DQZHAN訊：環(huán)氧樹脂絕緣件在電力設(shè)備中的應(yīng)用
簡述
介紹了環(huán)氧樹脂絕緣件的的物理、力學(xué)、電氣和熱性能等特性參數(shù)，以及簡明扼要地對制作流程做了說明，并以斷路器極柱為例對環(huán)氧樹脂絕緣件在電力設(shè)備應(yīng)用中的擊穿機(jī)理和優(yōu)化方案進(jìn)行了詳細(xì)分析，*后對環(huán)氧樹脂絕緣件試驗項目進(jìn)行了敘述。
近些年，以環(huán)氧樹脂為電介質(zhì)的絕緣件在電力行業(yè)得到了普遍應(yīng)用，比如在三相交流高壓開關(guān)設(shè)備上用環(huán)氧樹脂制造的套管、支撐絕緣子、觸頭盒、絕緣筒和極柱等，下面結(jié)合這些環(huán)氧樹脂絕緣件在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的絕緣問題，談一些我個人的看法。
1環(huán)氧樹脂絕緣件的制作
環(huán)氧樹脂材料內(nèi)聚力大，黏附力強(qiáng)，柔順性好，具有優(yōu)良的熱固化性能和穩(wěn)定的耐化學(xué)腐蝕性等一系列在有機(jī)絕緣材料中突出的優(yōu)點(diǎn)，可通過環(huán)氧樹脂澆注體系如自動環(huán)氧壓力凝膠制造工藝(APG工藝)，真空澆注制成各種固體材料。所制成的環(huán)氧樹脂絕緣件由于機(jī)械強(qiáng)度高，耐電弧性強(qiáng)，致密性高，表面光潔，具有較好的耐寒性和具有良好的耐熱性，良好的電氣絕緣性能等優(yōu)點(diǎn)，在電力行業(yè)應(yīng)用很廣，主要起到支撐和絕緣作用。對于3.6～40.5 kV環(huán)氧樹脂絕緣件的物理、力學(xué)、電氣和熱性能如下表所示。
環(huán)氧樹脂與添加物同時使用，以獲得應(yīng)用價值。添加物可按不同用途加以選擇，常用添加物有以下幾類：①固化劑。②改性劑。③填料。④稀釋劑。⑤其他。其中固化劑是必不可少的添加物，無論是作黏接劑、涂料和澆注料都需添加固化劑，否則環(huán)氧樹脂不能固化。由于用途、性能和要求各不相同，對環(huán)氧樹脂及固化劑、改性劑、填料及稀釋劑等添加物也有不同的要求。
絕緣件在制造過程中如環(huán)氧樹脂等原材料的質(zhì)量、模具、裝模、加熱溫度以及澆注壓力、固化時間等都對絕緣件的成品質(zhì)量有很大影響，因此，制造廠都有規(guī)范的工藝流程來保證絕緣件的質(zhì)量控制。2環(huán)氧樹脂絕緣件的擊穿機(jī)理和優(yōu)化方案環(huán)氧樹脂絕緣件是一種固體介質(zhì)，固體擊穿場強(qiáng)比液體和氣體介質(zhì)高。固體介質(zhì)擊穿的特點(diǎn)是擊穿場強(qiáng)與電壓作用的時間有很大關(guān)系，一般來講，作用時間t<1 s的擊穿為電擊穿，作用時間1 s≤t<幾小時的擊穿為熱擊穿，作用時間t≥幾小時的擊穿為電化學(xué)擊穿。雖然這三種擊穿過程是不同的，但擊穿的后果都是使固體介質(zhì)發(fā)生長久性破壞。我們在給開關(guān)設(shè)備做工頻耐壓試驗時，試驗電壓通過調(diào)壓器均勻升壓過程中，上述絕緣件隨主機(jī)一同承受試驗電壓，除了順利升壓后在規(guī)定耐受電壓1 min保持期擊穿的除外，當(dāng)任何部位在升壓過程中因絕緣薄弱導(dǎo)致的擊穿，都是瞬時的，這樣的擊穿，應(yīng)判定為電擊穿。這種情形，在環(huán)氧樹脂絕緣件上經(jīng)常碰到，下面以40.5 kV真空斷路器固封極柱為例對此問題展開分析。
所謂固封極柱是指將真空滅弧室和/或?qū)щ娺B接及其端子用固體絕緣材料封裝組成的獨(dú)立部件。由于其固體絕緣材料主要是環(huán)氧樹脂、電力硅橡膠和黏結(jié)劑等，依次按照固封工藝把真空滅弧室的外表面從下到上將黏結(jié)劑、電力硅橡膠及環(huán)氧樹脂包封在主回路外圍形成極柱。在生產(chǎn)過程中，極柱應(yīng)保證不能造成真空滅弧室性能降低或性能喪失，其表面應(yīng)平整光滑，不應(yīng)有降低電氣和力學(xué)性能的疏松、雜質(zhì)、氣泡或氣孔，不應(yīng)有裂紋等缺陷。盡管如此，40.5 kV固封極柱成品廢品率還是比較高，加之隨真空滅弧室的損壞，造成的損失讓很多制造單位都為之很是頭疼。究其原因，廢品率主要是由于極柱不能達(dá)到絕緣要求，比如95 kV 1 min工頻耐受電壓絕緣試驗，在試驗期間絕緣內(nèi)部有放電聲或擊穿現(xiàn)象。
從高電壓絕緣原理上我們知道，固體介質(zhì)的電擊穿過程與氣體中相似，是由碰撞電離形成電子崩，當(dāng)電子崩足夠強(qiáng)時破壞介質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致?lián)舸?。固封極柱使用的幾種絕緣材料，單位厚度在擊穿之前能夠承受的*高電壓，也就是固有擊穿場強(qiáng)都比較高，尤其環(huán)氧樹脂的Eb≈20 kV/mm。但電場的均勻程度，對固體介質(zhì)的絕緣性能影響非常大。如果內(nèi)部存在過強(qiáng)的電場，即使絕緣材料有足夠的厚度和絕緣裕度，出廠時耐壓試驗和局部放電試驗也都通過，在運(yùn)行一段時間后，仍可能會頻頻出現(xiàn)絕緣擊穿故障。局部電場過強(qiáng)的效應(yīng)，就好像撕紙一樣，過分集中的應(yīng)力會依次施加到各作用點(diǎn)上，結(jié)果遠(yuǎn)小于紙張抗拉強(qiáng)度的作用力就能撕裂整張紙。在有機(jī)絕緣內(nèi)局部過強(qiáng)的電場作用于絕緣材料時，會產(chǎn)生類似于“錐孔”效應(yīng)，使絕緣材料被漸次擊穿。但是，這種隱患在早期階段不但常規(guī)的工頻耐壓和局部放電試驗試驗不能查出，而且目前還沒有檢測手段可以發(fā)現(xiàn)，只能靠制造工藝來加以保證。所以，固封極柱上下出線的邊緣必須以圓弧過渡，而且半徑應(yīng)盡量大一些，以此來優(yōu)化電場分布。極柱在制作過程中，對于環(huán)氧樹脂、電力硅橡膠等固體介質(zhì)，由于面積或體積大小差異對擊穿的累積效應(yīng)，可導(dǎo)致?lián)舸﹫鰪?qiáng)有所不同，大面積或體積的擊穿場強(qiáng)低，因此，環(huán)氧樹脂等固體介質(zhì)在包封固化前一定要通過混料設(shè)備將材料混合均勻，以此來控制場強(qiáng)作用的分散性。
同時，由于固體介質(zhì)為非自恢復(fù)絕緣，極柱經(jīng)過多次試驗電壓的作用，如果每次試驗電壓下，固體介質(zhì)發(fā)生部分損傷，在累積效應(yīng)以及多次試驗電壓作用下，這種部分損傷會擴(kuò)大而*終導(dǎo)**柱擊穿。所以，可將極柱的絕緣余量應(yīng)設(shè)計大一點(diǎn)，避免規(guī)定的試驗電壓對極柱的損傷。
另外，極柱中多種固體介質(zhì)相互之間由于黏結(jié)**形成的氣隙或固體介質(zhì)本身內(nèi)部的氣泡，極柱在電壓作用下，由于氣隙或氣泡中場強(qiáng)比固體介質(zhì)中高，而氣隙或氣泡的擊穿場強(qiáng)遠(yuǎn)低于固體的擊穿場強(qiáng)。因此，這樣會在極柱的固體介質(zhì)里的氣泡中存在局部放電或在氣隙中形成擊穿放電。要解決這種絕緣問題，很顯然就要從防止氣隙或氣泡的形成著手：
①可將黏結(jié)面處理成均勻的磨砂面(真空滅弧室表面)或坑洼面(硅橡膠表面)，并采用合理的黏結(jié)劑，將黏結(jié)面有效黏結(jié)。
②可采用優(yōu)良的原材料和澆注設(shè)備，保證固體介質(zhì)的絕緣性。
2環(huán)氧樹脂絕緣件的試驗
一般情況下，環(huán)氧樹脂制作的絕緣件，應(yīng)該做的強(qiáng)制性型式試驗項目有：
1外觀或X光探傷、尺寸檢測。
2環(huán)境試驗，如冷熱循環(huán)試驗、機(jī)械振動試驗和機(jī)械強(qiáng)度試驗等。
3絕緣試驗，如局部放電試驗、工頻耐壓試驗等。
結(jié)束語
綜上所述，在環(huán)氧樹脂絕緣被得以廣泛應(yīng)用的今天，我們應(yīng)從環(huán)氧樹脂絕緣件制造工藝、電力設(shè)備中電場優(yōu)化設(shè)計等方面，準(zhǔn)確應(yīng)用環(huán)氧樹脂絕緣特性，使環(huán)氧樹脂絕緣件在電力設(shè)備中應(yīng)用的更加**。
