樹脂澆注互感器的防開裂措施及緩沖設(shè)計(jì)

宋仁豐 管永秋 高 琦

（大連北方互感器集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116299）

1 概述

目前國內(nèi)澆注式互感器基本選用環(huán)氧樹脂和不飽和樹脂，樹脂在固化過程中會(huì)產(chǎn)生一定的縮比，通常不飽和樹脂的固化收縮率大于環(huán)氧樹脂的固化收縮率，樹脂混合膠固化過程中會(huì)產(chǎn)生一定應(yīng)力，在應(yīng)力作用下，互感器內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生開裂現(xiàn)象；若樹脂固化的收縮應(yīng)力作用到鐵心上，將使鐵心導(dǎo)磁性下降，影響產(chǎn)品誤差或勵(lì)磁性能。

互感器的器身是由一次繞組、二次繞組及其它金屬構(gòu)件組成的，考慮產(chǎn)品運(yùn)行發(fā)熱，尤其是短路狀態(tài)下突然升至高溫膨脹。為了減小澆注式互感器固化過程中的收縮應(yīng)力及運(yùn)行時(shí)溫度變化引起的應(yīng)力，在互感器設(shè)計(jì)時(shí)，需在器身和澆注絕緣之間加緩沖層。

2 樹脂澆注互感器的內(nèi)應(yīng)力計(jì)算及開裂原因

澆注件中的內(nèi)應(yīng)力可按材料力學(xué)基本公式（應(yīng)力=形變X 模量）進(jìn)行計(jì)算和分析：

σ內(nèi)——內(nèi)應(yīng)力。

ΔLS——樹脂固化收縮時(shí)形變量。

ΔLα——樹脂與內(nèi)部制件線膨脹系數(shù)之間差異產(chǎn)生的形變量。

Er——樹脂彈性模量。

ak——樹脂線膨脹系數(shù)。

as——樹脂內(nèi)部制件膨脹系數(shù)。

T2——樹脂固化反應(yīng)時(shí)溫度。

T1——最低使用或試驗(yàn)溫度。

澆注式互感器的一、二次繞組、鐵心、金屬支承件等的收縮系數(shù)均與樹脂混合料的收縮系數(shù)不同，有些材料幾乎差一個(gè)數(shù)量級(jí)，在樹脂澆注及固化過程中，經(jīng)過加熱——樹脂混合料反應(yīng)放熱——固化——冷卻過程。在熱狀態(tài)下，由于強(qiáng)烈的交聯(lián)，樹脂混合料會(huì)放出更多的熱量，在澆注體冷卻到常溫的過程中，加劇了制件的膨脹、收縮，在澆注件內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，這些內(nèi)應(yīng)力的存在是導(dǎo)致澆注件開裂的根本原因，特別是尺寸較大的澆注互感器，由于體積較大，產(chǎn)品收縮不均勻，輕則在制件內(nèi)產(chǎn)生輕微缺陷，或不規(guī)則輕微裂紋，輕微裂紋會(huì)給互感器造成隱患，導(dǎo)致互感器局部放電量超標(biāo)；重則會(huì)在澆注件冷卻后的一段時(shí)間里直接產(chǎn)生貫通性開裂，這種開裂導(dǎo)致絕緣破壞，工頻耐壓擊穿，使整臺(tái)產(chǎn)品報(bào)廢[1]。

從公式（1）看澆注互感器內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生主要有5 方面原因：

1.樹脂固化收縮形變量ΔLS引起的內(nèi)應(yīng)力。

2.樹脂與內(nèi)部制件線膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力ΔLαEr，表現(xiàn)為澆注體在冷熱循環(huán)、短時(shí)熱電流試驗(yàn)、長期運(yùn)行時(shí)發(fā)熱產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

3.樹脂配方體系彈性差，樹脂模量Er 大，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力大。

4.澆注體尺寸越大，樹脂層的厚度尺寸差異越大，ΔLS和ΔLα值差異越大，產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力越大。

5.樹脂耐熱性差，在高溫或低溫條件下喪失彈性和機(jī)械強(qiáng)度。使Er 發(fā)生變化導(dǎo)致應(yīng)力變化。

3 澆注互感器從澆注材料及固化工藝方面采取的防開裂措施

澆注互感器從選擇材料及澆注固化工藝采取的防開裂措施，其目的均為使?jié)沧Ⅲw產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力盡量小或盡量被吸收，從而提高澆注體的耐開裂性。

3.1 澆注材料選擇

澆注體固化收縮與多種因素有關(guān)，要取得高質(zhì)量的澆注體，要有針對(duì)性地選擇放熱量低、韌性好，能消除或緩解混合料應(yīng)力的配方或有關(guān)材料。

1.選擇放熱量低的樹脂或固化劑，保證澆注件在長期運(yùn)行時(shí)仍有彈性。

2.提高樹脂填料比例。填料的作用除提高澆注件的耐熱性、耐寒性、耐磨性和導(dǎo)熱性外，降低澆注件的收縮率和熱膨脹系數(shù)，減少樹脂混合料與內(nèi)部制件熱膨脹系數(shù)差異。樹脂粘度一定的情況下多加入填料，穩(wěn)定混合料的熱固性收縮。防止大粒度硅微粉形成沉淀。

3.使用線膨脹系數(shù)小的填料，如熔球形硅微粉，或成本較低的天然亞球形硅微粉，其線膨脹系數(shù)較小。

4.采用“海島結(jié)構(gòu)”的新型增韌劑材料，使材料的斷裂韌性增大，提高樹脂混合料的斷裂韌性，降低彈性模量。

5.適當(dāng)加入增韌劑量或活性增韌劑。但過多加入會(huì)影響材料耐熱性能。

3.2 固化溫度的控制

1.樹脂混合料通過溫度控制固化速度，較低溫度下進(jìn)爐預(yù)膠化，通過階梯升溫再固化。

2.控制冷卻速度。澆注體經(jīng)固化、熟化反應(yīng)后緩慢冷卻。

4 互感器內(nèi)部構(gòu)件的形狀要設(shè)計(jì)成分散應(yīng)力的尺寸形狀

澆注體內(nèi)的一次繞組、二次繞組及定位支架等構(gòu)件的形狀最好設(shè)計(jì)成圓弧形狀，內(nèi)制件尖角、銳棱都要加工成圓角。

5 互感器緩沖設(shè)計(jì)

從樹脂混合膠材料選擇、固化溫度及內(nèi)部構(gòu)件形狀方面考慮，措施在實(shí)際應(yīng)用中是有效的，但僅從這幾個(gè)方面采取措施，不能完全解決應(yīng)力引起的鐵心性能下降，造成誤差及勵(lì)磁特性變化的質(zhì)量問題，也不能完全避免內(nèi)部出現(xiàn)開裂的問題。因此在互感器的器身和澆注絕緣之間設(shè)有緩沖層。

緩沖層材料的選擇沒有固定的方式，緩沖厚度可以通過試驗(yàn)的方法確定的。也可以通過計(jì)算確定，下面以微孔橡膠為基礎(chǔ)的緩沖層材料為例研究澆注絕緣電工產(chǎn)品中的最佳緩沖層厚度的計(jì)算方法：

環(huán)氧混合膠的總的線收縮率δ 是由固化進(jìn)的化學(xué)線收縮率δx和冷卻到最低使用溫度時(shí)的溫度收縮率δT疊加的，并按下式確定：

X——體積化學(xué)收縮系數(shù)。

l——澆注件的最大線尺寸。

T2——混合膠的固化溫度。

T1——最低使用或試驗(yàn)溫度。

ak——混合膠的線膨脹系數(shù)。

as——澆注件的線膨脹系數(shù)。

為了使得環(huán)氧澆注體中不致產(chǎn)生危險(xiǎn)應(yīng)力，澆注件的緩沖層就有足夠的厚度、彈性和疏松度。由于環(huán)氧混合膠收縮，導(dǎo)致緩沖層體積壓縮，并使得其氣泡中的壓力P 增加。氣泡中的壓力由澆注件及環(huán)氧混合膠承受，它首先應(yīng)小于混合膠的斷裂強(qiáng)度極限，其次不應(yīng)超過對(duì)壓縮敏感的澆注件的允許壓力。

可近視認(rèn)為包含在緩沖層中氣泡的排布是規(guī)律且均勻，即可得出緩沖層中氣泡在最大壓縮狀態(tài)下的總體積方程：

式中：

Pa——大氣壓力。

P——緩沖層氣泡中的最大允許壓力。

V——初始狀態(tài)下緩沖層中氣泡的總體積。

引用符號(hào)k=V0/V 作為緩沖層疏松度系數(shù)，這里的V0是初始狀態(tài)下緩沖層所占有的體積，即可得出所需之緩沖層厚度：

在計(jì)算k 時(shí)，用比重的比值代替了體積比值，亦即?。?/p>

例如：ρP——以丁基橡膠為基礎(chǔ)的再生橡膠的比重，取值：1.25g/cm2；

ρn——實(shí)驗(yàn)得出的微孔橡膠緩沖層的比重ρn=0.5～0.6g/cm2。

鐵心和一次繞組緩沖層氣泡中的最大允許壓力P 是按不同方法計(jì)算的。對(duì)于鐵心，P 值是鐵心的允許壓力P1與混合膠在澆注時(shí)的靜壓力P0之差P=P1-P0。

鐵心的允許壓力P1與鐵心的內(nèi)外、徑尺寸、高度及鐵心形狀有關(guān)，對(duì)于圓環(huán)形鐵心，內(nèi)外徑差越大其允許壓力越大，對(duì)于方形鐵心或長孔鐵心其允許壓力較圓環(huán)形鐵心要小，例如：10KV 真空澆注的支柱式結(jié)構(gòu)互感器，在鐵心外徑相同的情況下，大變比的鐵心內(nèi)徑較大，鐵心厚度相對(duì)較薄，相同工藝加工的產(chǎn)品，鐵心較薄的出現(xiàn)誤差及勵(lì)磁特性變差的幾率大；對(duì)于帶殼的鐵心則由外殼的允許壓力確定。

混合膠層的靜壓力由注型高度h 和混合膠的比重ρK下式確定：

緩沖設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到在一次繞組短路電流下一次繞組的急劇膨脹所需緩沖層厚度d 計(jì)算公式：

公式（7）中，T3=273K；T4——在短路電流下一次繞組的最高發(fā)熱溫度。

?。簶渲旌夏z體積化學(xué)收縮系數(shù)x=0.015；混合膠的線膨脹系數(shù)aK=35x10-6K-1;銅線膨脹系數(shù)，aM=17.5x10-6K-1；

以某電流互感器一次繞組長度尺寸為200mm 為例，考慮一次繞組短路狀態(tài)，及耐寒條件按公式（7）緩沖層所需厚度計(jì)算如下：

混合膠的最佳斷裂強(qiáng)度取P=0.3MPa，對(duì)應(yīng)于互感器耐寒性試驗(yàn)溫度取T1=233K，混合膠的澆注和固化溫度取T2=403K，T3=273K；T4——在短路電流下一次繞組的最高發(fā)熱溫度，?。篢4=523K。

按公式：k=ρP/（ρp-ρn）

式中ρP——以丁基橡膠為基礎(chǔ)的再生橡膠的比重，取值：1.25g/cm2；

ρn——實(shí)驗(yàn)得出的微孔橡膠緩沖層的比重ρn=0.51g/cm2。

計(jì)算k=1.69。

則緩沖層厚度：d=200×1.69[1-(1-0.015)1/3+（403-273）（35-17.5）×10-6+（523-273）×17.5×10-6]/2[1-1.01×105×273/（3×105×523）]≈2.4mm

此計(jì)算實(shí)例僅是采用丁基微孔橡膠時(shí)的情況，當(dāng)采用其它緩沖材料時(shí)應(yīng)按具體材料壓縮狀態(tài)下的體積變化量來考慮，采用不同緩沖材料時(shí)，緩沖厚度是有差別的。常用的緩沖材料有皺紋紙、軟橡膠帶或橡膠板、發(fā)泡硅膠板、聚胺脂板、泡沫塑料等。

目前常用互感器澆注工藝主要有常壓澆注和真空澆注兩種，對(duì)常壓澆注的互感器緩沖材料可以采用皺紋紙。對(duì)真空澆注的電流互感器的緩沖材料在沒有封閉處理的情況下建議不采用皺紋紙作緩沖材料，因?yàn)檎婵諠沧顟B(tài)下，環(huán)氧樹脂容易滲入皺紋紙，固化后皺紋紙與樹脂固為一體，起不到緩沖作用。緩沖材料可以選用軟橡膠帶或橡膠板、發(fā)泡硅膠板、聚胺脂板、泡沫塑料等，需要考慮真空澆注后恢復(fù)常壓過程中緩沖材料的微氣孔不應(yīng)被樹脂膠填充而導(dǎo)致緩沖失效，在設(shè)計(jì)緩方案時(shí)應(yīng)考慮緩沖的密封，避免樹脂填充微氣孔[2]。采用軟橡膠帶或橡膠板做為緩沖材料時(shí)，由于緩沖材料是實(shí)體的，壓縮狀態(tài)下的體積變化量不大，因此緩沖層的厚度要設(shè)計(jì)得略大一些。

緩沖材料要求柔軟、有彈性，在較高溫度下不變硬，緩沖量應(yīng)能補(bǔ)償樹脂固化的收縮量及產(chǎn)品加工及運(yùn)行過程的高低溫金屬構(gòu)件產(chǎn)生熱脹冷縮的尺寸變化量，以保證產(chǎn)品不產(chǎn)生裂紋甚至開裂。緩沖層的厚度既要考慮緩沖材料的彈性，還要考慮構(gòu)件尺寸，包括斷面尺寸及輪廓尺寸，尺寸越大緩沖厚度應(yīng)越大，而且各個(gè)方位所加的緩沖層的輪廓大小應(yīng)略大于構(gòu)件的輪廓。

6 結(jié)語

本文介紹了澆注互感器的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生原因，從澆注材料及固化工藝方面采取的澆注互感器防開裂措施，互感器內(nèi)部構(gòu)件的形狀設(shè)計(jì)成圓弧形狀或圓角可以消除應(yīng)力集中，重點(diǎn)介紹了互感器的緩沖設(shè)計(jì)。筆者認(rèn)為互感器緩沖的合理設(shè)計(jì)是防開裂和防鐵心性能下降的重要措施，能有效提升產(chǎn)品合格率以及提高運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性及使用壽命。