新型穩(wěn)定耐溫絕緣密封材料制備與評(píng)測(cè)

王春，郭富勝，金愛(ài)民，張樺

（1. 煙臺(tái)供電公司，山東煙臺(tái)， 264000；2. 合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥，230000）

新型穩(wěn)定耐溫絕緣密封材料制備與評(píng)測(cè)

王春1，郭富勝1，金愛(ài)民1，張樺2

（1. 煙臺(tái)供電公司，山東煙臺(tái)， 264000；2. 合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥，230000）

變壓器漏油嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)安全。基于漏油原因分析及其堵漏方案，自制了以環(huán)氧樹(shù)脂E51為基體的絕緣密封材料，評(píng)測(cè)了填充物碳酸鈣對(duì)堵漏材料性能的影響，并對(duì)絕緣密封材料進(jìn)行了熱脹冷縮實(shí)驗(yàn)。評(píng)測(cè)表明，碳酸鈣對(duì)控制堵漏材料的流淌性具有良好效果。當(dāng)碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)，堵漏材料的流淌性大大降低；當(dāng)碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，堵漏材料已基本失去流淌性。在經(jīng)達(dá)5次熱脹冷縮實(shí)驗(yàn)后，堵漏材料表面方出現(xiàn)裂紋，印證了其良好的耐高溫性能。以上數(shù)據(jù)表明該新型絕緣密封材料具有潛在的業(yè)界推廣價(jià)值。

變壓器；漏油；堵漏材料；填充劑；碳酸鈣；固化反應(yīng)

引言

長(zhǎng)年運(yùn)行的電力系統(tǒng)油浸設(shè)備普遍存在滲漏油現(xiàn)象，不僅影響設(shè)備治理、降低設(shè)備使用壽命，同時(shí)滲漏量達(dá)到一定后會(huì)導(dǎo)致設(shè)備絕緣能力大大下降，嚴(yán)重影響設(shè)備安全運(yùn)行。因此，尋找一種油浸設(shè)備有效堵漏方法，是電網(wǎng)應(yīng)急搶修需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

現(xiàn)有堵漏方法主要有焊接堵漏與粘接堵漏。實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)表明，焊接堵漏存在不足：焊接往往導(dǎo)致焊接接頭組織和性能改變，如控制不當(dāng)，會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)件質(zhì)量。

本文采用粘接堵漏方法，基于堵漏材料的流變特性和固化反應(yīng)特點(diǎn)分析，自制了以環(huán)氧樹(shù)脂E51為基體的絕緣密封材料，探究了填充物碳酸鈣對(duì)堵漏材料性能的影響，并對(duì)絕緣密封材料進(jìn)行了熱脹冷縮實(shí)驗(yàn)。研究成果可顯著節(jié)約油浸設(shè)備檢修堵漏時(shí)間，避免導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)檢修，降低電網(wǎng)因檢修帶來(lái)的損失，提高電網(wǎng)運(yùn)行效率。

1 滲漏工況分析及密封性能要求

按照滲漏部位對(duì)變壓器滲漏原因進(jìn)行劃分，主要為焊縫、裂紋、氣孔、密封墊等。在各種滲漏中，發(fā)生氣孔、焊縫漏油的概率最高，約占變壓器漏油事件總量的58%，密封墊漏油所占比例也高達(dá)24%[1]，兩種情況占所有漏油事件的80%以上，因此有必要著重針對(duì)以上事件開(kāi)展新型變壓器堵漏材料的研制。圖1為變壓器滲漏現(xiàn)象示意圖。

圖1 變壓器滲漏現(xiàn)象

1.1 變壓器滲漏工況分析

1.1.1 滲油處溫度

根據(jù)國(guó)家規(guī)定，油浸式變壓器頂部油溫不可超過(guò)85℃，如果是由于室溫過(guò)高或負(fù)載過(guò)重導(dǎo)致油溫升高，頂部油溫也不可超過(guò)95℃。因此，大多數(shù)滲漏處的油溫往往高于室溫至少50℃以上[2]。

1.1.2 氣孔大小

由于出廠時(shí)焊接不良，變壓器上往往會(huì)留有氣孔，其尺寸往往很小，直徑在2 mm以內(nèi)，人眼很難發(fā)現(xiàn)。

1.1.3 滲油速率

大多數(shù)焊縫、裂紋、氣孔的尺寸都很小，因此變壓器滲油速率不會(huì)很大，大約為2~10 ml/min。

1.2 堵漏材料性能要求

根據(jù)前述變壓器漏油工況分析，堵漏材料應(yīng)當(dāng)滿足以下五個(gè)方面性能要求：

（1）考慮到變壓器油壓，堵漏材料需要對(duì)滲漏點(diǎn)表面具有一定的粘接力，保證覆蓋于滲漏部位的堵漏材料不會(huì)脫落。

（2）變壓器絕緣油具有很強(qiáng)滲透性，故需要保證粘接界面具有較強(qiáng)抗?jié)B透和耐油侵蝕性能，并且在堵漏材料固化前也可要求有一定的抗?jié)B透性能。

（3）由于堵漏材料的抗?jié)B透和耐油能力有限（尤其是硬化之前）[3]，因此固化時(shí)間應(yīng)盡量短，最好在20 min之內(nèi)。

（4）由于很多滲漏部位垂直于地面（例如油箱壁），堵漏過(guò)程中，材料可能會(huì)由于重力作用而在表面流淌，導(dǎo)致材料流失，因此需要具有良好的賦形功能。此外，堵漏材料粘度應(yīng)足夠大且基本沒(méi)有流淌性（形如橡皮泥），方便施工人員攜帶與操作。

（5）堵漏材料應(yīng)具有一定的耐高溫能力，在80℃的工作環(huán)境下，封堵功能不會(huì)失效。

2 堵漏材料配方設(shè)計(jì)與制備

2.1 設(shè)計(jì)思路

增強(qiáng)堵漏材料的賦形功能，可以從提高粘稠度著手。粘稠度主要取決于基料與填充材料。環(huán)氧樹(shù)脂粘附力強(qiáng)、容易固化，尤其是分子量較大的樹(shù)脂一般具有較高粘稠度，適合作為基料[4,5]。本試驗(yàn)選取分子量較大的E51環(huán)氧樹(shù)脂作為基料。提高堵漏材料的固化速度可以從兩方面著手，一是添加適宜的填充劑，二是選取與環(huán)氧樹(shù)脂相匹配的快速固化劑。考慮到變壓器滲油處溫度不會(huì)太高，本試驗(yàn)決定選取特種胺固化劑LT-45。

研究表明：鋅粉在其固化反應(yīng)中可以起到催化效果，加快樹(shù)脂固化速度，故填充劑中亦應(yīng)加入少量鋅粉。環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑都是易流淌液體，從方便施工人員操作和便于攜帶考慮，需將其分別制備成如橡皮泥狀的A膠、B膠，故需在樹(shù)脂中添加大量填充材料。從經(jīng)濟(jì)性考慮，這些填充材料應(yīng)價(jià)格低廉。最后，考慮到堵漏膠的的填充在油性環(huán)境下進(jìn)行的，填充材料需包括阻燃材料。本工作采用氫氧化鋁作為阻燃劑，原因是其分解時(shí)會(huì)大量吸熱，并產(chǎn)生不燃物質(zhì)，起到阻燃效果。

2.2 材料制備

2.2.1 實(shí)驗(yàn)原料

包括：環(huán)氧樹(shù)脂E51（藍(lán)星無(wú)錫新材料樹(shù)脂廠提供）；特種胺固化劑LT-45（北京化學(xué)試劑公司提供）；實(shí)驗(yàn)用高純度鋅粉300目，（高純度金屬銷售中心提供）；碳化硅（深圳市智利材料科技公司提供）；碳酸鈣（合肥九一化工商貿(mào)公司提供）。

2.2.2 A組分（環(huán)氧樹(shù)脂體系）的制備

依次用塑料杯稱取50 g環(huán)氧樹(shù)脂E51、20 g鋅粉、20 g碳酸鈣、7.5g 白炭黑、100 g碳化硅。首先，將全部鋅粉倒入環(huán)氧樹(shù)脂中攪拌均勻；其次，依次將全部碳酸鈣、白炭黑倒入環(huán)氧樹(shù)脂中攪拌均勻；再次，逐漸往環(huán)氧樹(shù)脂中加入碳化硅，直至阻力大至無(wú)法人工將其攪拌均勻。第四步，將混合物從塑料杯中取出，放在操作板上，一邊繼續(xù)添加碳化硅，一邊用鏟子將其碾壓、混合，直至其變?yōu)橄鹌つ酄?，再將其放入陰涼處待用。最后，稱取碳化硅的余重為55 g，故碳化硅的使用量為45 g。

2.2.3 B組分（固化劑體系）的制備

依次用塑料杯稱取50 g固化劑FS-2B、15 g鋅粉、20 g碳酸鈣、5 g白炭黑、100 g碳化硅。首先，將全部鋅粉倒入固化劑中攪拌均勻；其次，依次將全部碳酸鈣、白炭黑倒入固化劑中，攪拌均勻；接下來(lái)，操作過(guò)程與A組分的制備完全相同；最后，稱取碳化硅的余重為44 g，故取碳化硅的使用量為56 g。

3 堵漏材料性能評(píng)測(cè)

在評(píng)測(cè)環(huán)節(jié)，將探究幾種主要填充劑對(duì)堵漏材料性能的影響及堵漏材料的密封性能。

3.1 堵漏材料流淌性

將5 g碳酸鈣倒入裝有50 g環(huán)氧樹(shù)脂的塑料杯中并攪拌均勻，同時(shí)將5 g碳酸鈣倒入裝有50 g固化劑的塑料杯中也攪拌均勻，再將兩者混入同一塑料杯中攪拌3 min，然后迅速用玻璃棒蘸取少許在矩形鐵塊上。豎立鐵塊，保證其與地面垂直，每隔1 min用記號(hào)筆記錄其流淌位置。改變碳酸鈣用量，重復(fù)以上試驗(yàn)。圖2為堵漏材料使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳酸鈣時(shí)的流淌距離曲線。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳酸鈣可以顯著降低堵漏材料的流淌性，而且隨著用量的增加，流淌性能降低效果更加明顯。但實(shí)際操作過(guò)程中，若碳酸鈣用量過(guò)大，兩種組份在混合之前就幾乎無(wú)流淌性，難以將其混合均勻，導(dǎo)致固化效果下降。在以20%比例進(jìn)行配膠時(shí)，雖然仍然具有一定流淌性，但是考慮到之后還要加入其他填充劑，流淌性還會(huì)進(jìn)一步下降，因此最終優(yōu)化碳酸鈣用量為20%。

圖2 碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時(shí)堵漏材料的流淌距離曲線

3.2 堵漏材料密封性

在U型管底部打一直徑為1 mm的孔，如圖3所示，再將變壓器油倒入打好孔的U型管中，之后孔處會(huì)出現(xiàn)明顯漏油現(xiàn)象，如圖4所示。將事先準(zhǔn)備好的A、B膠混合，搓捏均勻，迅速涂抹在漏油處。15 min后，再觀察該漏點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)不再有油滲出。此時(shí)再在堵漏材料周圍涂抹一層環(huán)氧樹(shù)脂，用以增強(qiáng)堵漏效果，24 h后依然不再滲油，如圖5所示。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文制備的新型密封材料密封性能良好，能夠?qū)^緣油滲漏起到顯著封堵效果。

圖3 底部打有孔的U型管

圖4 U型管漏油現(xiàn)象

圖5 U型管堵漏后不再滲油

3.3 熱脹冷縮試驗(yàn)

實(shí)際情況下，快速固化修復(fù)材料可能會(huì)遇到惡劣工作環(huán)境，比如持續(xù)高溫、持續(xù)低溫，或者是短時(shí)間內(nèi)溫度劇變?？焖俟袒迯?fù)材料在遭遇這些惡劣環(huán)境時(shí)，材料與設(shè)備的接觸部位可能會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂，導(dǎo)致滲油，嚴(yán)重時(shí)材料還將發(fā)生脫落，徹底失去絕緣密封效果，所以有必要進(jìn)行熱脹冷縮試驗(yàn)。

3.3.1 試驗(yàn)方法

首先，啟動(dòng)電阻爐并調(diào)至最大檔位（可達(dá)300℃）預(yù)熱1 min，然后將堵漏成功的U型管置于電阻爐上加熱，操作時(shí)應(yīng)保證快速固化堵漏材料在電阻爐正上方，加熱均勻，如圖6(a)所示。加熱2 min后，迅速停止加熱，并用水壺向固化材料持續(xù)澆冷水30 s，如圖6(b)所示。最后，抹布擦去快速固化修復(fù)材料上的水，以上操作記為一次熱脹冷縮測(cè)試。重復(fù)以上操作，每次試驗(yàn)后查看快速固化材料是否出現(xiàn)裂紋。

圖6 熱脹冷縮試驗(yàn)

3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在一共經(jīng)過(guò)5次熱脹冷縮實(shí)驗(yàn)后，堵漏材料與U型管壁的接觸部分方出現(xiàn)裂縫，如圖7所示。此時(shí)將變壓器油倒入U(xiǎn)型管中，依然沒(méi)有油滲出。這表明實(shí)驗(yàn)室所制備的快速固化修復(fù)材料同時(shí)具有耐高溫、耐溫度劇變的性能，滿足了實(shí)際需要。

圖7 堵漏材料出現(xiàn)裂縫

4 結(jié)論

本文針對(duì)變壓器滲漏工況，提出了堵漏材料應(yīng)當(dāng)具備的性能，制備了能夠滿足要求的堵漏材料，得出如下結(jié)論：

（1）研制的變壓器堵漏材料形如橡皮泥，方便攜帶，可在常溫下操作，硬化時(shí)間約20 min，與金屬有良好的粘接力，滿足現(xiàn)場(chǎng)堵漏要求。

（2）當(dāng)碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)，堵漏材料的流淌性大大降低；當(dāng)碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，堵漏材料已基本失去流淌性，賦形功能良好。

（3）堵漏材料具有良好的耐高溫能力，短時(shí)間內(nèi)處于300℃的環(huán)境下不會(huì)被點(diǎn)燃，也不會(huì)軟化脫落，熱力學(xué)性能良好。

[1]荀海峰. 變壓器滲漏油現(xiàn)狀與對(duì)策[J]. 電力學(xué)報(bào), 2007, 22(2): 281-282.

[2]周舟, 何鐵祥, 馮兵, 等. 膠黏劑的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 絕緣材料, 2015(1): 6-9.

[3]汪永華. 配電變壓器滲漏油處理[J]. 電世界, 2000(1): 25.

[4]姜靜. 常溫快速固化堵漏膠[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 1990(5): 47.

[5]王曉南. 堵漏新材料的應(yīng)用[J]. 有色設(shè)備, 1992(1): 40-41.

Preparation and Evaluation on a Novel Plugging Material with Stability and Temperature Endurance

WANG Chun1, GUO Fu-sheng1, JIN Ai-min1, ZHANG Hua2

(1. Yantai Power Supply Company, Yantai, Shandong,264000, China; 2. Hefei University of Technology, Hefei, Anhui,230000, China)

The oil leakage of the transformer seriously affects the safety of the power system. Based on its origin analysis and plugging scheme, the insulated sealing material is prepared based on the E51 epoxy resin, to evaluate the effect of calcium carbonate filler on the plugging performance and perform experiment of expansion and contraction. Evaluations show that using calcium carbonate to control the mobility of the material has a good effect. When the mass fraction of calcium carbonate reaches 10%, the fluidity of the plugging material is greatly reduced; when it reaches 20%, the sealing material has basically lost its fluidity. Only after 5 times of experiments of expansion and contraction, there appears crack on the surface of the material, proving its good resistance. The above data show that the new insulated sealing material has potential value in the industry fields.

:Transformer; Oil Leakage; Plugging Material; Filler; Calcium Carbonate; Curing Reaction

TM411

A

2095-8412 (2016) 06-1163-04

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.029

王春(1969-)，男，漢族，山東煙臺(tái)人，工程師。研究方向：高電壓與絕緣技術(shù)。

郭富勝(1980-)，男，漢族，山東臨沂人，工程師。研究方向：高電壓與絕緣技術(shù)。

金愛(ài)民(1971-)，男，漢族，山東煙臺(tái)人，技師。研究方向：高電壓與絕緣技術(shù)。

張樺(1989-)，男，漢族，安徽合肥人，在讀研究生。研究方向：高電壓與絕緣技術(shù)。