納米改性環(huán)氧樹脂絕緣型封閉母線的溫升特性研究

楊國(guó)清，魏 帥，王得意，賈 嶸，黎 洋

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納米改性環(huán)氧樹脂絕緣型封閉母線的溫升特性研究

楊國(guó)清，魏 帥，王得意，賈 嶸，黎 洋

(西安理工大學(xué)，西安 710048)

針對(duì)環(huán)氧樹脂絕緣型封閉母線溫升較高，本文提出利用SiO2對(duì)母線結(jié)構(gòu)中導(dǎo)熱性較差的環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，提高環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱性能。在此基礎(chǔ)上分析了填料比例、粒徑以及表面粗糙度對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能和電性能的影響。結(jié)果表明，5%的納米SiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有最優(yōu)的電性能和導(dǎo)熱性能。利用ANSYS軟件仿真母線溫度場(chǎng)，仿真結(jié)果表明，納米改性環(huán)氧樹脂絕緣型封閉母線的溫升得到降低。

環(huán)氧樹脂；改性；封閉母線；ANSYS；溫度場(chǎng)分析

0 引言

環(huán)氧樹脂絕緣型封閉母線作為一種大電流傳輸裝置廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的發(fā)電廠和變電站中。由于母線在傳輸電流的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如果熱量得不到及時(shí)消散會(huì)使母線絕緣材料持續(xù)受到高溫影響而加速絕緣材料老化，從而使母線絕緣部分的使用壽命降低，甚至有可能造成安全生產(chǎn)事故[1, 2]。因此對(duì)封閉母線溫升的分析以及母線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)逐漸成為各封閉母線生產(chǎn)企業(yè)和各大電力部門最關(guān)心的內(nèi)容之一。

文獻(xiàn)[3]提出了采用自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)混合的通風(fēng)散熱模式來(lái)降低封閉母線運(yùn)行溫度的方法。由于在不同邊界條件下封閉母線在受限空間的散熱能力不同，需要采用不同的通風(fēng)方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[4, 5]提出增加導(dǎo)電面積，減小電流密度；在各接合面上涂上導(dǎo)電膏，盡量減小接觸電阻；殼連接處的橡膠密封墊換成鋁制密封墊等措施，均需增加設(shè)備投資。本文從母線材料導(dǎo)熱的角度出發(fā)，得出母線絕緣層材料環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱性差（導(dǎo)熱系數(shù)0.109W/(m·℃)）是封閉母線運(yùn)行溫度偏高的原因之一。

環(huán)氧樹脂（EP）是目前在高壓絕緣領(lǐng)域特別是大電流、高壓產(chǎn)品中應(yīng)用最為廣泛的材料之一[6, 7]。但EP固化物質(zhì)脆，耐疲勞性、導(dǎo)熱性差，界面結(jié)合強(qiáng)度弱等，在很大程度上限制了它在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[8]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)EP的這些問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，文獻(xiàn)[9, 10]分別通過(guò)添加納米SiO2和TiO2粒子改善EP的機(jī)械性能，文獻(xiàn)[11-13]通過(guò)添加納米材料在一定范圍內(nèi)既增強(qiáng)了復(fù)合材料的電絕緣性能又提高了導(dǎo)熱率。

本文在兼顧母線絕緣性能的同時(shí)研究了環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱性能。本文基于改性環(huán)氧樹脂的方法，針對(duì)E-51型環(huán)氧樹脂進(jìn)行了導(dǎo)熱性研究，并分析了表面粗糙度、納米和微米添加量對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)利用改性材料和未改性材料的母線進(jìn)行磁-熱耦合仿真[14-16]，從而驗(yàn)證了利用改性材料降低母線溫升的可行性。

1 環(huán)氧樹脂改性工藝

1.1 主要實(shí)驗(yàn)原材料和實(shí)驗(yàn)儀器

主要實(shí)驗(yàn)材料：環(huán)氧樹脂采用E-51，固化劑為甲基四氫苯酐，增韌劑采用DH410，偶聯(lián)劑為KH-550，促進(jìn)劑為DMP-30，納米SiO2粒徑約為30nm，微米SiO2粒徑約為25μm。

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測(cè)試儀器：鼓風(fēng)干燥箱、真空泵、超聲波清洗機(jī)、數(shù)顯控溫電熱套、攪拌機(jī)和FD-TC-B型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀。

1.2 試樣的制備

試樣的制備流程圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)操作流程

具體過(guò)程下所示：

①模具于160℃下烘焙3h，冷卻后涂脫模劑，而后再放入干燥箱中烘焙3h；

②將一定量的SiO2材料放入干燥箱中干燥處理10h；

③量取一定量的環(huán)氧樹脂，在數(shù)顯控溫電熱套中于80～100℃下預(yù)熱2h，使其熔化并降低黏度；

④將烘好的SiO2材料倒入預(yù)熱好的環(huán)氧樹脂于超聲波清洗機(jī)中處理1h，然后加入固化劑和促進(jìn)劑（配比為100:80:0.8）處理0.5h；

⑤將處理好的試樣在真空泵中真空脫泡1h，然后倒入處理好的模具中真空脫泡0.5h；

⑥將真空脫泡后的試樣放入鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行固化。固化溫度和時(shí)間為130～135℃，17～18h。

⑦一次固化后脫模再繼續(xù)進(jìn)行二次固化。二次固化溫度和時(shí)間分別為150℃、3～4h。

⑧對(duì)樣品進(jìn)行機(jī)械加工。

研究中測(cè)試樣品固化成圖2所示圓形薄片。薄片直徑為130mm、厚度為5mm。

圖2 樣品實(shí)物圖

1.3 導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算

采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)試材料的導(dǎo)熱系數(shù)并且測(cè)試按照ASTME 1530標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。在待測(cè)試樣品上下表面均勻涂抹少許導(dǎo)熱硅脂，放置于熱導(dǎo)率測(cè)試儀器上，等待40～60min儀器上各項(xiàng)數(shù)據(jù)達(dá)到穩(wěn)定后，讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)輸入軟件中計(jì)算出樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算通過(guò)公式（1）計(jì)算所得。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

研究中，采用了兩種不同表面粗糙度的實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行測(cè)試，表面形貌AFM照片如圖3所示。其中圖3（a）中表面平整的樣品固化制備后無(wú)任何加工，表面粗糙度Ra為0.12～0.25um；表面不平整的樣品組采用機(jī)械研磨后其表面粗糙度Ra為0.86～0.94um，如圖3（b）所示。

（a） 未加工樣品表面 （b） 加工后樣品表面

上述樣本的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，材料表面的粗糙度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果有顯著的影響，表面光滑的樣本測(cè)試數(shù)據(jù)具有明顯的規(guī)律性，即導(dǎo)熱系數(shù)隨著納米填料的增多而增加，而表面研磨的樣本測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)明顯規(guī)律。這是由于打磨后的樣本表面具有較多的空氣隔熱區(qū)使材料表面的熱阻增大，從而使測(cè)試結(jié)果沒有明顯的規(guī)律性。因此本文選取表面光滑的樣品進(jìn)行測(cè)試，表面粗糙度Ra約為0.12～0.25um。

圖4 加工樣品表面和未加工樣品表面SiO2/EP復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)

SiO2/EP復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)與填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系如圖5和圖6所示，分別顯示了復(fù)合材料導(dǎo)熱率隨微米SiO2和納米SiO2添加量的變化規(guī)律。

圖5 復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)隨微米SiO2填充量的變化

圖6 復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)隨納米SiO2填充量的變化

純環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)（0.109W/(m·℃)）非常低，加入SiO2（0.7 W/(m·℃)）填料后，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)有很明顯的提升。從圖5可見，SiO2/EP復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著微米填量的增加而快速升高，由純環(huán)氧樹脂的0.109 W/(m·℃)增長(zhǎng)到0.192 W/(m·℃)，比純環(huán)氧樹脂基體提高76%。

如圖6所示，隨著納米SiO2的加入，SiO2/EP體系的導(dǎo)熱系數(shù)有顯著的升高，在3wt.%的范圍內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)增加比較緩慢，當(dāng)填料比例在3wt.%以上時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)增加比較快。當(dāng)填料加量為10wt.%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.175 W/(m·℃)，比純環(huán)氧樹脂基體熱導(dǎo)率高61%。這是因?yàn)閺?fù)合材料的熱導(dǎo)率主要取決于基體材料的熱導(dǎo)率，當(dāng)SiO2含量較少時(shí)高導(dǎo)熱的填料顆粒被導(dǎo)熱性能較差的環(huán)氧基體包覆隔離開來(lái)，SiO2顆粒之間難以接觸，類似于“海-島結(jié)構(gòu)”，熱阻較大[17]，所以導(dǎo)熱性比較差。當(dāng)填料量逐漸增加后，納米SiO2粒子相互接觸并相互作用形成一條熱阻較小的通道，從而增強(qiáng)了復(fù)合材料對(duì)聲子的傳導(dǎo)能力。

將圖5和圖6對(duì)比可以看出，SiO2粒徑的大小對(duì)導(dǎo)熱率有一定的影響。在相同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，填料為微米材料時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)明顯比納米材料時(shí)高。由于微米SiO2粒子的粒徑大于納米SiO2的粒徑，填料的粒徑越大，組成導(dǎo)熱網(wǎng)路上的粒子數(shù)就越少，熱流通過(guò)相同長(zhǎng)度的復(fù)合材料經(jīng)過(guò)的“顆粒-顆?！苯缑婊蛘摺邦w粒-基體”界面就越少，界面的接界熱阻比較小，聲子通過(guò)這些界面時(shí)，往往散射較小，因而大粒徑填料會(huì)比小粒徑填料的復(fù)合材料熱導(dǎo)率高[18]。但是在高填充量情況下，由于復(fù)合體系中導(dǎo)熱網(wǎng)鏈已經(jīng)形成，粒徑的大小對(duì)導(dǎo)熱率的影響在逐漸減弱[18, 19]。

上述結(jié)果表明微米SiO2比納米SiO2對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性的影響大，但是相同填量下nano-SiO2/EP具有比micro-SiO2/EP更優(yōu)異的電氣性能。文獻(xiàn)[20]研究了不同粒徑的SiO2粒子對(duì)復(fù)合材料電氣性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著SiO2粒徑的增長(zhǎng)復(fù)合材料的體積電阻率先增加后降低，且在100nm時(shí)體積電阻率最大。由于母線主要應(yīng)用于對(duì)電氣設(shè)備絕緣性能要求很高的電力系統(tǒng)中，因此本文選取納米SiO2作為改性材料。

圖7給出了納米SiO2粒子填量對(duì)復(fù)合材料局部放電性能的影響，隨著填充量的增加復(fù)合材料的局部放電起始電壓先上升后降低，且在填充量為5%時(shí)局部放電起始電壓最高為32.9kV，比純環(huán)氧樹脂（26.8kV）高6.1kV，電性能得到明顯提升。結(jié)合電氣性能和導(dǎo)熱性能，認(rèn)為5%的納米SiO2填料最為理想。

圖7 SiO2/EP復(fù)合材料的局部放電起始電壓隨納米SiO2填充量的變化

3 母線溫升的仿真計(jì)算

將改性后的環(huán)氧樹脂應(yīng)用到三相封閉母線中，利用ANSYS軟件建立三相封閉母線的有限元模型，對(duì)封閉母線進(jìn)行磁-熱耦合分析。封閉母線的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 封閉母線結(jié)構(gòu)圖（mm）

頻率為50Hz、額定電流為5000A、環(huán)境溫度為20℃時(shí)，5%納米SiO2/EP復(fù)合材料的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖9所示，母線最高運(yùn)行溫度為72.11℃，溫升為52.11℃。

圖9 5%納米SiO2/EP復(fù)合材料的母線仿真溫度

各個(gè)納米填料比例的復(fù)合材料封閉母線的溫升值如圖10所示。由圖10可看出母線的運(yùn)行溫度隨納米SiO2填充量的增加而降低，母線溫升由純環(huán)氧樹脂時(shí)的55.3℃降低到SiO2填充量為10%時(shí)的50.1℃，降低了5.2℃。

圖10 母線溫升隨納米填料量的變化

不同電流下母線絕緣層最外側(cè)溫升值變化如圖11所示。母線導(dǎo)體層和絕緣層的溫升都隨著填量的增加而降低。從理論上驗(yàn)證了納米SiO2改性環(huán)氧樹脂絕緣型封閉母線的導(dǎo)熱性能確實(shí)得到了改善。

圖11 不同電流下母線絕緣層溫升隨填量的變化

4 結(jié)論

本文利用SiO2填料改善環(huán)氧樹脂絕緣材料的導(dǎo)熱性，以此為目的分別分析了納米SiO2、微米SiO2填量和表面粗糙度對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響以及納米SiO2填充量對(duì)復(fù)合材料電性能的影響。結(jié)果表明：

（1）表面粗糙度R值小的樣品比R值大的導(dǎo)熱系數(shù)更高、更有規(guī)律；

（2）相同的填充量下微米SiO2復(fù)合材料比納米SiO2復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)高；

（3）但是由于封閉母線主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)，基于其應(yīng)用背景，文中選取電氣性能較好的納米材料作為改善導(dǎo)熱性能的填充材料并得出5%的納米SiO2/EP復(fù)合材料的局部放電起始電壓最高；

（4）利用納米SiO2材料改性的封閉母線的仿真結(jié)果表明隨著納米SiO2填充量的增加，封閉母線的溫升降低更多；

（5）綜合考慮復(fù)合材料的各種性能認(rèn)為，納米SiO2的填料為5%時(shí)最為理想。5%復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.147 W/(m·℃)，比純環(huán)氧樹脂提高35%；局部放電起始電壓為32.9kV，比純環(huán)氧樹脂提高23%；溫升比純環(huán)氧樹脂封閉母線降低3.2℃。

[1] 鄢來(lái)君, 張穎. 大電流封閉母線溫升計(jì)算[J]. 高電壓技術(shù), 2008, 34(1): 201-203．

[2] 姜慶密, 亓富軍, 田紀(jì)法. 復(fù)合屏蔽絕緣管母線局部發(fā)熱成因及案例處理[J]. 電氣技術(shù), 2013，(9): 53-57．

[3] 張興娟, 曹乃承, 楊春信, 等. 垂直布置的母線溫度場(chǎng)計(jì)算及分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2000, 20，(8): 11-13．

[4] 曾偉忠, 鐘田勇, 朱瑞超, 等. 變電站屏蔽絕緣銅管母線運(yùn)行中存在的問(wèn)題及解決方案[J]. 電工技術(shù), 2015，(1): 64-66．

[5] 馮悅波. 一起變電站110kV母線嚴(yán)重發(fā)熱的原因分析[J]. 高電壓技術(shù), 2004, 30(4): 69-70.

[6] 李麗娟, 羅蘭, 鮑子娜. 2013-2014年國(guó)外環(huán)氧樹脂工業(yè)進(jìn)展[J]. 熱固性樹脂, 2015, 30(2): 54-63．

[7] 張燕. 環(huán)氧樹脂應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 粘接, 2010, 31(8): 63-66．

[8] 馬莉娜, 齊暑華, 程博, 等. 納米材料改性環(huán)氧樹脂的研究進(jìn)展[J]. 粘接, 2014(1): 75-80.

[9] 楊志強(qiáng), 郝留成, 李小紅, 等. 可分散性納米二氧化硅改性高壓絕緣用環(huán)氧樹脂的研究[J]. 絕緣材料, 2006, 39(1): 7-10．

[10] 李偉, 姜蕾蕾, 黃倪麗, 等. 納米TiO2對(duì)環(huán)氧樹脂及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)[J]. 化學(xué)與粘合, 2012, 34(2): 8-10．

[11] Ghosh P K, Pathak A, Goyat M S. Influence of nanoparticle weight fraction on morphology and thermal properties of epoxy/TiO2nanocomposite[J]. Journal of Reinforced Plastics & Composites, 2012，(17):1180-1188．

[12] 熊高虎, 劉佳鴻, 孫靜. 碳納米管環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的靜電自組裝制備及性能[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2013，(01): 136-139．

[13] Zha J.W., Zhu Y.H., Li W.K., etal. Low dielectric permittivity and high thermal conductivity silicone rubber composites with micro-nano-sized particles[J]. Applied Physics Letters, 2012, 101(6): 062905-062908.

[14] 丁斌, 徐耀良, 楊寧, 等. 大電流封閉母線磁-流-熱場(chǎng)耦合有限元分析[J]. 高壓電器, 2010, 46(8): 31-34．

[15] Joong Kyoung Kim, Sung Chin Hahn, Kyong Yop Park etal. Temperature Rise Prediction of EHV GIS Bus Bar by Coupled Magnetothermal Finite Element Method[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2005, 41(5): 1636-1639.

[16] S．L．Ho, Y．Li, Edward W. C. Lo etal. Analyses of Three-Dimensional Eddy Current Field and Thermal Problems in an Isolated Phase Bus [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2003, 29(3):1515-1518．

[17] 孔嬌月, 陳立新, 蔡聿鋒, 等. 導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)塑料, 2011, 25(3): 7-12．

[18] 周文英, 齊暑華, 涂春潮. 氧化鋁粒子對(duì)導(dǎo)熱硅橡膠性能的影響[J]. 合成橡膠工業(yè), 2006, 29(6): 462-465．

[19] Zhou W Y, Qi S H, Zhao H Z. Thermally Conductive Silicone Rubber Reinforced with Boron Nitride Particle[J]. Polymer Composites, 2007, 28(1): 23-28．

[20] 鄔瑞文, 張冬海, 王好盛, 等. SiO2粒徑對(duì)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料介電性能的影響[J]. 過(guò)程工程學(xué)報(bào), 2015, 15(3): 530-535．

Research on temperature rise of nano-modified epoxy resin insulated enclosed Bus

YANG Guoqing, WEI Shuai, WANG Deyi, JIA Rong，LI Yang

(Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China)

For high temperature rise of epoxy resin insulation enclosed bus, this paper proposes the use of SiO2on the epoxy resin to improve its thermal conductivity. Based onthis, the influence of packing ratio, particle size and surface roughness on the thermal conductivity and electrical properties is analyzed. It is found that 5% nano-SiO2/epoxy composites has the best electrical and thermal conductivity.Finally the feasibility of nano-SiO2/epoxy composites used in enclosed bus was verified by ANSYS software. Simulation results show that temperature of nano-modified epoxy resin insulated enclosed bus is reduced.

epoxy resins; modified; enclosed bus; ANSYS; thermal analysis

TM645.1+1

A

1000-3983(2016)05-0056-05

2015-10-30

楊國(guó)清（1979-），2007年畢業(yè)于西安交通大學(xué)，現(xiàn)從事電力系統(tǒng)測(cè)量與保護(hù)，博士，講師。

國(guó)家自然科學(xué)基金(51279161)

審稿人：滿宇光