 O
张 敏秀等高压户:外合复绝缘外绝子材缘的研究料与用进应展
绝
缘料材 20 1 o60N .
约为1 rm,于其由特的殊流变性,能此因以可起 2~a
到 化剂的乳作 用。在 HC P 固后 , 化些添 剂 加能 够 E这
迁 移到材料的表面 。且并 入进 污秽 。从而层 改 变污
玷 耐漏电以 及腐 蚀性耐 能另 。外 ,由于硅 化烷 二的氧 化
硅(T SS) 在湿 境环 下 对保 持材于料 介的电 能有 性帮
助,此 非因常适宜 作 用C 以P 及CHP 合复 缘绝 E E子
绝缘 材料的 料填 。 表
3 复合 缘绝 用子环氧树脂的 成 组C
E PHCE P
层状
态 其。 作 与硅用胶 橡的 中低分子量聚 合链 物( Mw L) 移迁类。似通 常 C P,料材是种一胶状体。HE 在 轻微搅拌或热加到 ~4℃时5很易液化容即使。 0 0 经过不搅或加拌也可热将通其过真直接空包从装 物
中入抽实 验器 容中 。
环 氧 树脂 CY 4 1 8 氧 环树脂CY 52 6 2化固 xw剂1 3 2
5lO
O I OO 9 0 8 2
与传统
PC料相比, C 材P具如下特有 旺 性 :E HE ¨ ① H PC 有具水 转换疏效 应( E) HE T,即将 绝缘 子外 绝缘 水亲污性秽层转为变疏性水 能的力,如图 5 (a) 示所 ) ; PC具有疏恢水效应复 R( )即通 暂 过(H E  ̄ H E, 时受 性损迫耗( 如 放 作电用)使最 初 的水 疏性得以 恢
复 能的力 , 图5 b 示 ; H所 C具P有 优 良 耐的热 如 () ⑧ E
固
化促进剂DY 206
二氧 硅
O化5.
30 7
2 4535
5
由
于上 材 料具 有 突 出的述性 , 质因在全此球 电 力
循 环裂开。性由于 特其别结的成构分, 在温变化时度 即使, 金 与接属 插件 热 膨的 胀系数 不 配匹 在 H, PCE 料材也中会不产生大过的应。 力
于具由 有 如上 特 性, 由CHP 制 的绝造缘 子 可
E
系统 中
,多众中 高压外户复合绝子缘采用均橡胶硅
括 室(温 硫化 硅橡胶 ( V)T包 R 、高温 硫 化硅 橡 胶
(T )
H v 及以改硅橡性胶( I等) 环族环氧脂疏或 S)M、 性脂水族环氧等作为环绝外材缘料例如。 德国慕。尼
黑的 S d e公a司是 一家世 界 著名 专的业电 力 辅 助 i kf b 设l 供施应 ,商开发 的 压高 外户 绝缘 终端产 品广泛中 其
使 到用复 合绝缘子 如。工可 作于7 . ~ 1 V的 0E 2 57k— F CH 系列以 及 32 5 0 V 的 E VC 6 V 5kHF S系 列 产
以
有效防 止绝缘在 表子面 形 污秽成饱和 区 ,从 有而助
于
减表面小的电放性活, 降低 了发生弧电击的穿能
可。 性
品 这些。户外端终广泛用到使橡硅胶或环树脂。氧
如 6 图示 ,所EVC 终 是端一种 户 电外封缆头, 采用 H F
刚复性绝缘子合行绝缘。进该绝缘子 由玻纤 增的强 环 树氧构脂,成 伞裙是由高电则绝性缘硅橡的制成胶 。
水亲 表性 面疏水 袁性 面
E
FC终 同样端也一种户是 外电封头,缆 VH其采用的 复合绝缘子外绝 材缘则料是高电绝缘 疏性水环氧 性
脂树 。
7
一
)(b
图 5 HEC P 的疏水 性特
B il等 人详细比较 了 CPC )8H E e es Ee( Y 14与 C P ( Y2 的性6 【能。他们 选择 如表 了3 C52 ) 2¨ 示所的氧 环 脂体树系, 统系比对了两这树脂类疏在性、 耐水蠕变 性 、热 化、 uV老老化、 压高漏电以吸水性等及六个 方面 的能。 结果性明表, 固后的 化 E C H材料具有P优 良的疏 水性和 疏 水换转 应效( HT E) 而C P材料 则 基。 E本没有 。
外此 , ECH 材 P较 C 料P材料具 有 为更优 E良 的耐蠕 性变以及 似类 耐的 热 能与 性耐 U V 性 。 能 别特
值得
意 注是 , 经的 60 过的 Uv 测h ,试 E0 H0C 仍P 然
保持 了初的最水性疏 ,而C 材料则P损失了分疏 部 E性水。 研还表究 明。 二 化氧硅 填充的 H C P材 中 料 E 加入 在量少A H( T水合 1 )可A 以显著提 高材料 的 三 2 0,
H FVEC7 . (25~ 1 V0 7) k
En
FVC(6 ¥3 5 ~5 0V 5k )
外户|绝终端 I
户绝缘终靖 外
图
6f k b lS d a公司e的高户外压缘绝终端产品 i
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绝缘材m料 20 . 6 N0 1o
秀张等敏 高:压外复户合绝 子外绝缘材缘
料的研究与应用 展进
5 1
国我复合绝缘在子方面虽起然步较晚 但,经过多 年
基的础 与应研用 究 。目前也 取 得 一定了 的 进展。 如 广迈州 林克 电有 限公 力 研司 的 7 0制 V 复合绝 缘子 5 k 在 0 年2顺利通 过了 国机械 工中业联 合 会组 的织 技 4 0术 定 鉴会,各性 项指 能标 到 达了 外国先进 平,水 标志
【 】蒋 良。 9兴 张志 劲. 胡林 .建舒 立 春, 才新 孙高海拔下不 同.伞结
形 70V构 合成缘绝短样交流污 秽子闪特性络及 其较 比【】 5 kJ 中
国.电 机工程 学 , 0报5 2 ( :25 —41 20 .5)1916. 【O 维吴.宁1】 胡 毅。 桂 苗,良吴 光亚 .10 kO 0 V级交流 电输线路用复
合绝
缘可子性行探 【 讨 J】.高 电 技术,压0 5 3( )3 — 3. 2 . 105 : 13
n a n p yrc a d o ie ios l tn 【1 aTka T A.gi go ofl me i n cm p t s nu a i g 1】
着我复国绝合子缘生产迈上了新的的阶。 台然我虽 国在复合绝 缘子生的方产面取得了长足的进 ,步 但产 在品
创原性方面不 够。 4 柬结语
mae
li 【】 EITr a n n tn D ete n lcri tr J .EsE a sc ls o il ccra Edtei a so- c Ils l n t2 0 (。) 7 4— 76 naaui 0,2 5 90 : o 1.rn
r rR S. C A n a dDC r om ac f ep r fne o 【2 M o e oV M。 o Gu 】1
p
lmi ehu igm aie srfHV o t o isrlt r J.oy r ocsn tra o d un uos【a】 l
IEEE a csisno e tis e Elnrcc ln u lin. rTn a t o n iDlcr ca d eti Ia at s o
高压
户外 复合绝 缘子 外 绝 缘 材料 运在行 过程 中
9 .1( 3) 2— 30 9 9 63 : 54 . 3 Ku a a 【。SW a gl m】 g ni S。XYo hmur u .fc dg rd o t s a iNS ar eea a n
pi hn onaf uod r lpm e n au gie m e o t o o y ri sl t mane li u orta d se t
主
要面临来自材 加工料艺以工及环 等境素因
的老化 问 题 。橡硅 胶 、性改硅胶橡 、环族环氧树脂脂等合物 聚
料具材 有优 良的高耐 温 性低 能、耐 外 紫线 辐性射能 、 面疏表水 性、化学耐腐 蚀 性 能以及 良 好机械的 强 , 度 因 此 广 用泛于 制高造 压 外户绝 缘 子。 前 目内国在这类 材料方面 的 研究尚 处 起于 步阶段 。 了满 为足 下一 代电 力系 统于对绝 缘 料 材的高 能性要 求, 开发 具 有 主自知
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京: 化学业 出版工社 。 03 2 0 . n
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识产权的外户绝缘料材具十有重分的要社意义会 希 。望国 内的关材相料科学与 电气科有效地学结起合,来 在高压外户合复缘子绝材研料究与开发方面早 日取
得 丰硕的成 果。 参 考文
【献 Ma k 】c v 。 a S .Plm e d u on u ia mga elil c e ihJ hh Moy r o t ro s lti t rs a
Pan t :C Iro m rp s ofn roan ea p l e eme it ai a .io p c i nl doy rlrc cln
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】 福张林. 王黎4明 。陈丽 虹复合.绝子缘耐 腐蚀特电点及电其老蚀
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【】】 吴 亚,光6 蔡炜 . 范林建,张军 .汪兵 .祥机复合有绝缘子究研现 状
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方及【】 高电向技术压.00 (25) —,65 J .2 。6 3:20 5.3
【 张】林福 复.绝合缘外绝缘子基硅橡胶材表面的水憎和憎性水迁 7
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移性机
理分析【】 华 北力电术,技9 9 1: 91 J. 19( ) —12 .
【 】 海高峰 8 .志贾。东关志成 运行.多 R V年涂绝料缘子表 面涂层 T
c cia t ph ux rd i ls t sse [ n E 】yl lai o yeo t o nua i ytms J . EEI o pc
oEcrla I sl t n aMai e 20 7,4 :3 9 ei tl uain gz n.0 11 () 3 — 3. c o
老
分析化研究 【】 中国电机工程学报, 0 52 ( ) 81 6 ,J. 20 .5 9 :5 1 —3
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4c 6
张秀敏等 高 :压外复合绝户子外绝缘材缘料的究研应用进展
与
缘 材料绝2 0 . 60No
1高压
户复外绝合缘外绝子缘 料材的研 究 应与 进展 用
张敏 秀, 张晓
东( 北交通大学电气工京程学.北京院 1 0 4) 0 04 摘要 : 篇2献 文基础的, 在上 1综述了近年来高压户 外缘子外绝缘绝材的料新最研究 应与进用展况情 主。要介绍了压高户 外 缘子绝绝缘料所面临的材化老题问与化老机 。理重点 详细绍介 有机硅了橡胶(R s )脂 与环族 环氧树 (脂E Hc)P 等常见绝缘材 料化的与物理特性 学及以在高压外户绝缘 制子 造中的应情况用。 键调关: 户外 绝子 缘 硅;胶 橡;脂 环环氧树 脂田中分类 : 号M2T6 3 TQ 33 5 T3 .3 1 . 2 ; . ;Q3 39 文 献识标 码 ; 文章编号A 0 9 2: 9 0 2 )10 6 0 10 —93 ( 0 0 6—0 4— 6
e R e pr g s e f ctno r s o i h oh t g o t o u i a m a o iel g v a l e dour snl t r tr a s
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Kp e r s o tor i s lt n n a uo :ii o ub rhd o h b c c c o lh t ceo y yowd : ud o n uai g i sl t r sl n r b e;y r p o i y l a i ia p x c p
1 前
官
。高陶 材瓷料性的分子刚结赋构了予其高很机械的强 度 因,此需要不其它材料进补行 ; 强③成本。低陶 的 瓷材原料 ,如粘土 、石以及石英长均十分便宜等易。得 但 近年是, 随来着现电力工代的发业展 瓷质,缘子绝 在某 些能性方逐面渐暴露 出缺陷。 主表现在要如几下 个 面方: 脆 性大 这。就 味意 着在 其加 、 工 ①运输 、安装 以 及 护维程中非常过容碎裂易 。在这定一程上增加了度 其 本 成;② 重大量陶瓷。致密结的构定了陶瓷决体的
重量 常大 。非在 装安过 程 中 仅 需要不起 设重 备,而 且
户绝缘在整外绝缘个系中体有重要地位占。而 绝 子在缘户外绝系统,缘特是别在户高压外缘系统 ,绝
如在
电与变配电统系又中起举足轻着 的作用重 由于。
外环户十分境复杂 有,时至是甚十恶劣, 因此对户分
外绝 缘子 外 缘材 绝料 提出 了 高很的性 能要 求 , 如 要求
优有良的高低温性耐能、耐 紫老外性化、能耐 生物 腐 与蚀化学腐蚀性能及以强度高与高疏水性 等 u。 ・绝
缘 按子照所使 用外绝缘 材 料 的不 同可 以近似 分为瓷
质缘子与绝非质绝缘瓷子大两类。早期 绝缘子主的 要 是由 瓷陶玻璃与造制的。瓷陶为一作绝种缘料。 其材
应 用已经有 百年上的 历史 。作为 缘绝子材 料 其具 如 有
要建造必要需的支撑构 ,结这 在定程一度也上加了增 成本 ;③空 心失效问 。题 当绝缘子部产生电弧时,内压 力会快速大,增如 在果到达外壳能承所受的限极压 力前不及能时释地压放,力则外壳 能可破会裂当。生 发种情这时况, 陶瓷片碎在会相大的作当用力下崩。 出这 种失模效式分配式在载放过电中器常经以可遇到; ④防污 性差。能 瓷材料分子结构陶中稳的定学化使
键其
具 有很大的 面 表自能由。 因此 瓷 质 缘绝 子外表的 面 易吸湿 。水性 的 表 面得 瓷质使 缘 绝在污子 大染 的 亲
地性能下点特 ①【稳定好性陶瓷分。子构结存在中 , I :很 强的子键。离在或硅酸盐分子硅构中结,硅原 子氧 与 原间的子砌堆度很密,大这 方面两作的用使陶瓷绝 得缘性 很稳定能, 般一受不环境影的 响;②机强械度
收日期穑: 02 0 一l 50— 1 7
作简介者 张秀:敏.博士 。女。 主要从 事新绝型缘术 、 相技关材料的 电磁场理基础论究。电话研 1 — :8 31 0 605 6 8 4,电信箱 ;子 hnx z asm@ d
j. ueu c q tn.d .a
区很难正常运 。 因为表面的行珠污会降低绝子的表 缘面
阻电 。而 导 致闪络 故 等 障Ho从 I
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缘材绝 料0 o I 260N.
张敏等秀:高户压外复绝合子缘外绝缘材料的究研应用与进
4展 7
鉴
上述问题,于人们 将 目光转 了非向瓷质缘绝 子 的究研开与发。2世 6纪年 以来代 , OO聚合 材物在 料电力 工 中业的用应 逐渐受 到了广 泛 的 视 重。 出 1 表
了 电列系统 力常用中聚 合材物 的料类种 。由 于合 聚物材
子用外绝
缘材的最料研究成新 , 介果绍相关材了的 料 究与发研 展 状现。 2 高压外户合绝缘复子的化老
一
料 有重量轻、 具电介 性优 能等良优点,因在绝缘此子 制造中的逐步得到也发了展。 其尤近是来在设年与计 制造 术技飞速发的 已经展使聚合物绝缘受到子 了越 来越广 泛 的应 用。 衰
1 电系统力常用 的 合聚材料物
聚 物合型类 聚 合材物 应料的用 电系 力统 电 缆 变 器压
般而 言 ,合复绝子主缘 要三由分部成构:单向
玻璃
维棒 、纤 属终端金部以及聚件合伞裙 (物外 缘 绝材料) 。裙的伞作用要主保护玻是棒免受环纤境以及 表 面漏电 流的蚀侵。1 图 给出了压高外复合绝户子 缘 在运过程中行面临的主所要老 问题化【 由I图中 可 lo以看
出 老化 主 要, 来材自 生料 工产艺 、机械作用 、 境 环
塑热性 聚 烯(乙E P) 材 料聚 苯二 甲酸 对乙二醇酿( E ) P T 聚 苯醚硫 ( P P S) 聚 合物 弹 性 体
外等部作用及以热 、等 电部内作用两个方 。这面方 两面 所生的产化老要表现主材为的氧化料 分解、、 蚀腐
以 及 产干生带电 弧 电、 。等 漏
硅腔(橡i )S n乙丙橡 (腔 P) ER 合聚绝物 子缘 烯 一丙乙烯 双一环戊 烯二 三
元 裙材 料伞 丙橡乙腔( PE DM) 环氯树 脂浸 渍 体
环氯 /纤强增料材 玻 氯环 /2 l 2AI s o. I O氯/ 云母 浇铸环料材 ‘ 层 材压
热料同性
材料
旋转 电
机
气体 缘绝系 统( S OX ) 聚物合绝 子 缘旋转电 机 芯材 料部
复
材合料
圈1 高压户外缘子材料绝的老化
聚
合绝物子缘,称又合绝复子,缘是2 世纪6 O O年初在德国代次研制首开发的,并随 后在洲以欧美及 国地得等到发了 I 展O o年末代 年代7 初 , 6 第一代商 O业化复 合 缘绝子 问世 。 过 经3几 年 应的 , 明用在 其O 证
对 于 在 高下运压行 的 绝缘 材 料的 老 化研 表究 明 。绝 材 料 中 缘由于不 避 免可 存 地 孔在隙 高, 作压用 易下 产 生 晕电, 就 大 大加 快材 了料的 老化破坏 。此因 这作
长期物理性能
与性电方面能具较瓷有绝质缘子 为 更异优综合性的能。 复合缘绝子所之以 能够要求在分 十
苛刻电力的统系备中得设认到可主归于要聚物合 材料的质特本性。聚合物材料具如很有低表面的能, 因 此可以保证绝 子的缘面具表有水性疏,这样即 使在湿 环境 下运行可以保证绝缘也子的电气性。特 外聚此合 物材料还 具轻质 、 有安维装简护等便性特因。在此 户
高压外绝缘 中得 子到了很快 的发 展 虽。然复 绝合 缘子
高压为绝子缘材的都必料要须质地求均匀、 密致 抗 、 晕电性 好良的材, 料且而还须必进适当的耐行电晕处 理 lI o
uKa a 人等察 考人了酸工雨 境环户对外缘绝 m gi
外绝子材料的缘表面蚀机侵理 、基对聚合物材体的 料 破作用坏以及对无机于填料的影响 I【 究所研使 用l a 的材料包括 乙 烯一酸 乙醋共烯聚物( v ) E A、 硅橡胶 (1与改硅性胶橡(I 以 环氧树脂。研及发现 :究 s )MS )①雨会引酸某起些聚合物料的材表降解;面 ②机填无 , 如料三水 合 A 2 T3虽然 助于有合物材料耐聚 l( )H 。A漏 电力能提高, 的在但酸作用雨有可能加下材料表 速面降解的 ;③料表面的微材小蚀腐以及无填机料残
的
在耐性、候 机强度械 、材料相容性等面还存方不在,足 但 经过性后改可到得效有弥地。发展到今天补 复合. 缘子绝已成为户外经绝的缘要重择, 选且并计不预 久 将的在高来户压绝外方缘面据占重要位地。我国 的高 压户外复合 缘子绝研究与发的 展已经历经了几十年 的 间,时在绝缘 的子计设与造方面制取得 了著显的 步进[ 1
但是在关相材 料, 0 6- I o别是特压与高超高压绝 缘 子外缘材料绝的究研开发与面方国外与与很大却的
差 。距 本文立足 于国 内外期近 对 于高压户 外合复 绝
缘
余物能可会起聚引物合表疏面水性的低降。 如图 2 所,示 于对 EVA 言,而 本其聚合物体腐蚀与的 H在 AT 酸 雨中溶的是解步同进的,A行 颗粒H大太难完以 T 全溶 解 因,此停 在 留E A表面,V 最 导终 E致A 表面 V
完 全 失去 疏 水了 。性对 环于 树氧 脂 盲 ,而 于由二化 氧
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i绝缘
料
2材 0 . 0 N6o 1
张敏等 秀高:压外户合复绝子 外缘绝材料 的缘研 究与用进应展
49
的
合综 能。性
3 1硅橡 (胶 I . SR)
们选用 泛 广 于 户用外 绝 缘 子制作 高 温硫的化 聚四甲 基 硅二 烷氧( DS 型 硅M橡 胶作 研 究为对 。 过象加 P )通 入 水合 A 3 填l 制备 料测了 样试 。 品 采等 用三 极电充
硅 橡胶 又 称聚硅 氧烷 其 , 化学结 构 如 图 3所
u示 聚。 硅氧 烷本身并不 备橡具胶 性的质 。 必通须 过
某些段进手交联行。形 成网弹性络后体才具橡胶有 的 质 。性 弹回性 。等 3聚 示氧 硅烷 分子 构 中结 如 图。所 如 果R 乙为烯等基有具交可基团联则交,后可形联 成硅橡结构。 硅胶氧的疏键水特性予了赋硅胶橡优良
的水疏性 耐与 候 。性 键氧柔 顺性的 子分 结 使得构 硅橡 硅胶 具有良 的好工性加能 但也。正 是由于 上述原 因使 得
电统测试系 经紫了线 外(u )以v及 电处晕的理橡 硅的胶面表压衰电( 减 V情况。合表结面电 、阻s D )接触 以及 角一射线x电光子谱能( P X S 分析),他们发现 , 晕放电电 u比 v辐更能够降低射硅橡胶的表疏水面 性。 U v射辐 及 电晕以放 电所造 成的氧 破坏化 在硅会 胶表面层状橡氧化二结硅构。 E S N 等人 比了不较同的老 条件化对改性于 H IA 硅橡 胶、 I DM 以及 ESRE D M 几种 压高缘绝 SR P 、I P— 料材的 表面性能 以 耐漏 及性电 [ I。2测试样 均品添不 0 加任填何料研。究发现,这些聚 物材料合疏的性水随 着 v老u化的行而逐进降渐。低 究人员通研过外等红 测试 结果 为认 水疏 性 的降 主低要归 因 于材料 面表极 基团 (性 如基羧) 生的以及疏水成性基 团 (甲基 如)的 丧失。 v化会老低 降ED 的耐 电漏 性 u, M 认P可能 为 在是u v 化老
过程。E中D 表面 的 水疏性失损的 P M结 。 通果过接角触测的试明表,随着 分盐水的度增, 加 聚 合的物耐性水降。研究结下果还表明 。改性橡胶硅 在所有 测试 件下均表现条 出优其于它测试样 品疏
的水 性。
硅橡 胶机的械强度较,差 际实应用程中只过能过填通 料进行
强 增。
R
f5 = - 0 }
。
R
甲基 、:乙基 乙、烯、基苯基 等
聚
j硅 - 【
烷3
一
。
I CH
¨
-
E
 ̄ ’i -
吐c2H
C
H2
一
CH
I3 CH3
如
o一 j硅氯烷
I E
∈ 。
C
It
3 硅 梭
陵32 氧环树 脂 常.脂见 环族 氧 环树脂 y(lapai eoy c lC ht p x 。 o i c C P 的化学构结如 4图 E)所示 由于。环脂环氧族树脂
含不 芳香有 不族 饱和 团。 有基十分优 异耐紫的 线外 具
图 3 硅橡 形胶示成意
图硅
橡胶的低 表 面能 赋予 了 其优良的 疏性水, 使即 在 湿污 境环 下 缘, 的 表子面漏 流电也 小很n 。 这种 绝
(引uV) 能,力可成制 压户外高缘子绝取而代陶瓷 制
。品
O s i
。t
良好
的水性主疏是要由 硅橡于胶分子结 构沿着硅 中链分子骨架排氧的有机列基团造成的。 这所聚烯烃与 优良 疏的性是水似类的除了优。异表面的疏水性外。 硅 橡的胶表具有疏面水复效恢 ( 应 E是也作其 为 RH )高压户外绝 材料缘一个关的键因原在。污染区重 。 当 环 湿境较度大,时在 缘子绝表面形易成面表 弧电。会 破坏 橡胶的硅面表疏水性 从而使。漏电增流大 然而。 。 在 经过1- 1h 干而燥且存在不电的弧期, 0时 2 橡胶硅 的 面疏表性水即得到恢会复 这,就所谓的疏水恢复是 效 ( 应)EH R 。造成这种效应的要主因可原于归橡硅 胶分 子结构柔中顺 s的 .i 键以O易运及、 自由动硅 的烷分链子这种。可 由运动 自的 分子低量 聚物链 合 (w)M L在干 而燥且有电弧没的况情可下从硅胶橡 体迁移本表面到。同时亲水基团从 表迁移开 [,】面1 8 7 。 1 Y uo n人等针对户绝缘外在紫外线以子表面及 放 作用电下的效问失, 研究了硅橡题 户胶外绝缘子老 化过程中的在面表情况及硅橡以的胶HR E效应【1 他l’ 。
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R . IH4|
圈
4 商化业环脂族环树氧的脂学结构化与牌
号
P作 C为高 户压 外 复
合 绝 缘子 材 料 已经 有 3 E
O多
年历的。与陶史瓷或有 硅机脂绝树缘相比子。由
C P制造 的 绝缘 子 具有 更 优 异为的 机 械性能 ,可 以 E
作结构 用材。料其疏但水 却无性法有与硅树机相脂 比 。为。 人此研究们开发并新了代疏一性脂环族环水
树氧脂(y pr o i P。CHCP) hodh b e E E。C PH材 实料 E际上是 通在 型 C 用EP材料 中加 某入些 具有 殊流 特变 能 性的加 添 剂而构 成的这些 特 殊 添的加 剂粒 的径
大
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5 O
张 敏秀等高压户:外合复绝缘外绝子材缘的研究料与用进应展
绝
缘料材 20 1 o60N .
约为1 rm,于其由特的殊流变性,能此因以可起 2~a
到 化剂的乳作 用。在 HC P 固后 , 化些添 剂 加能 够 E这
迁 移到材料的表面 。且并 入进 污秽 。从而层 改 变污
玷 耐漏电以 及腐 蚀性耐 能另 。外 ,由于硅 化烷 二的氧 化
硅(T SS) 在湿 境环 下 对保 持材于料 介的电 能有 性帮
助,此 非因常适宜 作 用C 以P 及CHP 合复 缘绝 E E子
绝缘 材料的 料填 。 表
3 复合 缘绝 用子环氧树脂的 成 组C
E PHCE P
层状
态 其。 作 与硅用胶 橡的 中低分子量聚 合链 物( Mw L) 移迁类。似通 常 C P,料材是种一胶状体。HE 在 轻微搅拌或热加到 ~4℃时5很易液化容即使。 0 0 经过不搅或加拌也可热将通其过真直接空包从装 物
中入抽实 验器 容中 。
环 氧 树脂 CY 4 1 8 氧 环树脂CY 52 6 2化固 xw剂1 3 2
5lO
O I OO 9 0 8 2
与传统
PC料相比, C 材P具如下特有 旺 性 :E HE ¨ ① H PC 有具水 转换疏效 应( E) HE T,即将 绝缘 子外 绝缘 水亲污性秽层转为变疏性水 能的力,如图 5 (a) 示所 ) ; PC具有疏恢水效应复 R( )即通 暂 过(H E  ̄ H E, 时受 性损迫耗( 如 放 作电用)使最 初 的水 疏性得以 恢
复 能的力 , 图5 b 示 ; H所 C具P有 优 良 耐的热 如 () ⑧ E
固
化促进剂DY 206
二氧 硅
O化5.
30 7
2 4535
5
由
于上 材 料具 有 突 出的述性 , 质因在全此球 电 力
循 环裂开。性由于 特其别结的成构分, 在温变化时度 即使, 金 与接属 插件 热 膨的 胀系数 不 配匹 在 H, PCE 料材也中会不产生大过的应。 力
于具由 有 如上 特 性, 由CHP 制 的绝造缘 子 可
E
系统 中
,多众中 高压外户复合绝子缘采用均橡胶硅
括 室(温 硫化 硅橡胶 ( V)T包 R 、高温 硫 化硅 橡 胶
(T )
H v 及以改硅橡性胶( I等) 环族环氧脂疏或 S)M、 性脂水族环氧等作为环绝外材缘料例如。 德国慕。尼
黑的 S d e公a司是 一家世 界 著名 专的业电 力 辅 助 i kf b 设l 供施应 ,商开发 的 压高 外户 绝缘 终端产 品广泛中 其
使 到用复 合绝缘子 如。工可 作于7 . ~ 1 V的 0E 2 57k— F CH 系列以 及 32 5 0 V 的 E VC 6 V 5kHF S系 列 产
以
有效防 止绝缘在 表子面 形 污秽成饱和 区 ,从 有而助
于
减表面小的电放性活, 降低 了发生弧电击的穿能
可。 性
品 这些。户外端终广泛用到使橡硅胶或环树脂。氧
如 6 图示 ,所EVC 终 是端一种 户 电外封缆头, 采用 H F
刚复性绝缘子合行绝缘。进该绝缘子 由玻纤 增的强 环 树氧构脂,成 伞裙是由高电则绝性缘硅橡的制成胶 。
水亲 表性 面疏水 袁性 面
E
FC终 同样端也一种户是 外电封头,缆 VH其采用的 复合绝缘子外绝 材缘则料是高电绝缘 疏性水环氧 性
脂树 。
7
一
)(b
图 5 HEC P 的疏水 性特
B il等 人详细比较 了 CPC )8H E e es Ee( Y 14与 C P ( Y2 的性6 【能。他们 选择 如表 了3 C52 ) 2¨ 示所的氧 环 脂体树系, 统系比对了两这树脂类疏在性、 耐水蠕变 性 、热 化、 uV老老化、 压高漏电以吸水性等及六个 方面 的能。 结果性明表, 固后的 化 E C H材料具有P优 良的疏 水性和 疏 水换转 应效( HT E) 而C P材料 则 基。 E本没有 。
外此 , ECH 材 P较 C 料P材料具 有 为更优 E良 的耐蠕 性变以及 似类 耐的 热 能与 性耐 U V 性 。 能 别特
值得
意 注是 , 经的 60 过的 Uv 测h ,试 E0 H0C 仍P 然
保持 了初的最水性疏 ,而C 材料则P损失了分疏 部 E性水。 研还表究 明。 二 化氧硅 填充的 H C P材 中 料 E 加入 在量少A H( T水合 1 )可A 以显著提 高材料 的 三 2 0,
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外户|绝终端 I
户绝缘终靖 外
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绝缘材m料 20 . 6 N0 1o
秀张等敏 高:压外复户合绝 子外绝缘材缘
料的研究与应用 展进
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国我复合绝缘在子方面虽起然步较晚 但,经过多 年
基的础 与应研用 究 。目前也 取 得 一定了 的 进展。 如 广迈州 林克 电有 限公 力 研司 的 7 0制 V 复合绝 缘子 5 k 在 0 年2顺利通 过了 国机械 工中业联 合 会组 的织 技 4 0术 定 鉴会,各性 项指 能标 到 达了 外国先进 平,水 标志
【 】蒋 良。 9兴 张志 劲. 胡林 .建舒 立 春, 才新 孙高海拔下不 同.伞结
形 70V构 合成缘绝短样交流污 秽子闪特性络及 其较 比【】 5 kJ 中
国.电 机工程 学 , 0报5 2 ( :25 —41 20 .5)1916. 【O 维吴.宁1】 胡 毅。 桂 苗,良吴 光亚 .10 kO 0 V级交流 电输线路用复
合绝
缘可子性行探 【 讨 J】.高 电 技术,压0 5 3( )3 — 3. 2 . 105 : 13
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着我复国绝合子缘生产迈上了新的的阶。 台然我虽 国在复合绝 缘子生的方产面取得了长足的进 ,步 但产 在品
创原性方面不 够。 4 柬结语
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高压
户外 复合绝 缘子 外 绝 缘 材料 运在行 过程 中
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要面临来自材 加工料艺以工及环 等境素因
的老化 问 题 。橡硅 胶 、性改硅胶橡 、环族环氧树脂脂等合物 聚
料具材 有优 良的高耐 温 性低 能、耐 外 紫线 辐性射能 、 面疏表水 性、化学耐腐 蚀 性 能以及 良 好机械的 强 , 度 因 此 广 用泛于 制高造 压 外户绝 缘 子。 前 目内国在这类 材料方面 的 研究尚 处 起于 步阶段 。 了满 为足 下一 代电 力系 统于对绝 缘 料 材的高 能性要 求, 开发 具 有 主自知
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识产权的外户绝缘料材具十有重分的要社意义会 希 。望国 内的关材相料科学与 电气科有效地学结起合,来 在高压外户合复缘子绝材研料究与开发方面早 日取
得 丰硕的成 果。 参 考文
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方及【】 高电向技术压.00 (25) —,65 J .2 。6 3:20 5.3
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理分析【】 华 北力电术,技9 9 1: 91 J. 19( ) —12 .
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分析化研究 【】 中国电机工程学报, 0 52 ( ) 81 6 ,J. 20 .5 9 :5 1 —3