电气化铁路接触网用新型腕臂绝缘子

新型腕臂绝缘子于 2012 年 8 月份在国家绝缘子 避雷器质量监督检验中心通过界面和金属连接区 性能研究性试验[4]，于 2013 年 10 月在铁道部产品
质量监督检验中心接触网零部件检验站通过定型 试验[5]。新型腕臂绝缘子综合了瓷绝缘子和复合绝 缘子的优点[6]，能克服和解决瓷绝缘子和复合绝缘 子的缺陷和弊端，兼备瓷绝缘子机械性能可靠和复 合绝缘子硅橡胶材料耐污闪能力强的特点。有效杜 绝复合绝缘子脆断和掉串，解决瓷绝缘子外绝缘污 闪难题，是一种机械电气性能优异的新型电气化铁 路腕臂绝缘子，适用于各种极端恶劣的工况环境。
电气化铁路接触网用新型腕臂绝缘子
杨志峰，刘少华，张海兵 （江苏南瓷绝缘子股份有限公司，江苏 句容 212405） 摘要： 文章介绍了一种电气化铁路接触网用新型腕臂绝缘子，并与传统的棒形瓷绝缘子和棒形柱式 复合绝缘子做简单比较。结合外绝缘伞裙护套、内绝缘陶瓷芯棒、端部金属附件的选材、设计、优 化展开说明了新型腕臂绝缘子的结构组成和功能特点，较详细分析了端部胶装工艺、界面偶联工艺 和整体成型工艺革新对新型腕臂绝缘子整体机电性能显著提高的良性作用。通过严格全面的试验检 测验证了新型腕臂绝缘子整体设计的可行性和优越性。新型腕臂绝缘子是采用多种绝缘材料择优弃 缺兼容互补的混合绝缘子，可服役于极端恶劣的工况环境。 关键词：电气化铁路；绝缘子；新型腕臂绝缘子；设计；工艺；试验。
1、新型腕臂绝缘子结构
新型腕臂绝缘子采用添加改性基体的高温硫化 硅橡胶作外绝缘伞裙护套，采用精细工业氧化铝高 强度陶瓷作内绝缘芯棒，采用变振工艺用高强度硅 酸盐胶装端部附件的混合绝缘子。结构如图 1：
1
附件1
垫片
伞裙
瓷芯棒
胶合剂 附件2
图 1 新型腕臂绝缘子结构图
新型腕臂绝缘子因采用瓷芯棒作内绝缘则传承
通过测试绝缘子污秽湿试验下的表面泄漏电 流，总结出产品爬电距离与总表面积的函数关系， 得出爬电距离与总表面积的比值越大，其污秽湿试 验下泄漏电流越小。因此本产品伞形设计遵从上述 原理，选择一大两小伞形并合理设计伞径，取其最 佳的耐污结构。
针对南方暴雨和北方大雪气候，设计高压端大 伞结构，彻底解决大雨引起的电气桥接和冰雪引起 的运行故障并具有优异的防积污性能。 2.4 端部附件设计
The new cantilever insulator used for electrified
railway
Yang Zhifeng, Liu Shaohua, Zhang Haibing （Jiangsu nanci insulator Co.,Ltd. Jurong 212405 china） Abstract：the test introduced a new cantilever insulator used for electrified railway catenary, and simply compared with the traditional bar porcelain insulator and bar type composite insulator. Combining external insulation umbrella skirt sheath, internal insulation ceramic core rod, the selection, design, optimization of the end metal accessories, it explained the new type cantilever insulator’s structure and function, and detailed analysed how the innovation of the end binding process, interface coupling process and overall molding process play a significant positive role in improving overall mechanical and electrical performance of the new cantilever insulator. The overall design of the new cantilever insulator is thought to be feasibility and advantage with passing the strict and comprehensive tests. The new cantilever insulator is made of a variety of compatible and complementary insulation materials, it can be used in extreme conditions. Key words：electrified railway, new cantilever insulator, design, process, tests
圆柱导杆 附件同轴度控制工装
工作台
附件定位工装2 定位销2
过度板3 转轴
同轴度控制系统 可调底座
图 5 附件与附件同轴度控制工装（胶装第 2 步）
3.2 界面偶联工艺 新型腕臂绝缘子宏观界面的质量决定产品的整
体机电性能，即金属附件与硅酸盐胶合剂和陶瓷芯 棒与硅酸盐胶合剂的界面质量决定绝缘子的机械 性能，陶瓷芯棒与高温硫化改性硅橡胶的界面质量 决定绝缘子的电气性能。本产品采用的界面偶联工 艺能确保绝缘子内外绝缘界面粘接力大于硅橡胶 机械撕裂强度 7kN/m，而且产品整支在盐水中沸煮 42 h 后可通过正负 25 次陡度不小于 1350kV/μs 的 陡波冲击试验。
壁厚增加
锯齿形 圆弧形变厚/矩形槽
图 3：附件示意图
选用耐候钢能长期有效保证附件不被恶劣气候 腐蚀损坏，加上表面浸锌防腐，则可确保附件在复 杂恶劣的极端工况下安全运行。安装内孔设计锯齿 形，有效增大附件胶装面积，提高机械强度。端部 圆弧形变厚可均匀运行中的电场强度，减少电晕， 端部矩形槽有效增大硅橡胶与附件的接触面积，提 高端部密封可靠性，保证产品长期稳定运行。安装 部位端部壁厚增加，能在成本可控的基础上极大提 高附件抗弯强度，再使用磁粉探伤和射线探伤筛选 出高质量的附件用于新型腕臂绝缘子产品。
附件选用添加微量金属元素的耐候钢，通过锻 造机加工工艺生产，附件表面采用热浸锌工艺防 腐，浸锌平均厚度大于 86 微米。附件内孔胶状部 位加工成锯齿形，附件胶装端部设计变厚并成圆弧 形，外包胶部位设计合理的矩形槽，增加附件安装 出口端壁厚，逐个通过射线探伤和磁粉探伤剔除其 内外部缺陷。结构如图 3：
了棒形瓷绝缘子机械性能稳定的特点，因采用改性
硅橡胶作外绝缘则继承了棒形柱式复合绝缘子电
气性能优异的特点，综合二者特点而研发的新型腕 臂绝缘子是一种混合型绝缘子[7]，具有传统绝缘子
的优点，而摈弃传统绝缘子的缺陷。通过合理的结
构设计，采用优质的生产原料，选择先进的制作工
艺，具备优异的机电性能。
2、新型腕臂绝缘子设计
3
震动传递杆
过度板2 PVC瓷件定位工装
瓷件同轴度控制工装
瓷件
胶合剂 附件
附件定位工装1 定位销1
工作台
过度板1 转轴
圆柱导杆
附件同轴度控制工装 同轴度控制系统 可调底座
图 4 瓷件与附件同轴度控制工装（胶装第 1 步）
震动传递杆 过度板1 附件定位工装1
附件 胶合剂
附件同轴度控制工装
瓷件
胶合剂 附件
3、新型腕臂绝缘子工艺革新
3.1 端部胶装工艺 原材料的选用决定了新型腕臂绝缘子工艺的独
特性，附件和内绝缘的永久性连接方式选用胶装工 艺。本产品采用变频震动胶装，用高强度硅酸盐密 实的填充附件和内绝缘之间的配合公差，牢固可靠 的将两端附件和内绝缘瓷芯棒胶装固定在一条轴 线上，供给整只产品稳定可靠的机械性能。
胶装过程使用“电气化铁路棒式瓷复合绝缘子 震动胶装几何公差控制系列工装”保证胶装产品附 件-瓷件-附件三者同轴度 1mm，保证附件-附件二者 同轴度 0.5mm。具体分两步完成，首先控制一端附 件与瓷件的同轴度并完成胶装，经 48 小时温水养 护后，再次翻转控制附件与附件的同轴度和位置并 完成胶装，在经过 72 小时的温水养护，完成整个 胶装工艺。其过程分步控制如图 4 和图 5：
0、序言
目前电气化铁路接触网大量使用的腕臂绝缘子 有棒形瓷绝缘子和棒形柱式复合绝缘子。棒形瓷绝 缘子抗弯抗扭好机械性能优异[1]，棒形柱式复合绝 缘子污闪电压高电气性能卓越[2]，两者已大量使用 在电气化铁路接触网供电系统，为铁路系统安全运 行和经济社会快速发展做出巨大贡献。但是，运行 中的棒形瓷绝缘子表面易粘附污秽，天气状况适合 可能出现外部闪络，比较笨重，搬运安装相对困难 [3]。棒形柱式复合绝缘子内绝缘芯棒的长期蠕变和 端部密封失效可能诱发的掉串，是其最大诟病。
定量的纳米级氧化铝微粉。将端部胶装部位设计成
倒锥形结构，并在胶装部位裹釉砂。
采用等静压成型工艺严格控制瓷芯棒结构尺寸
和形位公差，确保直径公差±0.5mm，长度公差±
5mm，整体圆度≤0.2，轴线直线度≤0.1。精细工
业氧化铝高强度陶瓷配方关键是提高氧化铝含量 并添加一定量纳米级氧化铝微粉，确保内绝缘芯棒 整体机械性能稳定可靠。瓷芯棒端部胶装部位采用 裹釉砂工艺，在砂粒表面预先裹釉，将砂的不规则 表面用釉填补充实，增加二者的接触面积，增强瓷 坯和砂的粘合强度。 2.3 外绝缘设计 2.3.1 配方设计
5
≥310
值)kV
人工污秽工频耐受电压
6
≥36
百度文库
（SDD=0.35mg/cm2）kV
7
结构高度 mm
750～900
8
最小电弧距离 mm
≥490
9
产品护套厚度 mm
≥4
10 爬电距离 mm
≥1600
2.2 内绝缘设计
新型腕臂绝缘子内绝缘采用干法等静压工艺成
型精细工业氧化铝高强度陶瓷配方。将氧化铝含量
优化至整体材料配方比重的 70%～75%，并添加一
气相法二氧化硅，用六甲基二硅氮烷进行表面 处理，使表面上的大部分羟基转变为三甲硅氧烷 基。纳米级氢氧化氯微粉表面喷洒二甲基硅油。以 丁苯橡胶为母体加入氧化铁红颜料，并加入耐紫外 线添加剂，改进耐紫外线性能，作为色母胶。
新型腕臂绝缘子外绝缘高温硫化改性硅橡胶不 仅完全满足国家标准要求和具有表 2 的优异机电性 能，而且经紫外光（氙弧法）老化 1500 小时后材 料完好，浸泡在 65%的硝酸溶液中 45 分钟后材料 完好，具有优异的耐紫外线和耐酸蚀性能。
2.3.2 伞形结构设计 利用风洞模拟试验、空气流场测试和空气流场
的数值模拟对产品伞形进行了积污及空气流场特 性的研究，以此设计了本产品的空气动力学伞形结 构[8]。结构如图 2：
2
图 2：伞形结构示意图
采用一大两小空气动力学伞形结构，较之传统 的等伞或大小伞可有效提升爬电距离利用率，提高 产品耐污能力。增大大伞间距和大伞伸出，提高产 品自结性和防强降雨能力，合理的大小伞倾角保证 伞盘表面雨雪不滞留，污秽少累积，自结性提高。 一大两小每组伞有效泄露距离 234mm，使得单位电 弧距离内爬电距离增大，运行中的爬电比距高达 58mm/kV。
表 2 外绝缘材料性能表
项目 体积电阻率(Ω.m) 直流击穿强度 kV/mm 交流击穿强度 kV/mm 拉伸强度 MPa 机械抗撕强度 kN/m
数据 >1012 >35 >20 >4.5 >10
项目 耐漏电起痕 可燃性试验 憎水性 憎水性迁移 憎水性恢复
数据 AC1A4.5 FV-0 级 HC1 HC1 HC1
2.1 技术参数
新型腕臂绝缘子技术参数见表 1。
表 1 产品技术参数表
序号 机电参数名称
设计值
1
额定工作电 kV
25 ( 工 频 单 相 交 流)
2
机械弯曲破坏负荷 kN
≥8、12、16、20
≥80、100、120、
3
机械拉伸破坏负荷 kN
140
4
工频干/湿耐受电压 kV
≥150 /190
雷电冲击耐受电压(峰
外绝缘伞裙护套材料选用 110-1、110-2、110-3 三种分子量 60 万以上的甲基乙烯基硅橡胶混合为 基体，添加进口气相法二氧化硅补强剂，添加纳米 级氢氧化氯阻燃剂，关键是添加一定量γ-三氟丙基 甲基聚硅氧烷改性机体，再添加适量引发剂、助剂 和硫化剂，经加压密炼、真空捏合、室温混炼，用 整体注射工艺在高温高压模具中一次硫化成型并 完成端部包胶密封。