環(huán)氧澆注設(shè)備對環(huán)氧澆注絕緣件質(zhì)量的影響分析

王光明 牛建鴻 關(guān) 文 孫建祥

西安西電高壓開關(guān)有限責任公司 西安 710018

1 分析背景

在電力工業(yè)中,氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備將變電站中除變壓器以外的一次設(shè)備,包括斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、電纜終端、進出線套管等,通過優(yōu)化設(shè)計有機地組合成整體。環(huán)氧澆注絕緣件是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備中的關(guān)鍵絕緣件,主要起將高電壓大電流導體與罐體進行支撐、隔離、固定等絕緣作用,其質(zhì)量直接影響氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的正常運行。

對環(huán)氧澆注設(shè)備而言,設(shè)備正常運行方可確保環(huán)氧澆注絕緣件的生產(chǎn)完全按照工藝規(guī)程執(zhí)行,特別是各原材料嚴格按工藝配方添加,環(huán)氧樹脂、固化劑、填料等原材料嚴格按工藝文件規(guī)定的真空度、溫度、時間進行處理,這樣才能使絕緣子、絕緣支持臺、絕緣套管等環(huán)氧澆注絕緣件不僅具備優(yōu)良的絕緣性能,而且具有可靠的機械性能和耐六氟化硫氣體腐蝕性能。可見,環(huán)氧澆注設(shè)備的質(zhì)量及性能對環(huán)氧澆注絕緣件有直接影響。

筆者研究分析環(huán)氧澆注設(shè)備對氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備環(huán)氧澆注絕緣件的影響,確定不同環(huán)氧澆注設(shè)備的優(yōu)劣。

2 環(huán)氧澆注設(shè)備制造廠商

環(huán)氧澆注設(shè)備可以分為進口設(shè)備、國產(chǎn)設(shè)備。在早期,國產(chǎn)環(huán)氧澆注設(shè)備主要由研究所與廠家聯(lián)合設(shè)計制造,采用部分真空處理、加料人工計量、常壓澆注。隨著國外先進技術(shù)的引入,以及各廠家、研究所、學校的技術(shù)攻關(guān),國產(chǎn)環(huán)氧澆注設(shè)備發(fā)展為如今的全過程真空處理、計算機自動加料計量、真空澆注?，F(xiàn)階段,國產(chǎn)環(huán)氧澆注設(shè)備性能與進口環(huán)氧澆注設(shè)備已較為接近,成本則逐漸降低。

進口環(huán)氧澆注設(shè)備的制造廠家以海德里希和旭百世為代表。長期以來,進口環(huán)氧澆注設(shè)備在性能控制、人性化操作、制造細節(jié)等方面都高于國產(chǎn)環(huán)氧澆注設(shè)備。

主要進口和國產(chǎn)環(huán)氧澆注設(shè)備如圖1所示。

圖1 主要環(huán)氧澆注設(shè)備

對于環(huán)氧澆注絕緣件生產(chǎn)廠家而言,選用進口環(huán)氧澆注設(shè)備還是國產(chǎn)環(huán)氧澆注設(shè)備,需要綜合考慮企業(yè)定位和設(shè)備選型。選用進口環(huán)氧澆注設(shè)備,能夠保證環(huán)氧澆注絕緣件產(chǎn)品質(zhì)量和工藝過程穩(wěn)定可靠,但易耗品、特殊損壞部件備置的價格為國產(chǎn)環(huán)氧澆注設(shè)備的5～10倍,會顯著增加廠家負擔。當設(shè)備突發(fā)故障,又暫時無法得到替換件時,還會嚴重影響廠家生產(chǎn)。相對而言,國產(chǎn)環(huán)氧澆注設(shè)備現(xiàn)階段質(zhì)量已經(jīng)基本穩(wěn)定可靠,易耗品和特殊損壞部件的備置壓力較小,且價格顯著低于進口環(huán)氧澆注設(shè)備。

3 環(huán)氧澆注設(shè)備組成與分類

環(huán)氧澆注工藝流程如圖2所示。環(huán)氧澆注設(shè)備根據(jù)工藝流程要求,對各種原材料進行處理?；谠牧咸幚?可以將環(huán)氧澆注設(shè)備分為原材料預(yù)處理部分、原材料預(yù)混合部分、原材料終混合部分、混合料澆注部分?；诳刂茖ο?可以將環(huán)氧澆注設(shè)備分為質(zhì)量計量控制部分、溫度加熱控制部分、真空度控制部分、運行時間控制部分。此外,基于特殊控制對象,環(huán)氧澆注設(shè)備還可以分為放射區(qū)域控制部分、升降梯設(shè)施控制部分。按不同的混料處理方式,環(huán)氧澆注設(shè)備分為薄膜脫氣混合環(huán)氧澆注設(shè)備、靜態(tài)混料器混合環(huán)氧澆注設(shè)備。按不同的加料方式,環(huán)氧澆注設(shè)備分為全自動加料環(huán)氧澆注設(shè)備、半自動加料環(huán)氧澆注設(shè)備。

圖2 環(huán)氧澆注工藝流程

4 混料處理方式

按照不同的混料處理方式,環(huán)氧澆注設(shè)備可以分為薄膜脫氣混合環(huán)氧澆注設(shè)備和靜態(tài)混料器混合環(huán)氧澆注設(shè)備,兩者分別以海德里希和旭百世產(chǎn)品為代表。這兩類環(huán)氧澆注設(shè)備使用已有二三十年,各有優(yōu)缺點。

在環(huán)氧澆注絕緣件生產(chǎn)過程中,各廠家對原料處理極其重視,這是因為環(huán)氧澆注絕緣件的電性能和機械性能要求極高。氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備中,絕緣介質(zhì)六氟化硫氣體水分含量要求控制在10-6級別以下。薄膜脫氣混合原理如圖3所示。環(huán)氧澆注設(shè)備可以在真空情況下,通過螺旋提升器將環(huán)氧物料提升到攪拌罐中的傘型面,形成薄膜狀物料。薄膜狀物料中存在的微量水分在傘型面上由真空氣化去除。若使用靜態(tài)混料器混合環(huán)氧澆注設(shè)備,則在去除環(huán)氧物料微量水分方面處于劣勢。

圖3 薄膜脫氣混合原理

靜態(tài)混料器如圖4所示。理論上環(huán)氧物料經(jīng)過靜態(tài)混料器后,可以達到213混合次數(shù),物料應(yīng)完全混合均勻。使用靜態(tài)混料器混合環(huán)氧澆注設(shè)備,優(yōu)點為占地面積小,設(shè)備緊湊,設(shè)備能源消耗低,避免混料罐清洗問題及由此引發(fā)的環(huán)氧澆注絕緣件含雜質(zhì)等缺陷。靜態(tài)混料器混合環(huán)氧澆注設(shè)備使用過程中,必須嚴格注意監(jiān)視控制靜態(tài)混料器前側(cè)計量泵是否正常輸送環(huán)氧物料,避免計量泵內(nèi)沒有環(huán)氧物料,進行虛空加料循環(huán),或者計量泵磨損造成澆注料配比失常,引起環(huán)氧澆注絕緣件未固化、報廢。未固化環(huán)氧澆注絕緣件如圖5所示。

5 原料預(yù)處理

環(huán)氧樹脂常溫下為固態(tài)樹脂,加熱后方可熔化為液體形態(tài),熔點范圍為35～60 ℃。環(huán)氧樹脂加入固體粉狀填料、環(huán)氧固化劑后,混合物料的處理溫度一般為120～140 ℃。需要考慮環(huán)氧樹脂熔化罐、填料干燥處理罐、固化劑加熱熔化罐三者之間溫度的適配性,以及真空度等工藝參數(shù)的設(shè)定,避免參數(shù)超限對環(huán)氧澆注設(shè)備的控制及后期的維護造成影響。尤其需要注意,在全自動加料過程中,由于各處理罐的真空度要求不同,對澆注物料的計量誤差相互累計,進而對澆注整體配方產(chǎn)生影響,降低環(huán)氧澆注絕緣件的質(zhì)量。計量系統(tǒng)需要足夠重視,在設(shè)備安裝調(diào)試階段,工藝技術(shù)人員必須現(xiàn)場參與確認計量系統(tǒng)能否滿足計量精度要求。

圖4 靜態(tài)混料器

圖5 未固化環(huán)氧澆注絕緣件

環(huán)氧樹脂熔化罐到預(yù)混罐之間的管道中,控制閥門包括用于自動加料控制的氣動閥門、電磁閥門等,需要加裝加熱帶,或采取夾層循環(huán)加熱油加熱方式,同時對不同部位加裝溫度測試裝置,確?？梢噪S時巡檢相關(guān)管道及主要控制閥的實際溫度,避免局部加熱溫度過高導致環(huán)氧樹脂碳化,形成發(fā)黑結(jié)晶。結(jié)晶會脫落進入預(yù)混罐,進而進入環(huán)氧澆注絕緣件,使環(huán)氧澆注絕緣件形成缺陷,引起環(huán)氧澆注絕緣件報廢。

對于環(huán)氧樹脂熔化罐、預(yù)混罐、終混罐、澆注罐,相互之間需要保證對應(yīng)的高度落差,以方便環(huán)氧樹脂及混合物料順利進入下一級罐內(nèi)。需要對環(huán)氧澆注絕緣件生產(chǎn)總量、生產(chǎn)能力進行正確預(yù)估,保證環(huán)氧樹脂熔化罐所熔化的環(huán)氧樹脂足夠供當日澆注。

使用固態(tài)酸酐作為固化劑時,需要考慮固態(tài)酸酐的熔化溫度。固態(tài)酸酐容易升華,升華后會在溫度較低的罐蓋、連接固化劑罐的管道內(nèi)冷卻,形成固體粉狀、針狀結(jié)晶,堵塞管道,影響設(shè)備運行。

環(huán)氧澆注用填料在生產(chǎn)時,為保證性能,進行了特定工藝研磨,同時添加表面活性劑進行活化處理。環(huán)氧澆注用填料中的微量水分需要在混料前去除。在填料干燥處理罐內(nèi),通過加熱、真空處理,去除微量水分,加熱溫度需合理,避免在預(yù)混時由于環(huán)氧澆注用填料溫度過低,降低混合物料的溫度。填料干燥處理罐必須具有特殊的攪拌能力和耐磨能力。攪拌能力不足,則無法滿足攪拌要求。耐磨能力不足,則罐壁材料可能磨損進入環(huán)氧澆注用填料,引起環(huán)氧澆注絕緣件污染。

6 計量系統(tǒng)

環(huán)氧澆注設(shè)備所使用的計量系統(tǒng)可以分為兩類。第一類使用計量泵計量技術(shù),通過計量泵定額體積進行物料充填,每次沖程輸送定額體積的物料,經(jīng)多次小沖程輸送,達到計量規(guī)定的質(zhì)量。第二類采用傳感器計量混料罐質(zhì)量,在傳感器計量接近目標質(zhì)量時,通過二次信號,控制物料下料閥打開或關(guān)閉,進而達到計量規(guī)定的質(zhì)量。

采用第一類計量系統(tǒng),一般使用耐磨陶瓷缸作為計量泵內(nèi)襯,以四氟材料作為計量泵密封材料,便于在真空、高溫條件下對混合物料進行各次沖程,輸送定額體積的混合物料進入下一級罐內(nèi)。混合物料溫度處于120～150 ℃之間,計量泵正常工作時,泵體必須與混合物料保持溫度平衡。若泵體溫度低于混合物料溫度,則混合物料黏度會急劇上升,對計量系統(tǒng)相關(guān)組成元件造成破壞,包括密封圈破損,壓力表爆表,球閥四氟墊磨損,陶瓷缸磨損,導向鑄鐵環(huán)磨損等,需要引起足夠重視。

采用第二類計量系統(tǒng),需要對傳感器進行定期校驗,確保其計量精度符合工藝要求,避免由于傳感器精度降低造成加料配比不準確。對控制閥門需要及時進行檢查維護,避免閥門附近物料粘附、固化,影響閥門關(guān)閉,造成物料滲漏,或發(fā)生閥門使用時無法打開的故障。

7 真空處理系統(tǒng)

環(huán)氧澆注設(shè)備中,真空處理系統(tǒng)包括用于原材料的真空處理系統(tǒng)、用于預(yù)混罐的真空處理系統(tǒng)、用于終混罐的真空處理系統(tǒng)、用于澆注罐的真空處理系統(tǒng)。上述真空處理系統(tǒng)各有不同的工況處理要求,需要根據(jù)工藝參數(shù)及環(huán)氧澆注絕緣件的生產(chǎn)能力,在工藝布局初期對上述真空處理系統(tǒng)進行規(guī)劃,并與設(shè)備制造廠家溝通協(xié)商。

對于用于原材料的真空處理系統(tǒng),結(jié)合工藝特點設(shè)計不同的過濾器結(jié)構(gòu)。如果所用環(huán)氧樹脂、固化劑在環(huán)氧澆注設(shè)備外配置的烘箱中進行加熱預(yù)烘,然后通過真空負壓吸入環(huán)氧澆注設(shè)備中,那么僅用一套用于原材料的真空處理系統(tǒng)即可滿足處理要求,或者與預(yù)混罐共同使用一套真空處理系統(tǒng),也可以滿足最低要求。如果在環(huán)氧澆注設(shè)備上熔化環(huán)氧樹脂、固化劑、填料等,那么需要單獨設(shè)置一套用于原材料的真空處理系統(tǒng),并且考慮在環(huán)氧樹脂熔化罐、固化劑加熱熔化罐、填料干燥處理罐與真空處理系統(tǒng)間配套設(shè)置不同結(jié)構(gòu)的過濾器,以避免粉塵顆粒、小分子氣溶膠等進入真空處理系統(tǒng),造成真空泵磨損或污染。

對于用于預(yù)混罐的真空處理系統(tǒng),主要為環(huán)氧樹脂加填料、固化劑加填料體系,或環(huán)氧樹脂加填料、單獨固化劑體系。針對這兩種體系,配套對應(yīng)的真空處理系統(tǒng),同時需要配套不同的過濾器結(jié)構(gòu)。

對于用于終混罐的真空處理系統(tǒng),與用于預(yù)混罐的真空處理系統(tǒng)差異不大。配套薄膜脫氣混合環(huán)氧澆注設(shè)備時,需要使脫氣效率滿足工藝要求。

對于用于澆注罐的真空處理系統(tǒng),澆注大型環(huán)氧澆注絕緣件時,需要配置大功率真空處理系統(tǒng),滿足澆注時抽真空及澆注后抽真空保壓的工藝要求。若對小型澆注罐使用大功率真空處理系統(tǒng),則造成設(shè)備浪費。若對大型澆注罐使用小功率真空處理系統(tǒng),則會延長抽真空時間,降低效率。配置多套環(huán)氧澆注設(shè)備時,所選用的真空處理系統(tǒng)型號盡可能統(tǒng)一,確保備件少型號、多數(shù)量配備,節(jié)約資金。

真空處理不當會引發(fā)環(huán)氧澆注絕緣件表面氣泡缺陷,如圖6所示。

8 澆注系統(tǒng)

澆注設(shè)備所配備的澆注系統(tǒng),包括澆注下料控制閥、澆注落料頭回轉(zhuǎn)控制裝置、澆注罐中模具小車左右移動控制開關(guān)等組件。每次澆注前,建議在澆注落料頭上手工加一層過濾網(wǎng),過濾由于各種原因產(chǎn)生的碳化結(jié)晶、固化物料顆粒、雜質(zhì)等,作為環(huán)氧澆注絕緣件質(zhì)量的輔助保障。在實際使用中發(fā)生放電擊穿故障的氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備如圖7所示,返廠后解體的環(huán)氧澆注絕緣子如圖8所示。經(jīng)分析,氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備放電擊穿的原因是環(huán)氧澆注絕緣子存在雜質(zhì)。

圖6 環(huán)氧澆注絕緣件表面氣泡缺陷

圖7 放電擊穿的氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備

圖8 返廠后解體的環(huán)氧澆注絕緣子

對于靜態(tài)混料器混合環(huán)氧澆注設(shè)備,澆注前隨爐及時檢測澆注物料的黏度、密度,以便判斷靜態(tài)混料器是否能夠穩(wěn)定可靠運行,確保環(huán)氧澆注絕緣件的質(zhì)量。

9 控制軟件

現(xiàn)階段,環(huán)氧澆注設(shè)備均采用工控機,控制加料、加熱、抽真空、運行時間等。通過控制軟件設(shè)置溫度、真空度、質(zhì)量計量、運行時間等一系列參數(shù),經(jīng)過測試,得到環(huán)氧澆注設(shè)備實時溫度、真空度、物料質(zhì)量等數(shù)據(jù),并與所設(shè)置的參數(shù)進行對比。在實時數(shù)據(jù)接近設(shè)置參數(shù)時,逐漸降低加熱功率,減小真空處理系統(tǒng)輸出,關(guān)閉下料控制閥,使環(huán)氧澆注設(shè)備達到工藝參數(shù)要求。

采用優(yōu)良的控制程序,可以保證工藝參數(shù)正確執(zhí)行,環(huán)氧澆注設(shè)備可靠運行。若環(huán)氧澆注設(shè)備一直進行加熱,在加熱時間超出設(shè)置值后,環(huán)氧澆注設(shè)備會自動停止,或降低加熱功率,同時發(fā)出報警信號,提醒操作人員進行檢查確認,判斷設(shè)備是否發(fā)生局部過熱或其它故障。在夜間預(yù)混罐需要連續(xù)運行時,通過控制程序?qū)崿F(xiàn)間歇性攪拌,防止填料沉降,同時進行間歇性加熱,適當降低物料溫度,避免物料高溫老化。針對填料處理系統(tǒng),通過控制程序保證填料在夜間加熱處理后,第二日干燥可使用。預(yù)混罐添加填料后,通過控制程序?qū)崿F(xiàn)真空處理系統(tǒng)延時啟動,使填料粉塵飄落到環(huán)氧樹脂或固化劑中,避免填料隨氣流進入真空處理系統(tǒng)。

控制軟件可以自動定時記錄環(huán)氧澆注設(shè)備運行時的溫度、真空度、物料質(zhì)量、運行時間等參數(shù),并保存入相應(yīng)文件,限制人為改動,以備后續(xù)發(fā)生問題時能夠查驗運行參數(shù),分析問題原因。通過以上參數(shù),還可以分析環(huán)氧澆注設(shè)備最短無故障運行時間,為易損件試用周期及設(shè)備制造廠家改進性能提供數(shù)據(jù)支持。

10 日常管理

環(huán)氧澆注設(shè)備必須配備專業(yè)維護人員,維護人員每日進行巡視、巡檢,監(jiān)督操作人員嚴格按操作規(guī)程進行操作,嚴禁不具備操作資質(zhì)的人員進行操作。環(huán)氧澆注設(shè)備達到規(guī)定運行周期后,維護人員對環(huán)氧澆注設(shè)備進行保養(yǎng),更換使用壽命即將到期的配件,如O形密封圈、四氟密封墊等。維護人員還需要定期養(yǎng)護真空硅管,定期校驗測溫元件,保證環(huán)氧澆注設(shè)備正常運行,避免發(fā)生停機故障。

11 機械與電氣損壞

在裝配氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備時,單相環(huán)氧澆注絕緣子開裂如圖9所示。裝配氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備出廠試驗時放電擊穿的環(huán)氧澆注絕緣子如圖10所示。在裝配中環(huán)氧澆注絕緣子發(fā)生開裂,說明物料不能滿足要求,存在缺陷。環(huán)氧澆注絕緣子在氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備出廠試驗中放電擊穿,說明環(huán)氧樹脂中存在導電性雜質(zhì)或顆粒,對此需要嚴格檢查工藝流程,確認問題源頭。查明后在廠家內(nèi)部存檔記錄,避免日后類似問題發(fā)生。

圖9 裝配時開裂的環(huán)氧澆注絕緣子

圖10 出廠試驗時放電擊穿的環(huán)氧澆注絕緣子

12 結(jié)束語

筆者分析了環(huán)氧澆注設(shè)備對環(huán)氧澆注絕緣件質(zhì)量的影響。廠家選用環(huán)氧澆注設(shè)備時,需要根據(jù)需求、工藝,考慮混料處理方式、原料預(yù)處理、計量系統(tǒng)、真空處理系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、控制軟件對生產(chǎn)環(huán)氧澆注絕緣件的影響,選擇合適的環(huán)氧澆注設(shè)備。使用環(huán)氧澆注設(shè)備的廠家,應(yīng)配備專業(yè)維護人員,定期維護環(huán)氧澆注設(shè)備,避免發(fā)生故障。