交互式絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)測定

周秋松++丁樹業(yè)++崔廣慧++鄧艷秋++蔣山

摘要：為了精確測量電磁機械裝置內(nèi)非標(biāo)準(zhǔn)固體絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)，基于穩(wěn)態(tài)熱流法原理搭建固體材料導(dǎo)熱系數(shù)測試平臺，對非標(biāo)準(zhǔn)絕緣絕緣材料樣品的導(dǎo)熱系數(shù)進行了系統(tǒng)測量，通過研究能夠有效解決交互式固體絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)測量問題.為測量非標(biāo)準(zhǔn)固體絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定奠定了理論基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：穩(wěn)態(tài)熱流法；非標(biāo)準(zhǔn)絕緣樣品；導(dǎo)熱系數(shù)；交互式法

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.006

中圖分類號：TM215.1

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）04-0030-04

0 引言

隨著能源問題的突出和現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，當(dāng)今社會越來越意識到熱物性學(xué)研究的重要性.把如何迅速、精確地確定物質(zhì)熱物性數(shù)據(jù)作為熱物性學(xué)的基本任務(wù)，當(dāng)然也就顯得尤為重要，作為經(jīng)典的熱物性測試方法的穩(wěn)態(tài)熱流法有測試原理簡單、測定范圍廣等優(yōu)點.在許多電力設(shè)備中，絕緣材料作為其重要組成部分，其導(dǎo)熱性能直接影響電力設(shè)備的溫度分布、最高溫升乃至設(shè)備的壽命，因此研究絕緣材料的導(dǎo)熱性能對于電力行業(yè)具有非常重要的理論價值和實際工程意義.

在電機、變壓器和電抗器等電力設(shè)備的設(shè)計和研發(fā)階段，各種絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)是必不可少的參數(shù)，所以能夠準(zhǔn)確測量絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)顯得至關(guān)重要.為了縮短開發(fā)周期提高設(shè)計精度，精準(zhǔn)、快速地測量電力設(shè)備中絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)迫在眉睫.基于穩(wěn)態(tài)熱流法的測量原理，本文以干式電抗器內(nèi)常用的A類絕緣材料為例，利用導(dǎo)熱儀測量其導(dǎo)熱系數(shù).受于導(dǎo)熱儀對測量樣品尺寸規(guī)則的局限性，針對電機內(nèi)絕緣材料結(jié)構(gòu)不一且難于取材制樣的特點，提出了新方法——交互式絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量，提供更加經(jīng)濟便捷的測試技術(shù)，來獲取尺寸非標(biāo)準(zhǔn)絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)，為電力設(shè)備的溫度場數(shù)值計算以及設(shè)計開發(fā)提供保證.

1 固體材料導(dǎo)熱系數(shù)測量方法

由傳熱學(xué)理論可知，由于溫度不平衡的原因，導(dǎo)致物體內(nèi)存在溫差，因而熱能不均勻分布.物體內(nèi)粒子在沒有宏觀位移的情況下，熱量從高溫部位傳到低溫部位，盡管沒有物質(zhì)轉(zhuǎn)移也存在熱量傳遞現(xiàn)象，我們把借助物質(zhì)微觀粒子的無序運動的熱傳遞現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱系數(shù)就是用來表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量.

1.1 穩(wěn)態(tài)熱流法的測量原理

該測試系統(tǒng)由上下加熱板、熱流計、絕熱板等主要部件組成，通過控制絕熱板的溫度，減少沿試樣側(cè)面的雜散熱耗，使通過試樣有效傳熱面積的熱量基本上為一維穩(wěn)態(tài)熱流.

由于樣品的直徑遠大于其厚度，可看作為無限大平行板，所以忽略了試樣圓盤側(cè)面的散熱而產(chǎn)生的影響，近似為熱流線平行，因此熱量傳導(dǎo)方向為有下至上的垂直方向，如圖1所示，

導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)態(tài)條件下，通過垂直于熱流線的單位溫度梯度、單位截面面積下的熱流量，絕緣性能優(yōu)良的材料通常導(dǎo)熱系數(shù)較低，導(dǎo)熱系數(shù)中低的材料一般使用Fourier方程所描述的穩(wěn)態(tài)法測試，即式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)；S為垂直于熱流線的試樣截面面積；T₁為熱板溫度，T₂為冷板溫度，T₁-T₂為試樣上下表面溫度差；d為試樣的厚度，△Q為垂直平板方向傳遞的熱量，稱為熱流量，

其中：通過導(dǎo)熱儀已將熱板溫度T₁、冷板溫度T₂設(shè)定，因此試樣上下表面溫度差T₁-T₂為已知條件；試樣的厚度d、截面面積S也已預(yù)先測定；熱流量Q可通過功率方程P=KQ（K=l）算出則導(dǎo)熱系數(shù)單位變?yōu)閃/（K.m），導(dǎo)熱方程為：

高溫導(dǎo)熱儀測試時要求測試樣品為規(guī)則圓柱體，直徑100mm，厚度在5mm左右，精確度要求較高，自身對絕緣材料形狀的有約束性，其實驗設(shè)備如圖2所示：

下面給出實驗測得標(biāo)準(zhǔn)圓柱體形狀絕緣材料墊塊和鐵餅外環(huán)氧的導(dǎo)熱系數(shù)，如圖3和表l所示.從誤差計算中可知，已選材料的數(shù)據(jù)因測量次數(shù)太少而誤差較大，為了在現(xiàn)有的測量數(shù)據(jù)上得出較精確的實驗結(jié)果，故采用去掉數(shù)值最大和最小的兩個數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)取平均值的方法，采用此方法得到的結(jié)果為：墊塊材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)是0.641W/（K·m）；鐵餅外環(huán)氧的平均導(dǎo)熱系數(shù)是0.531W/（K·m）.

本研究利用混合材料等效導(dǎo)熱系數(shù)計算公式，測定結(jié)構(gòu)非標(biāo)準(zhǔn)絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)測.因此提出了基于穩(wěn)態(tài)熱流法導(dǎo)熱儀測定非標(biāo)準(zhǔn)樣品導(dǎo)熱系數(shù)的方法以及實驗數(shù)據(jù)修正方案，這在工程應(yīng)用中是一種全新方法.

2 交互式絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)測定

對于結(jié)構(gòu)形狀非標(biāo)準(zhǔn)的測試樣品，如電機內(nèi)的主絕緣、層絕緣、匝間絕緣等，其材料結(jié)構(gòu)尺寸非標(biāo)準(zhǔn)形，其中的組分也不是單一材料，難以制作成規(guī)則試樣，直接利用實驗設(shè)備測量導(dǎo)熱系數(shù)，需要采用一定方法來解決，這時需要本實驗創(chuàng)新性，采用已知絕緣材料將待測材料緊密包裹成標(biāo)準(zhǔn)圓柱體形狀，兩種材料的厚度均是統(tǒng)一，并且所有材料的面積均容易測得，通過導(dǎo)熱儀測得混合樣品的等效導(dǎo)熱系數(shù)λ_eq，再導(dǎo)出結(jié)構(gòu)尺寸非標(biāo)準(zhǔn)絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù).

2.1 實驗材料

本實驗主要為了測定結(jié)構(gòu)尺寸非標(biāo)準(zhǔn)絕緣材料墊塊及鐵餅外環(huán)氧的導(dǎo)熱系數(shù)，它們屬于E級絕緣，最高工作溫度為120℃.取兩個非標(biāo)準(zhǔn)絕緣試樣（60mm×60mm的正方塊），用已知導(dǎo)熱系數(shù)絕緣材料做模具，使其組合成標(biāo)準(zhǔn)試樣——交互式混合絕緣材料（已刪除如圖3所示）：（a）內(nèi)墊塊外鐵餅外環(huán)氧和（b）外墊塊內(nèi)鐵餅外環(huán)氧，各3塊，測試絕緣材料樣品正反面以A、B之分，分別記為外鐵內(nèi)墊A面、外鐵內(nèi)墊B面及外墊內(nèi)鐵A面、外墊內(nèi)鐵B面，如圖4所示：

2.2 實驗內(nèi)容

導(dǎo)熱儀可以直接測得整塊模板的等效導(dǎo)熱系λ_eq由于模具的導(dǎo)熱系數(shù)已經(jīng)單獨制作標(biāo)準(zhǔn)測試樣品測得，厚度為標(biāo)準(zhǔn)值，各部分面積可測得，因此求出結(jié)構(gòu)尺寸非標(biāo)準(zhǔn)絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)計算公式如（3）所示：式中：λ₁為已知材料的導(dǎo)熱系數(shù)；s₁為已知材料的橫截面積；λ_x為待測材料的導(dǎo)熱系數(shù)；s_x為待測材料的面積；d為整個樣品的厚度；λ_eq為整塊材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)，

利用導(dǎo)熱儀對兩交互式混合材料正反面導(dǎo)熱系數(shù)進行多次測量，并取均值，如表2所示：

由于本研究采用的是間接測量方法，在準(zhǔn)確度和精度上要低于傳統(tǒng)的測量方法，但是精度已足以達到工程需要.為了驗證測量的準(zhǔn)確性，基于Fluent有限體積法工程軟件對實驗過程進行數(shù)值仿真，一方面驗證實驗的準(zhǔn)確性，另一方面與工程實際相結(jié)合，提出導(dǎo)熱系數(shù)在電氣工程領(lǐng)域設(shè)計開發(fā)階段的實用價值.

3 實驗結(jié)果及誤差分析

通過將已知條件帶入公式（3）多次求得結(jié)構(gòu)非標(biāo)準(zhǔn)絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)計算值，并與實驗值進行對比，如表3所示：造成測量誤差的的可能原因主要有以下幾點：1）實驗設(shè)備：即使是同一塊材料在相同條件下測相同時間，所得結(jié)果也會有所不同，測試中出現(xiàn)結(jié)果與其他數(shù)據(jù)相差較大的，采取重新測量辦法以減小誤差；

2）由于實驗設(shè)備對實驗材料尺寸要求很高，必須是直徑100mm的圓柱體，人為加工材料很難做到精確，稍微大些便會出現(xiàn)放不進去測試爐的情況，為了能放進測試爐就需將樣品切削稍微小于100mm，這會產(chǎn)生誤差，該誤差已由數(shù)據(jù)處理減??；

3）實驗材料的厚度對實驗結(jié)果也有影響，由于材料厚度不均，很難測得準(zhǔn)確厚度，產(chǎn)生誤差，實驗過程中采用多次測量取平均值法減小誤差；另外，待測樣品與已知絕緣系數(shù)樣品有厚度差，使其混合體在厚度上不連續(xù)，多次測量取平均值減少誤差；

4）實驗材料有彎曲現(xiàn)象，有明顯凹凸面，不是標(biāo)準(zhǔn)柱體，這可能導(dǎo)致傳熱不均引起誤差，實驗過程中每個混合樣品正反兩面各測一次，最后取平均值以減小該誤差；

5）對于交互式材料在銜接處有空隙，因此使用精密儀器盡量細加工材料，使兩者最大程度吻合在一起以減少誤差.

通過本次試驗利用交互式絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)測定的方法，來測得結(jié)構(gòu)形狀非標(biāo)準(zhǔn)絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)，經(jīng)驗證在誤差允許范圍內(nèi)測量值與真實值基本吻合，該方法的可靠實用性.

4 結(jié)論

本文基于穩(wěn)態(tài)熱流法原理，對結(jié)構(gòu)形狀非標(biāo)準(zhǔn)同體絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)進行了交互式測定，主要得到如下結(jié)淪：

1）穩(wěn)態(tài)熱流法能夠有效地解決交互式固體絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定問題；

2）采用交互式固體絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)測量，測定結(jié)果是采用了等效公式法，其相對誤差在允許范圍之內(nèi)，實驗值與計算值相對吻合，有效滿足工程實際需求.