缠绕角度对复合绝缘子用玻纤缠绕管关键性能的影响

司晓闯 齐小乔 王红超 陈巧玲

摘 要：本文对缠绕角度为40°、45°、50°、55°、60°以及65°的复合绝缘子用玻纤缠绕管进行了关键机械和电气性能研究。结果表明，随着缠绕角度的增加，材料的轴向拉伸和垂直层向弯曲强度逐渐降低，轴向压缩强度逐渐增大，平行、垂直层向击穿强度和介电常数基本持平。在实际工程应用中，综合考虑缠绕角度控制在50°～60°较为合适，也可采用多角度复合缠绕。

关键词：复合绝缘子;缠绕角度;玻纤缠绕管

中图分类号：TQ327 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）09-0034-03

Abstract： The key mechanical and electrical properties of fiberglass wound tubes for composite insulators with winding angles of 40°， 45°， 50°， 55°， 60° and 65° were compared in this paper. the results show that with the increase of winding angle， the axial tensile， vertical layer to the bending strength decreases and the axial compression strength increases gradually; parallel， vertical layer to the breakdown strength and dielectric constant were little changed. In practical engineering applications， it is more appropriate to control the winding angle between 50° and 60° comprehensively， and multi-angle composite winding can also be adopted.

Keywords： composite insulator;winding angle;glass fiber winding tube

近年來，随着复合绝缘子制造技术的成熟和广泛应用，其已经不仅局限于用作电力设备的进出线外绝缘，还大量应用到特高压直流旁路开关和隔离断路器等敞开类高压开关产品的灭弧室和支柱绝缘子外绝缘中。空心复合绝缘子主要由玻纤缠绕管、硅橡胶伞裙护套以及法兰3部分组成。玻纤缠绕管是复合绝缘子的核心部件，复合绝缘子机械性能的高低取决于玻纤缠绕管的强度[1]。与常规出线套管用复合绝缘子的玻纤缠绕管相比，作为敞开类高压开关产品用瓷质绝缘子的替代产品，其需要具有更高的机械强度和长期稳定性，但在实际的使用过程中，空心复合绝缘子的变形量依然会影响动静触头对中和端子拉力状态下整机的变形量控制。因此，提高玻纤缠绕管的机械电气强度、控制变形量对提高开关产品的安全运行可靠性，确保大电网运行安全具有重要意义。

目前，玻纤缠绕管采用耐酸、耐高温以及抗拉弯强度大的树脂增强玻璃纤维，通过湿法缠绕的方式缠绕而成。选择纤维缠绕方向十分重要，不同纤维缠绕角度制成的玻纤缠绕管综合性能差异较大，因为纤维缠绕方向可以决定其结构在不同方向的强度比，可使玻璃钢结构获得合理的强度分配[2]。本文对6种缠绕角度（40°、45°、50°、55°、60°、65°）缠绕而成的缠绕管进行了相关试验，分析了缠绕角度对材料力学和电气性能的影响。

1 试验部分

1.1 原材料

使用的原材料包括湖南岳阳巴陵石油化工有限公司的双酚A环氧树脂CYD-128、大连金世光电材料有限公司的甲基四氢邻苯二酸酐、江苏江阴化工厂的DMP-30以及市售的玻璃纤维ER468A-1200等。

1.2 试样制备

按照图1所示的过程，采用湿法缠绕工艺进行玻纤缠绕管的制造[3]。为了减少缠绕过程中玻纤缠绕管两端部可能产生的少量滑纱对缠绕角度的影响，在玻纤缠绕管的中间部位采用《纤维增强塑料性能试验方法总则》（GB/T 1446—2005）中规定的机械加工法裁取各种性能检测用试样。

1.3 试验方法

拉伸强度、弯曲强度以及轴向压缩强度使用INSTRON万能试验机进行测试，试验方法分别按照按《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》（GB/T 1447—2005）、《塑料弯曲性能的测定》（GB/T 9341—2008）以及《纤维增强塑料压缩性能试验方法》（GB/T 1448—2005）进行，速度分别为10 mm/min、5 mm/min以及2 mm/min。

平行、垂直层向击穿强度使用GCSTD-C电压击穿测试仪进行测试，按照《绝缘材料电气强度试验方法 第1部分 工频下试验》（GB/T 1408.1—2006）中的试验方法在变压器中进行。试样提前在温度为（23±2）℃，相对湿度为（50±5）%的条件下处理24 h。

介电常数使用QS87型介损及介电常数测量系统进行测试，试验方法按照《测量电气绝缘材料在工频、音频、高频（包括米波波长存内）下电容率和介质损耗因数的推荐方法》（GB/T 1409—2006）的规定。

2 结果与讨论

2.1 轴向拉伸强度

不同缠绕角度下玻纤缠绕管拉伸强度的测试结果如图2所示。由图可以看出，随着缠绕角度的增大，材料的拉伸强度呈逐渐降低趋势。缠绕角度为40°时，试样拉伸强度达到101 MPa，缠绕角度65°时，试样拉伸强度达到72 MPa，相比缠绕角度为40°时下降了28.7%。这主要是因为小角度下玻璃纤维的方向与玻纤缠绕管的轴线方向更接近，试样中的玻璃纤维段更长，单股玻璃纤维纱与环氧树脂基体的接触面积更大，更利于玻璃纤维与环氧树脂界面的应力分散和玻璃纤维自身强度的发挥。试样的破坏形式为沿轴向方向的玻璃纤维断裂以及玻璃纤维与环氧树脂基体之间的分层。

2.2 垂直层向弯曲强度

不同缠绕角度下玻纤缠绕管弯曲强度的测试结果如图3所示。由图可以看出，随着缠绕角度的增大，试样的弯曲强度呈逐渐降低趋势。缠绕角度为40°时，试样弯曲强度达到270 MPa，缠绕角度65°时，试样弯曲强度为163 MPa，相比缠绕角度为40°时下降了39.6%。这种差异体现主要是缠绕线性的原因，从螺旋缠绕的理论模型可以看出，大缠绕角度下纤维之间交互交联的交点数明显小于小缠绕角，当其缠绕层数和小缠绕角度一样时，其厚度则远远小于其他缠绕角度的厚度，这也直接导致了耐受弯曲负荷的有效面积下降，降低了材料的强度。当缠绕角增大时，试样的横向強度大，纵向强度小，试验时在压头作用下直接导致纤维束之间的撕裂，在较小的力下就发生破坏，弯曲强度较小。从试样的破坏形貌来看，破坏形式均为玻璃纤维与环氧树脂的分层。

2.3 轴向压缩强度

不同缠绕角度下玻纤缠绕管压缩强度的测试结果如图4所示。由图可以看出，随着缠绕角度的增大，试样的压缩强度逐渐增大，增速呈变缓趋势。缠绕角度为40°时，试样压缩曲强度达到123 MPa，缠绕角度65°时，试样弯曲强度为185 MPa，相比缠绕角度为40°时增加了50.4%。试样破坏形式以剪切破坏为主，同时存在层间分离。这是因为压缩的作用使得试样缠绕层之间存在剪切内力，从而产生层间剪切应力，而层间剪切应力达到一定程度就会引起试样层间剪切破坏。在压缩荷载下，由于缠绕角度的不同，试样发生不同的径向位移。径向位移可导致试样沿径向的纤维间相互分离，且在相同的压缩条件下，缠绕角度越小，径向位移值越大，越容易发生纤维间的分离[4-5]。

2.4 平行、垂直层向击穿强度

不同缠绕角度下玻纤缠绕管平行、垂直层向击穿强度的测试结果如图5所示。由图可以看出，不同缠绕角度下玻纤缠绕管的平行、垂直层向击穿强度都比较稳定，平行层向击穿强度为56.2 kV/mm，垂直层向击穿强度为13.52 kV/mm，缠绕角度对参数的影响并不明显。

2.5 介电常数

介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数的乘积，对于高压开关设备用绝缘件一般要求较小的介电常数。不同缠绕角度下玻纤缠绕管介电常数的测试结果如图6所示。由图可以看出，不同缠绕角度下玻纤缠绕管的介电常数基本保持在4.5～5.5，缠绕角度对介电常数参数的影响并不明显。

3 结论

本文对缠绕角度为40°、45°、50°、55°、60°以及65°的空心复合绝缘子用玻纤缠绕管样件进行了关键机械和电气性能研究，从结果可以看出，缠绕角度对玻璃纤维缠绕管的机械性能有很大的影响，对玻璃纤维缠绕管的电气性能参数的影响不明显。随着缠绕角度的增加，玻纤缠绕管试样的轴向拉伸和垂直层向弯曲强度逐渐降低，轴向压缩强度逐渐增大，试样的平行、垂直层向击穿强度和介电常数基本持平。因此，在实际的工程应用中，综合考虑玻璃纤维缠绕管的电气、机械性能，缠绕角度控制在50°～60°较为合适，可获得各项性能较为均衡的玻璃纤维缠绕管，同时也可采用多角度复合缠绕。

参考文献：

[1]宋晓光，左智华，李杏龙，等.一种塔形复合绝缘子用缠绕管的制造及试验[J].河南科技，2020（16）：56-58.

[2]耿沛，邢静忠，陈晓霞.纤维螺旋缠绕管的缠绕角优化[J].纺织学报，2017（1）：61-66.

[3]俞翔霄，俞赞琪，陆惠英，等.环氧树脂电绝缘材料[M].北京：化学工业出版社，2007：60.

[4]罗翔鹏，段成红，吴祥，等.复合材料螺旋缠绕圆筒壳轴向压缩性能有限元分析[J]，玻璃钢/复合材料，2012（5）：30-32.

[5]黄丹.缠绕成型玻璃钢管的制备及冲击韧性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012：16.