合成纤维增强树脂高压套管

1.一种合成纤维增强树脂高压套管，包括端部均压体(1)，电容型芯体(2)和法兰(3)，其特征在于电容型芯体包括金属管或金属棒(4)、绝缘层(5)和电容屏(6)，金属管或金属棒(4)外交替缠绕有多层绝缘层和电容屏，其中最内层的为绝缘层(5)，最外层的为末屏外绝缘层(7)，所述绝缘层(5)由浸润绝缘树脂的合成纤维无捻纱绕制并固化而成，电容屏(6)由浸润树脂的金属纤维无捻纱或镀有金属层的非金属纤维无捻纱绕制并固化而成。
2.根据权利要求1所述的合成纤维增强树脂高压套管，其特征在于电容屏(6)由n层浸润树脂的金属纤维无捻纱或镀有金属层的非金属纤维无捻纱绕制并固化而成，层数n>1。
3.根据权利要求1所述的合成纤维增强树脂高压套管，其特征在于合成纤维为丙纶纤维或涤纶纤维。
4.根据权利要求1或2所述的合成纤维增强树脂高压套管，其特征在于金属纤维为不锈钢纤维，镀有金属层的非金属纤维为镀铝玻璃纤维。
5.根据权利要求1或2所述的合成纤维增强树脂高压套管，其特征在于相邻的绝缘层(5)和电容屏(6)的接触面上，金属纤维无捻纱或镀有金属层的非金属纤维无捻纱的绕制方向与相邻层的合成纤维无捻纱的绕制方向的夹角不等于0°也不等于180°，同一电容屏(6)中，金属纤维无捻纱或镀有金属层的非金属纤维无捻纱的绕制方向与相邻层的金属纤维无捻纱或镀有金属层的非金属纤维无捻纱的绕制方向的夹角不等于0°也不等于180°。
6.根据权利要求1或2所述的合成纤维增强树脂高压套管，其特征在于金属纤维无捻纱或镀有金属层的非金属纤维无捻纱绕制的电容屏(6)的两端各有一个铝箔环(8)，铝箔环(8)与金属纤维无捻纱或镀有金属层的非金属纤维无捻纱紧密接触连接在一起。

合成纤维增强树脂高压套管\n技术领域\n[0001] 本发明属于高压电器领域，具体涉及一种应用于变电站穿墙或者高压电气设备(比如变压器、开关设备等)穿过外壳或者用于油气隔离的合成纤维增强树脂高压套管。\n背景技术\n[0002] 在电力系统中，高电压载流导体要穿过地电位的墙或者高压电气设备的外壳一般都要使用高压套管；在变压器与GIS开关设备直连的结构中，需要用油-气隔离高压套管，用来把变压器油和SF6气体隔离开。\n[0003] 目前的高压套管以油纸绝缘结构为主，其核心部分是油浸纸绝缘电容型芯体。油浸纸绝缘电容型芯体是在铜管或铜棒上铺设电缆纸，在一定厚度时铺设铝箔(称为电容屏)，构成一个同轴圆筒形电容器；然后再铺设电缆纸，再铺设长度短一些的铝箔，构成第二个同轴圆筒形电容器，由于这个电容器极板长度缩短但直径增加，可以设计其电容量与之前的电容器的电容量尽量相等；如此制作长度逐渐缩短的、电容量大致相等的、一定数量的同轴电容器，使高电压沿径向比较均匀的分担在各个电容器绝缘上，也在轴向沿面绝缘上大致呈均匀分布。电缆纸本身的绝缘强度很低，需要充分浸渍在变压器油中，这就需要一个容器。这个容器由一个法兰、两个瓷套以及两端的其他配件组成。\n[0004] 油浸纸绝缘高压套管的主要问题是密封和漏油。由于其中的变压器油是绝缘所必须的，因此漏油不仅影响变电站的美观，也直接影响着设备的运行安全。密封失效，绝缘会受潮，因此规程规定每年都要抽取油样进行检验，停电损失大，检修工作量也很大。\n[0005] 为了解决油纸套管的问题，近些年已经有干式免维护的玻璃钢高压套管出现，比如中国专利号01138797.1就公开了一种干式复合外套高压套管及生产方法，主绝缘层是由半导体电容均压极板和浸涂有环氧树脂的玻璃纤维材料交替间隔设置且紧密结合而成的多层串联纯固体同心圆柱绝缘层，绝缘外套和连接套筒也与主绝缘层外侧紧密相接，生产方法包括如下步骤：用环氧玻璃丝湿法绕制成型工艺将半导体带、浸涂有环氧树脂的玻璃纤维材料交替间隔地绕制定型在导电杆上制成主绝缘层，第一层为半导体电容均压极板，最末层为浸涂有环氧树脂的玻璃纤维；将其固化并对主绝缘层进行表面加工，再固定连接套筒、装设绝缘外套、均压盖及接线端子。该专利说明书认为，这种干式复合外套高压套管不含任何油或气体，完全避免了漏油、漏气及爆炸隐患；体积小、重量轻、不宜损坏、便于运输和安装；生产工艺简单、成本低。\n[0006] 上述干式复合外套高压套管方案是高压套管无油化的一个有益探索。但是，该技术方案中也存在明显的不足，主要是：\n[0007] 1、半导电带制成的电容屏发热问题大，容易引起绝缘受热老化，导致绝缘失效击穿，此问题反映在超高压变压器套管上尤其明显。传统油浸纸绝缘高压套管采用金属电容屏(打孔或不打孔铝箔)，而上述干式复合外套高压套管采用半导电纸做电容屏，其电导率只有金属导体的万分之一甚至百万分之一，因此发热问题不容忽视。对超高压变压器套管尤其如此。由于超高压变压器套管电容电流较大，而且要与变压器本体一起进行感应耐压试验，使用的高压频率可达250Hz，是工频50Hz的5倍。因此，感应耐压时流过电容屏的电流是工频耐压时的5倍，可以达到几百mA甚至接近1A，而发热是与电流平方成正比的。用500mA电流试验表明，金属电容屏基本测不出温升，但是半导电带电容屏的温升可以达到200K以上。如果加上变压器运行最高温度(90℃)，电容屏附近达到290℃，肯定是要损坏环氧树脂绝缘的。\n[0008] 2、半导电带由电缆纸带浸渍碳黑导电漆制成，在高压套管绕制过程中，半导电带遇到高温环氧树脂会释放出部分导电碳黑，污染绝缘树脂，使其绝缘性能降低，为达到耐压要求必须增加绝缘厚度。因此，干式复合外套高压套管的实际重量要比专利方案的理想尺寸大不少。\n[0009] 3、半导电带已经浸渍过导电漆，因此在套管绕制过程中不容易被树脂浸透，也就是浸润性不好，固化后的高压套管容易在半导电带处产生裂缝，影响产品质量，造成废品。\n[0010] 4、作为树脂增强材料的玻璃纤维，其为极性材料，电气强度并不是最好的，它的介电常数εr约为4-6，介质损耗因数tgδ大约为0.3％。因此，制成的高压套管的电容量较大，这也是引起半导电带电容屏发热的因素之一；制成的高压套管的tgδ在0.4％左右，已接近国标对油浸纸高压套管允许的限值(0.5％)。\n[0011] 5、玻璃纤维的密度在2g/cm3以上，而油浸纸密度略小于1g/cm3，因此这种干式复合外套高压套管的核心部分——电容型芯体——实际比传统的油浸纸高压套管的电容型芯体要重得多。虽然没有瓷套、油枕等，但其总重量比传统的油浸纸高压套管并没有减轻太多，仍然比较笨重。\n[0012] 7、玻璃纤维制品有一个很大的局限性，就是不能直接使用在SF6气体环境中，这是因为SF6气体对玻璃中的SiO2有腐蚀作用。也就是说现有技术的玻璃钢高压套管不能使用在GIS开关电器中。我们知道，因为气体绝缘配电装置(即GIS)能大幅度减少占地面积，而且安全性、可靠性都高于敞开式配电装置，所以在发达国家和我国超高压以上的变电站大多数为GIS变电站。因此，现有技术的玻璃钢高压套管的适用范围受到很大限制。\n发明内容\n[0013] 本发明的目的是要克服现有技术的不足，提供一种合成纤维增强树脂高压套管，其电气性能高，tgδ减小到0.25％左右；产品重量明显降低，尤其适用于超高压以上的高压套管，可以直接用于GIS或其它SF6气体绝缘高压电器。\n[0014] 本发明是通过如下技术方案来实现的：\n[0015] 即一种合成纤维增强树脂高压套管，包括端部均压体(1)，电容型芯体(2)和法兰(3)，其特征在于电容型芯体包括金属管或金属棒(4)、绝缘层(5)和电容屏(6)，金属管或金属棒(4)外交替缠绕有多层绝缘层和电容屏，其中最内层的为绝缘层(5)，最外层的为末屏外绝缘层(7)，所述绝缘层(5)由浸润绝缘树脂的合成纤维无捻纱绕制并固化而成，电容屏(6)由浸润树脂的金属纤维无捻纱或镀有金属层的非金属纤维无捻纱绕制并固化而成。\n[0016] 本发明的电容屏(6)由n层浸润树脂的金属纤维无捻纱或镀有金属层的非金属纤维无捻纱绕制并固化而成，层数n>1。\n[0017] 本发明的合成纤维优选但不限于丙纶纤维或涤纶纤维。\n[0018] 本发明的金属纤维优选但不限于不锈钢纤维,镀有金属层的非金属纤维优选镀铝玻璃纤维优选但不限于镀铝玻璃纤维。\n[0019] 本发明的相邻的绝缘层和电容屏的接触面上，金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)的绕制方向与相邻层的合成纤维无捻纱的绕制方向的夹角不等于0°也不等于180°，同一电容屏中，金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)的绕制方向与相邻层的金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)的绕制方向的夹角不等于0°也不等于180°。\n[0020] 本发明的金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)绕制的电容屏的两端各有一个铝箔环，铝箔环与金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)紧密接触连接在一起。\n[0021] 本发明在制作时，首先准备一根金属管或金属棒(它的外表面通常称为0屏)。在金属管或金属棒上缠绕经过绝缘树脂浸润的合成纤维无捻纱。纺织使用的纱通常是指经过捻(拧)紧的纤维或丝，加捻的目的主要是增加机械强度。我们这里要使用无捻纱，虽然其强度不如有捻纱，但浸润效果比有捻纱好很多，加捻后树脂很难浸润透彻，存在气泡，电气强度差。在绕制一定层数或一定厚度的合成纤维无捻纱时剪断纱线，合成纤维增强树脂绝缘层(以下简称绝缘层)就做好了。然后绕制电容屏。在已经做好的绝缘层上面缠绕经过树脂浸润的金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)，注意金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)的方向与绕制好的绝缘层最后一层合成纤维无捻纱的方向不能相同或相反，也就是说金属纤维(或镀有金属层的非金属纤维)的方向与相邻层的合成纤维的方向的夹角不等于0°也不等于180°；这样做的目的是避免金属纤维(或镀有金属层的非金属纤维)嵌入到合成纤维的缝隙之中，造成绝缘强度降低。\n[0022] 这个电容屏做好之后，它与前一个电容屏构成一个同轴圆筒形电容器。然后，再用经过树脂浸润的合成纤维无捻纱绕制下一个绝缘层，注意合成纤维的方向与绕制好的电容屏的最后一层金属纤维(或镀有金属层的非金属纤维)的方向不能相同或相反，也就是前文所述的金属纤维(或镀有金属层的非金属纤维)的方向与相邻层的合成纤维的方向的夹角不等于0°也不等于180°。再用经过树脂浸润的金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)绕制出长度短一些的电容屏，构成第二个同轴圆筒形电容器。以此类推，就可以制作出长度逐渐缩短的、电容量大致相等的、一定数量的同轴电容器。为了保证末层电容屏也能与内部的电容屏一样被压紧，在末屏外可以缠绕一定层数的末屏外绝缘层，缠绕方法与内部屏间的绝缘层相同。这样就制作好了一个高压套管电容型芯体的半成品，经过固化以及外形加工后就是合成纤维增强树脂高压套管的电容型芯体。\n[0023] 在高压套管的电容型芯体上安装端部均压体、法兰等配件，即构成基本的高压套管。根据不同的需要可以增加其它配件，比如油-气隔离套管需要增加触头、触指，变压器套管需要在一端增加瓷套或复合套，穿墙套管则需要在两端都安装瓷套或复合套。\n[0024] 应当注意，绕制电容屏时，不能露出金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)的端头，以免发生尖端放电。为了增加可靠性并避免尖端放电，每个电容屏的端部至少由两层(或多于两层)的金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)绕制而成，也就是把金属纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)的端头向电容屏的中间方向掖进去。这样折算下来每一个电容屏所包含的金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)都将大于一层(不含一层)，比如1.2层或2层等。相邻两层金属纤维(或镀有金属层的非金属纤维)的方向也不能相同或相反，即夹角不等于0°也不等于180°。作为本发明的一种改进，也可以将每一个电容屏分成三段，均由金属材料(或镀有金属层的非金属材料)制作。\n每个电容屏的中间一段仍是金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)，两端各增加一个铝箔环；金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)占电容屏总长度较大比例，两个铝箔环占较短比例。铝箔环越短越好，只要能屏蔽住金属纱(或镀有金属层的非金属纱)的端头，并且保证与金属纱(或镀有金属层的非金属纱)紧密接触连接在一起即可，因为铝箔环越长，越难将气泡赶出。一般来说，每个铝箔环的长度30—40mm即可。\n[0025] 本发明与现有的技术方案相比具有以下优点：\n[0026] 1、电容屏为金属材料(或镀有金属层的非金属材料)制作，导电性好，不会因为电容电流而发热；\n[0027] 2、电容屏材料为金属纤维纱(或镀有金属层的非金属纤维纱)，不会污染绝缘树脂，不降低树脂绝缘性能；\n[0028] 3、无论绝缘的合成纤维，还是导电的金属纤维(或镀有金属层的非金属纤维)都采用无捻纱，树脂可以充分浸润；\n[0029] 4、选择电气强度较好的合成纤维(比如丙纶无捻纱)制成的高压套管的电容量比现有技术的玻璃钢高压套管的电容量减小20％-35％，tgδ减小到0.25％左右；\n[0030] 5、合成纤维的密度一般小于现有方案的玻璃纤维(比如密度最低的丙纶纤维是\n0.91g/cm3，不足玻璃纤维的一半)，制成的高压套管的重量明显降低，这对于本身就比较笨重的超高压以上的高压套管来说就比较重要。\n[0031] 6、合成纤维与SF6气体不会发生化学反应，因此本发明合成纤维增强树脂高压套管可以直接用于GIS或其它SF6气体绝缘高压电器。\n附图说明\n[0032] 图1为本发明的结构示意图；\n[0033] 图2为图1中I部的放大示意图；\n[0034] 图3为图1中Ⅱ部的放大结构示意图；\n[0035] 图4为相邻两层无捻纱的缠绕工艺展开图。\n[0036] 图中：1—端部均压体；2—电容型芯体；3—法兰；4—金属管或金属棒；5—绝缘层；\n6—电容屏；7—末屏外绝缘层；8—铝箔环；11—无捻纱；12—无捻纱；\n具体实施方式\n[0037] 参见图1、图2、图3，本发明合成纤维增强树脂高压套管包括：端部均压体1，电容型芯体2，法兰3等。电容型芯体2的中心是一根金属管或金属棒4，金属管或棒4上缠绕经过绝缘树脂浸润的合成纤维无捻纱一定层数或一定厚度，形成合成纤维增强树脂绝缘层(简称绝缘层5)，在绝缘层5上缠绕经过树脂浸润的金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)，形成金属电容屏层(简称电容屏6)，这样交替缠绕，在最末层电容屏的外面缠绕一定层数的末屏外绝缘层7，这样就制作好了一个合成纤维增强树脂高压套管的电容型芯体的半成品，经过固化以及外形加工后就是所需的电容型芯体2。在电容型芯体2上安装端部均压体1、法兰3等配件，即构成合成纤维增强树脂高压套管。根据高压套管的具体使用场合，可以增加其它配件，比如油-气隔离套管需要增加触头、触指，变压器套管需要在一端增加瓷套或复合套，穿墙套管则需要在两端都安装瓷套或复合套。\n[0038] 图4是缠绕工艺的展开图，图4中无捻纱11表示已经绕好的一层金属纤维纱(或镀有金属层的非金属纤维纱)或合成纤维纱的方向P，无捻纱12表示准备绕制的一层纱(金属纤维纱或镀有金属层的非金属纤维纱或合成纤维纱的方向Q，方向P和方向Q不能相同或相反，即方向P和方向Q的夹角不等于0°也不等于180°。分几种情况说明如下：\n[0039] 1.无捻纱11表示的P方向是绕制好的某个绝缘层5的最后一层合成纤维无捻纱的方向，无捻纱12表示的Q方向是准备绕制的电容屏6的第一层金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)的方向；\n[0040] 2.无捻纱11表示的P方向是绕制中的某个电容屏6已经绕好部分的一层金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)的方向，无捻纱12表示的Q方向是该电容屏6准备绕制的新一层金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)的方向；\n[0041] 3.无捻纱11表示的P方向是绕制好的某个电容屏6的最后一层金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)的方向，无捻纱12表示的Q方向是准备绕制的绝缘层5的第一层合成纤维无捻纱的方向。\n[0042] 作为本发明的一种改进，也可以将电容屏6分成三段。每个电容屏6的中间一段仍是金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)绕制，两端各增加一个铝箔环8；金属纤维无捻纱(或镀有金属层的非金属纤维无捻纱)占电容屏6总长度较大比例，两个铝箔环8占较短比例。铝箔环8越短越好，只要能屏蔽住金属纱(或镀有金属层的非金属纱)的端头，并且保证与金属纱(或镀有金属层的非金属纱)紧密接触连接在一起即可，因为铝箔环8越长，越难将气泡赶出。一般来说，铝箔环8的长度在30—40mm即可。\n[0043] 下面以制作一支10kV的穿墙套管为例详述本发明的具体实施方式。\n[0044] 首先选定一根黄铜棒，直径Φ40mm，长度1000mm；绝缘树脂选环氧树脂Ε51(中温固化体系)；合成纤维选用聚丙烯纤维无捻纱(商品名称为丙纶无捻纱)；金属纤维(或镀有金属层的非金属纤维)选用不锈钢纤维无捻纱(商品名称为304纤维)。\n[0045] 第一屏：在黄铜棒上缠绕经过环氧树脂浸润的丙纶无捻纱1.6mm厚，形成第一个绝缘层5，在绝缘层5上缠绕经过环氧树脂浸润的304纤维2层，形成第一个电容屏6，电容屏6的总长度为600mm。\n[0046] 第二屏：在做好的第一个电容屏6上，缠绕经过环氧树脂浸润的丙纶无捻纱1.6mm厚，形成第二个绝缘层5，在绝缘层5上缠绕经过环氧树脂浸润的304纤维2层，形成第二个电容屏6，电容屏6的总长度为500mm。\n[0047] 第三屏：在做好的第二个电容屏6上，缠绕经过环氧树脂浸润的丙纶无捻纱1.6mm厚，形成第三个绝缘层5，在绝缘层5上缠绕经过环氧树脂浸润的304纤维2层，形成第三个电容屏6，电容屏6的总长度为400mm。\n[0048] 第三屏为末屏，在末屏上绑上一根1.5mm2的绝缘软铜线，该绝缘导线将作为末屏引出线使用。在末屏的外面再缠绕2mm厚的末屏外绝缘层7，这样就制作好了一个合成纤维增强树脂高压套管的电容型芯体的半成品，经过固化以及外形加工后就是所需的电容型芯体2。在电容型芯体2上安装端部均压体1、法兰3等配件，即构成合成纤维增强树脂高压套管。根据穿墙套管的实际情况，两端分别安装硅橡胶外套及伞裙，每端五个伞裙，干弧距离\n210mm，爬距480mm。