模具對盆式絕緣子溫度場分布和承壓水平的影響

陳 蕊，袁端鵬，闞超豪，郝留成,3，張 敬，李彩娜

（1.平高集團有限公司 國家電網公司高壓開關設備絕緣材料實驗室，河南 平頂山 467001；2.合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230009；3.西安交通大學 金屬材料強度國家重點實驗室，陜西 西安 710049；4.河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)是電網建設中的關鍵設備之一，GIS產品的不斷發(fā)展對環(huán)氧樹脂澆注絕緣部件提出了越來越高的要求[1-2]。環(huán)氧樹脂澆注盆式絕緣子是GIS產品中極為關鍵的部件，在隔離氣室、支撐導體及絕緣等方面起著非常重要的作用，其性能優(yōu)劣直接決定著整個GIS產品的技術水平和長期運行的可靠性[3]。絕緣子不僅需要有良好的絕緣性能，還需要承受一定的壓力。近年來關于高壓開關用絕緣子的研究受到廣泛關注[4-12]。

在殘余應力與外部載荷激勵的共同作用下，絕緣子產生應力集中，是引發(fā)GIS系統(tǒng)絕緣故障的重要原因之一[13-14]。殘余應力的引入主要是在絕緣子的固化階段，因此研究絕緣子固化過程中的化學反應、流體力學、熱力學等參數，對制造高質量的絕緣子具有重要意義[15]。

本課題組前期基于雙酚A型環(huán)氧樹脂、酸酐類固化劑和無機填料配方體系，利用COMSOL有限元分析軟件，建立了盆式絕緣子固化過程模型，通過對固化過程中模具及絕緣子溫度場的仿真分析及試驗驗證，發(fā)現采用常規(guī)模具制備絕緣子時，固化過程中絕緣子在同一位置的凹凸面溫差過大（超過2℃），易引入殘余應力[16]。本研究在前期所建盆式絕緣子固化過程模型的基礎上，設計加熱片仿真分析采用自加熱模具實現固化過程中模具溫度場的可控性，以滿足絕緣子固化對溫度場梯度分布的要求，減少固化過程中所產生的殘余應力，并對比傳統(tǒng)模具與自加熱模具制備的盆式絕緣子承受壓力的水平，為今后絕緣子固化工藝的改良提供理論支撐。

1 常規(guī)模具工況分析

1.1 常規(guī)模具工況分析

模具是環(huán)氧澆注件成型的關鍵工具，對環(huán)氧澆注件的質量有至關重要的作用。模具的結構保證了環(huán)氧澆注件的形狀尺寸，在模具結構一定的情況下，模具的溫度場分布決定了環(huán)氧澆注件的質量。

對于結構一定的模具，加熱方式決定其溫度場分布[17]。在環(huán)氧絕緣件的制造中，通常直接采用烘箱對模具進行加熱，實現模具的預熱、絕緣件固化過程的保溫等。

盆式絕緣子的結構如圖1(a)所示，制備盆式絕緣子所用模具一般為左右開模，如圖1(b)所示。

圖1 盆式絕緣子及模具Fig.1 The basin insulator and mould

1.2 模型介紹

本研究建立的模型均采用實際生產所用的烘箱、模具、絕緣子模型，為了方便后期的計算與分析，對各模型進行了簡化處理。

根據烘箱結構設計了仿真模型，模擬烘箱內部在固化成型過程中的流體場，如圖2所示。在烘箱頂部共有8個風扇，以2 m/s的速度向上抽風，空氣經過頂部風扇流向兩側的加熱空腔，再經烘箱底部兩側的入口進入烘箱中間腔體，與模具表面接觸之后再經過烘箱頂部的風扇，從而在烘箱內部形成空氣循環(huán)。

圖2 烘箱流體場Fig.2 The fluid field of oven

本研究選用湍動能-耗散率（k-ε）模型，該模型適用范圍廣、經濟、精度合理，在工業(yè)流場和熱交換模擬中有廣泛的應用[18-19]。它是個半經驗公式，是從實驗現象中總結出來的。標準模型需要求解湍動能及其耗散率方程。湍動能輸運方程是通過精確的方程推導得到，耗散率方程是通過物理推理，再經過數學上模擬相似原形方程得到。該模型假設流動為完全湍流，分子黏性的影響可以忽略。

標準模型的湍動能(k)和耗散率(ε)方程[20]如式（1）～（2）所示。

式（1）～（2）中：Gk是由平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；Gb是由浮力引起的湍動能k的產生項；YM代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻；C1ε、C2ε和 C3ε為經驗常數；σk和σε分別是與湍動能k和耗散率ε對應的Prandtl數；Sk和Sε是用戶定義的源項；ρ為流體密度；ui為時均速率；μ為分子擴散所造成的動力黏性；μt為湍流黏性系數。

2 自加熱模具的設計

2.1 自加熱模具的結構設計

模具材質為鋁合金，分為凹、凸模結構。在模具外表面設置加熱裝置（即加熱片）、帶有加熱功能的加熱布線及測試加熱腔內溫度的溫度傳感器。工作時，通過加熱片對模具進行加熱，并將熱量傳遞到模腔內。一次固化爐內溫度為70℃，對模具起到保溫作用。

在模具的凸面、凹面表面以及側面的相應位置處安裝加熱片，加熱片的形狀配合模具的表面形狀設計。加熱片根據需要設置成不同的尺寸，同時根據固化反應的一般規(guī)律，給加熱片設置不同的加熱功率和加熱時間。

圖3為自加熱模具的凸面圖，主要由4片加熱片組成，為了保證縱向的溫度梯度以及橫向的內外溫度均勻，4個加熱片分布設置在3個不同的加熱區(qū)，其中P1為第1加熱區(qū)，P2為第2加熱區(qū)，P3為第3加熱區(qū)，這3個加熱片分別接入不同功率的電源或接入相同功率的電源但設置不同的工作時間。

圖3 自加熱模具凸面圖Fig.3 The convex surface of self-heating mold

圖4為自加熱模具的凹面圖，其加熱片的大小和形狀跟隨模具形狀大小變化而變化，緊貼模具表面，環(huán)裝分布在模具凹面的內側表面。與凸面的加熱片一樣，凹面的加熱片同樣也分為3個加熱區(qū)，其中Q1為第1加熱區(qū)，Q2為第2加熱區(qū)，Q3為第3加熱區(qū)，與凸面的3個加熱區(qū)相對應。

圖4 自加熱模具凹面圖Fig.4 The concave surface of self-heating mould

圖5為自加熱模具的側面圖，左邊是左側加熱片示意圖，右邊是右側加熱片示意圖，側面設置了兩個加熱區(qū)，其中上邊4個加熱片為第1加熱區(qū)，用M1表示，下邊4個加熱片為第2加熱區(qū)，用M2表示。各加熱片可分別接入不同的加熱功率。

圖5 自加熱模具側面圖Fig.5 The side surface of self-heating mould

通過各區(qū)域加熱片的設置，可使縱向溫度梯度能夠符合環(huán)氧樹脂的固化要求，同時橫向的溫度分布也較為均勻。

2.2 自加熱模具加熱片的功率計算

加熱片的工作階段主要有模具的預熱升溫過程、模具的保溫過程、澆注后的固化保溫過程，其中模具的預熱升溫過程不僅要考慮模具升溫所需熱量，同時還要考慮空氣對流引起的散熱、模具外表面的輻射散熱；模具的保溫過程僅需考慮空氣對流引起的散熱與模具外表面的輻射散熱；澆注后的固化保溫過程不僅需考慮空氣對流引起的散熱與模具外表面的輻射散熱，還需考慮環(huán)氧樹脂固化反應所釋放的熱量。綜上所述，加熱片功率的選擇主要考慮模具的預熱需要。

在模具的預熱過程中，加熱片提供的熱量主要包括模具升溫預熱、烘箱中空氣對流引起散熱、模具外表面輻射散發(fā)的熱量。模具自加熱系統(tǒng)沒有冷卻系統(tǒng)，因此不考慮冷卻系統(tǒng)帶走的熱量。

隨著模具溫度的升高，烘箱中的空氣對流會帶走模具表面熱量（P1），由牛頓定律可得式（3）。

式（3）中：h為空氣對流換熱系數，W/(m2·℃)；A模為模具的表面積，m2；T模為模具的表面溫度，℃；T環(huán)為環(huán)境溫度，℃。

模具表面熱輻射散發(fā)的熱量（P2）可通過玻爾茲曼定律計算，如式（4）所示。

式（4）中：ε為模具表面輻射系數；σ為斯特藩常數，σ=5.669 7×10-8W/(m2·℃4)

模具升溫到指定溫度所需要的熱量（P3）可由比熱容定義計算，如式（5）所示。

式（5）中：ΔT為模具升高的溫度，℃；m模為模具的質量，kg；C模為模具的比熱容，J/(kg·℃)；t為模具升高ΔT所需要的時間，s。

加熱片所需提供的總熱量為P1、P2、P3之和，則所需加熱片的功率（P）如式（6）所示。

式（6）中：α為安全系數，取值為1.2～2。

3 自加熱模具溫度場的仿真計算

3.1 仿真計算條件

基于COMSOL有限元分析軟件，在常規(guī)非自加熱模具（無加熱片時）溫度場計算的基礎上，設置加熱片位置、加熱片功率，烘箱保持70℃以對自加熱模具進行保溫，計算自加熱模具的溫度場分布。

在計算過程中將根據本配方體系的固化反應動力學研究所得的環(huán)氧樹脂固化反應放熱函數加入模型中。絕緣子的反應放熱函數如式（7）所示。

式（7）中：q?為單位時間內樹脂固化所產生的熱量；ρ為樹脂混合料的密度；Vf為填料的體積分數；HR為單位質量樹脂固化總反應的放熱量；α為樹脂的固化度。

通過多次仿真計算，當模具凸面加熱片功率設置為380 W，凹面加熱片功率設置為220 W，側面加熱片功率設置為170 W時，設置各加熱片的工作時間可使絕緣子和模具的溫度場分布達到采用常規(guī)非自加熱模具利用烘箱加熱時的模具及絕緣子的溫度場分布水平。

3.2 仿真計算結果

在固化過程中，自加熱模具及絕緣子不同時刻的溫度場分布計算結果如圖6～11所示。從圖6～11可以看出，絕緣子在80 min時基本達到了最佳反應速率所需要的溫度。此時絕緣子的內圈溫度較高，外側溫度較低，尤其是頂部靠近注入口的位置溫度最低，與下部具有較大的溫差，并且由于沒有設置保溫，隨著反應的進行，導致中心溫度上升到將近460 K。實際上在加熱到80 min時，中心溫度已經上升到預定溫度，此時模具的加熱片應進入保溫狀態(tài)，停止繼續(xù)加熱。

圖6 20 min時絕緣子與自加熱模具的溫度分布Fig.6 The temperature distribution of the insulator and self-heating mould in 20 minutes

圖7 60 min時絕緣子與自加熱模具溫度分布Fig.7 The temperature distribution of the insulator and self-heating mould in 60 minutes

圖8 80 min時絕緣子與自加熱模具溫度分布Fig.8 The temperature distribution of the insulator and self-heating mould in 80 minutes

圖9 200 min時絕緣子與自加熱模具溫度分布Fig.9 The temperature distribution of the insulator and self-heating mould in 200 minutes

圖10 300 min時絕緣子與自加熱模具溫度分布Fig.10 The temperature distribution of the insulator and self-heating mould in 300 minutes

圖11 700 min時絕緣子與自加熱模具溫度分布Fig.11 The temperature distribution of the insulator and self-heating mould in 700 minutes

常規(guī)非自加熱模具在加熱100 min時的溫度分布如圖12所示。對比圖12和圖8(b)可以看出，自加熱模具凹面在80 min時所達到的溫度分布與常規(guī)非自加熱模具在加熱100 min時所達到的溫度分布基本相同。說明自加熱模具的溫度場具有可控性，且可達到絕緣子固化所需的溫度場分布。

圖13、圖14分別為采用自加熱模具固化80 min和固化200 min時絕緣子剖面的溫度場分布圖。從圖13可以看出，左側為絕緣子底部，凸面溫度比凹面溫度高2.06 K；右側為絕緣子上部，凹面溫度比凸面溫度高2.80 K。從圖14可以看出，左側為絕緣子底部，凸面溫度比凹面溫度高1.06 K；右側為絕緣子上部，凹面溫度比凸面溫度高1.15 K。絕緣子固化80 min及200 min時，凹面與凸面的內外溫差都未超過3 K，溫差較小，可減少殘余應力的產生。

圖12 100 min時常規(guī)非自加熱模具的溫度場分布Fig.12 The temperature field distribution of conventional mould in 100 min

圖13 80 min時絕緣子剖面的溫度分布Fig.13 The temperature distribution of insulator profile in 80 minutes

圖14 200 min時絕緣子剖面的溫度分布Fig.14 The temperature distribution of insulator profile in 200 minutes

3.3 自加熱模具溫度場測試

為了驗證自加熱模具設計的正確性，將固化過程中模具的溫度場仿真結果與實測結果進行對比分析。對絕緣子設置4個溫度采集點，具體位置如圖15所示，澆注時先在自加熱模具內部模型中安裝溫度傳感器，澆注后溫度傳感器被置于絕緣子內部，測試1～4共4個測試點的溫度變化。

圖15 自加熱模具所制備絕緣子的溫度采集點分布Fig.15 The distribution diagram of temperature measuring points of insulators made by self-heating mould

圖16是自加熱模具各測試點的實測溫度曲線圖。從圖16可以看出，測試點1的溫度最低，測試點4的溫度最高，形成一個溫度梯度，這與圖6～11中自加熱模具的溫度場分布規(guī)律一致。

圖16 絕緣子各測試點的實測溫度曲線Fig.16 The temperature curves of each measuring point of insulator

模具內部的溫度先升高后降低然后又升高，最終與設定溫度保持一致。這是由于烘箱設置的溫度比澆注環(huán)氧樹脂的溫度高，而且由于環(huán)氧樹脂在固化過程中存在放熱現象，使得環(huán)氧樹脂的溫度先升高至最高點，隨著固化反應的進行，絕緣子的溫度逐漸下降，但是由于設置溫度比較高，因此絕緣子的溫度又隨著時間的延長而不斷升高，最后溫度保持與模具設定的溫度基本一致。

絕緣子內部溫度場的梯度分布，符合絕緣子在固化時要求底部先固化，上部后固化的要求，進一步驗證了自加熱模具仿真結果的正確性。

4 不同模具所制備盆式絕緣子的水壓試驗

4.1 盆式絕緣子壓力測試方法

本研究依據NB/T 42105—2016，采用水壓破壞法衡量絕緣子承受壓力的能力。具體方法：在盆式絕緣子凹面承受水壓、凸面接觸正常大氣壓力的狀態(tài)下對其進行試驗，此時以一定的速度升高壓力，直至絕緣子出現破裂，記錄破裂時刻的壓力值，該值即為盆式絕緣子的水壓破壞值。

4.2 盆式絕緣子水壓試驗測試結果

采用常規(guī)模具和自加熱模具分別制備7個盆式絕緣子并進行水壓試驗，結果如表1所示。從表1可以看出，相對于常規(guī)模具而言，采用自加熱模具制備的絕緣子水壓破壞值平均值提高了約2.66%，且標準差更小，僅為0.140 MPa，即水壓破壞值數據更穩(wěn)定性，分散性更小。

表1 不同模具所制備盆式絕緣子的水壓破壞值Tab.1 The water pressure damage value of basin insulator made by different moulds

5 結論

（1）在常規(guī)模具表面增加加熱片，通過設置加熱片的分布和功率大小，控制各部位加熱片的工作時間，可使自加熱模具在樹脂固化過程中的溫度場分布與同工況下非自加熱模具的溫度場分布相同。

（2）盆式絕緣子固化過程的溫度場仿真結果表明，固化過程中盆式絕緣子同一位置的凹面與凸面的內外溫差較小，均未超過3 K，溫度場分布更均勻，可有效減小由溫差引起的絕緣子內部的殘余應力。

（3）與常規(guī)模具制備的盆式絕緣子相比，采用自加熱模具制備的盆式絕緣子水壓破壞值提高了約2.66%，且標準差更小，僅為0.140 MPa，水壓破壞值數據穩(wěn)定性更佳。