氣體絕緣金屬封閉開關設備用環(huán)氧樹脂絕緣件的研究

氣體絕緣金屬封閉開關設備用環(huán)氧樹脂絕緣件的研究

中國的封閉式氣田邊界裝置（gasinsalu3000metisonu3000switzer，gis）經歷了近20年的發(fā)展，變得越來越成熟。并開始向高電壓、大容量、免維護的方向高速發(fā)展,這也對GIS所用的環(huán)氧樹脂絕緣件提出了更高的要求。目前大多數(shù)生產GIS用環(huán)氧樹脂絕緣件的廠家均采用真空澆注。真空澆注工藝是目前環(huán)氧樹脂澆注中應用最為廣泛、工藝條件最為成熟的方法,澆注環(huán)境的真空基本能控制在200~600Pa;以德國的海德里希、旭百世等澆注設備為例,在環(huán)氧樹脂與填料預混階段,均采取了薄膜在線脫氣等技術,以減少環(huán)氧樹脂與填料混合料(以下簡稱混合料)中的空氣,這些技術已經在很大程度上減少了絕緣件大氣孔的產生,但隨著GIS電壓等級的升高,特別是550kV、1u3000100kV電壓等級的出現(xiàn),對絕緣件表面要求更高。我公司內部質量文件規(guī)定,每平方厘米出現(xiàn)數(shù)量超過3個針孔、氣孔面積大于φ0.5mm和產品密封槽出現(xiàn)針孔均要被報廢。實踐表明,氣孔、縮孔等較容易出現(xiàn)在澆冒口附近或與澆冒口相對的位置上,本文將對氣孔、縮孔的形成機理以及原因作進一步分析。文中未對設備原因進行分析,若澆注設備的澆注真空未實現(xiàn)控制在200~600Pa以下,或尚未實現(xiàn)環(huán)氧樹脂與填料的混合料的在線脫氣技術,應先解決設備問題。1壁厚較厚的情況氣孔和氣泡是澆注件內部形成的一種空隙。造成空隙的原因有2個方面:一是由于澆注件設計不當,壁厚差別太大,或在澆注件中存在混合料被金屬(電極)等非澆注料包封的情況,當澆注件冷卻時,由于收縮差,在壁厚較厚處,或在不同材料的界面處容易形成空洞,這種情況通過改進設計和工藝,是完全可以避免的。二是由于混合料中含有水分、空氣和揮發(fā)性的物質在加熱時形成氣體,當有一部分被密封在澆注件內部時,就形成了氣孔。這樣的氣孔是必然的,但不能讓它們留在混合料中而被凝固成澆注件氣孔?；旌狭显诔爻合?總會溶解掉一定的空氣和水分,當混合料溫度顯著增加或壓力顯著降低時,溶解在料中的空氣和水分就有可能被釋放出來。根據(jù)化學工程理論,恒壓下的液體混合物加熱至第一個氣泡的溫度由泡點方程來說明。式中:Yi…Yc為氣相組成;Xi…Xc為液相組成;Ki為相平衡系數(shù),在所求泡點溫度時與壓力有關;c為組份數(shù)。2澆注件的補縮料對復合材料收縮率的影響環(huán)氧樹脂與所用固化劑的反應是通過直接加成反應或樹脂分子中環(huán)氧基的開環(huán)聚合反應來進行的,在固化過程中,環(huán)氧樹脂會有一定的收縮率,通常在0.5%~2%,所以在生產環(huán)氧樹脂澆注件的過程中,需在澆冒口留有足夠的補縮料,若補縮料不足,將導致產品表面出現(xiàn)縮孔等現(xiàn)象。因此,留有足夠的補縮料,是消除澆注件縮孔或缺料的重要手段。3u3000空腔分析及針灸結果的改進措施3.1u3000模具密度、溫度與接枝溫度對氣孔率的影響3.1.1混合料中含有水分目前環(huán)氧樹脂澆注件大多采用三氧化二鋁或二氧化硅作為填料,而且填料組份占居總組份的65%以上,而三氧化二鋁具有很強的吸濕性,若在倉儲或加料過程中未作有效防護,它將吸附大量水氣,在后期混合料配比中,有很多的水分殘留,使產品中容易生成氣孔。旭百世澆注設備填料在預混前會進行10h以上的真空干燥,水分控制在<0.03%。其他澆注設備若沒有真空干燥配套設備,可在配料前對填料進行單獨干燥處理,減少填料中的水分,對產品中氣孔的減少會有很大的幫助。相對來說,二氧化硅的吸濕性較弱,生產過程中可酌情考慮其干燥時間和溫度。3.1.2模具預熱溫度不足目前大多數(shù)絕緣件廠家對GIS用絕緣件均采用高溫澆注,即將環(huán)氧樹脂與填料的混合料溫度控制在120~130℃左右(每個廠家對要求加入的填料用“多少”有不同的要求,所以溫度控制將有一定的差異),在澆注前需將待澆注的模具以及模具預埋的電極、導體也應預熱到120~130℃。若模具預熱溫度較低、預熱時間不足、模具內腔仍未達到溫度均勻的情況,或澆注料處在較低溫度時,黏度瞬間變大,黏度變大后,料的流動性變差,不利于脫氣,容易導致氣體殘留。圖1為環(huán)氧樹脂與填料混合料的黏度與溫度變化曲線,由圖可見,隨著溫度的升高,混合料的黏度大幅降低。當然溫度不能太高,因為固化劑鄰苯二甲酸酐溫度超過170℃時會大量揮發(fā),澆注料中的固化劑損失太多,會影響固化反應。另外,溫度太高,固化速度太快,可能導致澆注料中的氣體尚未排除就已經出現(xiàn)固化的現(xiàn)象。3.1.3環(huán)氧樹脂與填料的混合料密度過高、黏度過大u3000由于在GIS殼體內需充入SF6氣體,以增加絕緣性能,因此對環(huán)氧樹脂絕緣件的機械強度也有很高的要求。每份環(huán)氧樹脂中能完全浸潤的填料量越多,相對來說絕緣件的機械強度越高(這是在填料能完全被環(huán)氧樹脂浸潤的前提下);若未能實現(xiàn)被環(huán)氧樹脂完全浸潤,顆粒間易團聚,固化過程中團聚體將成為應力集中點,從而導致絕緣件的機械強度反而下降。部分廠家為了尋求更高的機械強度,填料加入量相對較多,致使環(huán)氧樹脂與填料的混合料的密度較大,黏度也相應較高;但是,黏度升高,流動性變差,不利于脫氣,容易導致氣體殘留,從而形成氣孔。3.1.4模具密封性差部分模具雖然在生產過程中未出現(xiàn)漏料或滲料的情況,但是由于模具本身輕微變形,或模具密封圈偏大等原因,使模具合模后出現(xiàn)細小縫隙,雖然不至于滲料或漏料,但會出現(xiàn)漏氣、滲氣的現(xiàn)象。圖2是絕緣件出現(xiàn)氣孔的一個實例。經研究分析發(fā)現(xiàn),該模具所用的硅橡膠條要求為φ5mm,而實際供應商提供的為φ5.25~φ5.3mm,致使合模后模具有微小的間隙。由于本身為真空澆注,模具內腔為負壓,固化開始后,環(huán)氧樹脂開始收縮,模具與產品之間出現(xiàn)縫隙,而模具內腔的負壓,使從鼓出的密封圈處開始滲入空氣,而這時產品并未完全固化,導致氣體進入到產品中,形成氣孔。因此,模具的密封性在很大程度上也會影響產品的氣孔。另外,澆注嘴離模具澆冒口太近或澆注速度過快,致使?jié)沧⒘显谡婵諠沧}中未能充分的脫氣,也將造成產品出現(xiàn)輕微氣孔;模具內腔表面光潔度差,也將導致澆注料流動性變差;澆冒口直徑太小,導致排氣不暢,這些也是導致產品出現(xiàn)氣孔的原因。3.2壓縮方式設計縮孔形成的主要原因主要還是由于補縮料不足,或澆冒口溫度過高,導致補縮料先固化,未能起到補縮的作用。在模具設計過程中,因先根據(jù)自身廠家所選的環(huán)氧樹脂收縮率來設計澆冒口的尺寸,不宜過小或過大。過小,補縮料不足,導致產品缺料或形成縮孔,也會導致產品排氣不暢造成氣孔;過大,將導致澆注料的浪費。目前國內大多數(shù)廠家都采用在澆冒口加注冷卻水的方式來降低澆冒口的溫度,避免由于澆冒口的料未參與補縮就已經固化。若使用加注冷卻水的方式,應注意水箱的大小。水箱太大,可能導致整個預固化過程結束后,澆冒口仍然是稀的;水箱太小,又會導致澆冒口提前固化,未能有效起到補縮的作用。我公司絕緣澆注車間不采用加入冷卻水的方式,而是采用加氣壓的方式進行強行補縮,根據(jù)產品大小、類型的區(qū)別決定氣壓壓力的大小,而且我公司絕緣澆注車間的模具內部帶有發(fā)熱元件,可以對模具進行加熱,而且對模具每個部位的溫度都可以進行控制,這樣可以適當?shù)亟档蜐裁翱诘募訜釡囟?使?jié)裁翱诘牧瞎袒俾氏鄬档汀．斎?在模具裝模過程中涂抹的脫模油,若未徹底擦干凈,模具表面會出現(xiàn)液滴狀脫模油,此時由該模具生產出來的產品在脫模油液滴處也將形成縮孔或凹坑。4