環(huán)氧澆注絕緣子色差分析及性能驗證研究 *

張明英，李要鋒，熊明華，王延濤，邵明艷

（河南平芝高壓開關(guān)有限公司，河南平頂山 467013）

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）在高壓行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，其主要單元組件為斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器（VT及CT）、避雷器和連接母線［1］。作為GIS中的關(guān)鍵零部件，絕緣子由構(gòu)成絕緣主體的環(huán)氧樹脂及嵌入兩端的金屬屏蔽電極組成，用于使SF6氣體絕緣設(shè)備的帶電部位與接地殼體間形成絕緣。在具有活動部分的設(shè)備上，還作為操作桿為活動部分傳遞驅(qū)動力。在使用過程中其不僅需要具備良好的絕緣性能，其材料性能及澆注品質(zhì)均需符合要求［2］。

正常澆注成型絕緣子整體顏色應(yīng)為白色，統(tǒng)一部件表面無明顯色差。在自然光線下目測表面無可見的“流痕”、“劃傷”、“裂紋”、“凹陷”、“缺肉”、“局部收縮”等缺陷。某單位所生產(chǎn)的絕緣子普遍存在表面發(fā)黃問題，單件產(chǎn)品同一表面存在明顯的色差。為驗證絕緣子表面色差的存在對產(chǎn)品性能及正常使用是否有影響，筆者對多批次絕緣子表面色差問題進行調(diào)查，并針對色差的存在對產(chǎn)品性能是否存在影響進行驗證，提出有限的解決措施。

1 絕緣子色差原因調(diào)查分析

1.1 環(huán)氧澆注絕緣子澆注工藝

環(huán)氧澆注絕緣子主體材料為環(huán)氧樹脂、氧化鋁填充料及固化劑。其生產(chǎn)工藝為主體材料混合澆注后進行固化成型。目前運用較多的澆注工藝為環(huán)氧樹脂真空澆注,產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程圖如圖1所示［3］。

圖1 產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 Production process flow chart

澆注工藝主要步驟如下：

（1）預(yù)處理：將環(huán)氧樹脂和氧化鋁填充料進行高溫混合后在樹脂罐進行脫氣預(yù)處理，固化劑在固化劑罐進行脫氣預(yù)處理。

（2）混料澆注：將進行過預(yù)處理的環(huán)氧樹脂、氧化鋁填充料及固化劑按照一定比例進行混合，將混合完成后的澆注料注入模具中，環(huán)氧樹脂真空澆注過程為澆注和抽真空同時進行。

（3）固化：將澆注完成后的模具轉(zhuǎn)移至高溫爐中固化。固化溫度及時間依據(jù)不同填料體系設(shè)定［4-6］，固化過程的溫度變化主要為升溫→保溫→降溫 (如圖2所示)。升溫過程中伴隨著混料粘度的降低，材料體積膨脹，在保溫過程中固化反應(yīng)會引起體積收縮。冷卻過程中伴隨溫度的下降固化物的體積收縮，溫度在Tg以上物質(zhì)處于橡膠狀態(tài)時分子布朗運動旺盛，溫度在Tg以下布朗運動被凍結(jié)，此時物質(zhì)內(nèi)部存在與收縮成比例的張力，當(dāng)內(nèi)部張力超過固化體的強度時會導(dǎo)致產(chǎn)品開裂。故在固化階段溫度的變化和固化時間的選擇直接影響環(huán)氧澆注件的組織結(jié)構(gòu)和整體材料性能［7］。

圖2 固化過程材料內(nèi)部變化Fig.2 The internal change of the material during curing

1.2 環(huán)氧澆注絕緣子發(fā)黃原因分析

目前應(yīng)用較為廣泛的環(huán)氧澆注絕緣子的固化方式分為單段固化和兩段固化，其中單段固化為2h內(nèi)升溫至130℃，保溫30h的固化過程，兩段固化為2h升溫至105℃保溫15h，再升溫至155℃保溫15h的固化過程［8］。以圖3為例，在澆注過程中，無論以何種固化方式，混合料均需經(jīng)歷約30h 130℃左右的高溫固化。根據(jù)固化速度、操作性、固化后物性不同的產(chǎn)品所選取的固化劑種類也有較大的不同。目前使用較多的環(huán)氧澆注類產(chǎn)品固化劑以酸酐類為主，該類固化劑具備收縮變形小、耐老化特性、電氣特性、機械特性良好的優(yōu)點。在130℃的溫度下，少量的酸酐類固化劑會在模具中呈汽化狀態(tài)。圖3為550kV柱式絕緣子澆注時的狀態(tài)，環(huán)氧樹脂及固化劑在高溫熔融狀態(tài)下呈現(xiàn)淺黃色，少量的固化劑在澆注過程中汽化。由于澆注為真空澆注，澆注過程為澆注和抽真空同時進行，故汽化后的固化劑隨著真空排氣方向從模具底端向澆口方向揮發(fā)出來，最終聚集在澆注口附近。貼附在絕緣子表面的固化劑在高溫狀態(tài)下會有顏色加深至局部深黃色現(xiàn)象，最終導(dǎo)致澆注成型的絕緣子外觀發(fā)黃，表面存在色差。且隨著固化次數(shù)的增多貼附在絕緣子表面的固化劑增多，產(chǎn)品發(fā)黃現(xiàn)象加劇。

圖3 500kV支柱絕緣子澆注時模具狀態(tài)和角度Fig.3 Mold state and angle during casting of 550kV post insulator

通過分析對比，導(dǎo)致絕緣件表面發(fā)黃的主要原因為汽化后的固化劑沿抽真空排氣方向聚集于絕緣件表面，熔融態(tài)的固化劑及樹脂聚集于絕緣件表面，固化成型后產(chǎn)品呈現(xiàn)局部或整體發(fā)黃現(xiàn)象。解決絕緣件表面發(fā)黃問題可以從以下兩個方面入手。一是降低固化劑汽化量?？赏ㄟ^調(diào)整產(chǎn)品制作工藝，在保證環(huán)氧澆注工藝的前提下，選擇合適的澆注時間，控制澆注速率，對澆注設(shè)備及固化設(shè)備的參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化，減輕固化劑及小分子揮發(fā)量，通過減少汽化狀態(tài)固化劑在絕緣子表面聚集，降低絕緣件的不同部位色差。二是改變汽化固化劑移動方向，使其均勻分布。在靜態(tài)澆注狀態(tài)下，固化劑汽化后移動路線均為向澆注口附近靠近，對于一些尺寸較小的零部件，可以采用動態(tài)澆注的方法，改變固化劑移動路線，使汽化后的固化劑均勻分布在澆注模具內(nèi)，降低物料沉淀及發(fā)黃程度。

2 色差對產(chǎn)品性能的影響

2.1 色差對產(chǎn)品機械性能的影響

產(chǎn)品正常生產(chǎn)狀態(tài)為兩次固化，部分產(chǎn)品生產(chǎn)過程中為滿足產(chǎn)品性能要求，廠家會在二次固化基礎(chǔ)上額外追加二次固化次數(shù)。為驗證不同的固化次數(shù)產(chǎn)生色差對產(chǎn)品機械性能是否有影響，廠家制作一批澆注彎曲試驗片及澆注粘結(jié)試棒，驗證在追加不同的固化次數(shù)下，絕緣子色差及對產(chǎn)品機械性能及電氣性能的影響。其中相同的固化次數(shù)下各制作試驗片及粘結(jié)試棒3個。試品編號及產(chǎn)品固化次數(shù)見表1。不同的固化次數(shù)下所制作試驗片色差值見圖4，彎曲試驗片狀態(tài)如圖5～圖6所示，粘結(jié)試驗棒狀態(tài)如圖7~8所示。

圖7 粘結(jié)試棒姿態(tài)Fig. 7 Bonding test bar posture

表1 不同固化次數(shù)試品編號Table 1 Sample number of different curing times

圖4 不同固化次數(shù)試驗片色差值Fig.4 The color difference of different curing times

圖5 彎曲試驗片姿態(tài)Fig.5 Bend test sheet attitude

圖6 不同固化次數(shù)下彎曲試片狀態(tài)（由左至右固化次數(shù)由1依次增加）Fig.6 The state of bending test sheet under different curing times

圖8 不同固化次數(shù)下粘結(jié)試棒狀態(tài)（由左至右固化次數(shù)由1依次增加）Fig. 8 State of bend bar with different curing times

對比澆注完成的試驗片及粘結(jié)試棒，隨著固化次數(shù)的增加，色差值ΔEab增大。隨著固化次數(shù)的增加，汽化固化劑量增加，堆積在產(chǎn)品表面的固化劑及熔融態(tài)樹脂含量增加。隨著溫度及時間的推移，產(chǎn)品發(fā)黃現(xiàn)象加劇，進一步驗證前期分析結(jié)果。

在實驗室內(nèi)澆注不同固化次數(shù)的彎曲試驗片及粘接試棒，對追加不同固化次數(shù)的彎曲試驗片及粘結(jié)試棒開展彎曲、抗拉強度試驗，驗證不同的固化次數(shù)對材料機械性能的影響。力學(xué)性能按照GB/T 2567-2008樹脂澆鑄體性能試驗方法進行驗證。試驗結(jié)果如圖9~圖10所示。

圖9 試驗片彎曲強度驗證結(jié)果Fig. 9 Test sheet bending strength verification results

圖10 粘結(jié)試驗棒抗拉強度驗證結(jié)果Fig.10 Verification results of tensile strength of bonding test bar

通過圖9中數(shù)據(jù)計算可知產(chǎn)品二次固化至二次固化+追加4次二次固化等不同的固化次數(shù)情況下試驗片彎曲強度平均值均大于某公司要求基準(zhǔn)值120MPa，且二次固化+追加2次二次固化（#3）彎曲強度值最低，追加3次二次固化次數(shù)（#4），彎曲強度值再次升高。

通過圖10中數(shù)據(jù)計算可知試品二次固化至二次固化+追加4次二次固化等不同的固化次數(shù)情況下試驗棒抗拉強度值均大于某公司要求的基準(zhǔn)值45MPa，且二次固化+追加2次二次固化（#3）平均抗拉強度值最低且數(shù)據(jù)結(jié)果值較為分散。再次追加固化次數(shù)，抗拉強度值有所升高。

通過分析對比可知，隨著固化次數(shù)的增加，試驗片及試驗棒的色差值呈上升趨勢。不同的固化次數(shù)下，其試片彎曲強度及試棒抗拉強度平均值均滿足要求。對比分析各組數(shù)據(jù)：二次固化（#1）色差值ΔEab1.53，彎曲強度及抗拉強度值較大，強度值之間較為分散；二次固化+追加1次二次固化（#2）色差平均值為ΔEab3.53，抗拉強度值下降明顯；二次固化+追加2次二次固化（#3）色差值ΔEab4.80，彎曲強度下降明顯，抗拉強度值分散；二次固化+追加3次二次固化（#4）色差值ΔEab7.33，彎曲強度、抗拉強度較#2、#3明顯回升，與#1基本保持一致，強度值較為分散；二次固化+追加4次二次固化（#5）色差值ΔEab9.40，與#4相比強度值均有所下降，強度值較為集中。故廠家可根據(jù)色差值及強度值要求，選取各公司適用的固化次數(shù)。

2.2 色差對產(chǎn)品電氣性能的影響

為驗證絕緣子表面色差對產(chǎn)品電氣性能的影響，筆者選取某公司用550kV三支柱絕緣子（見表2）進行電氣性能驗證。

表2 試樣選取Table 2 Sample selection

對所選取的單件色差值ΔEab超過3的4只絕緣子進行電氣性能試驗，在最低氣壓下進行電氣試驗，要求無閃絡(luò)。電氣試驗施加電壓值及要求滿足相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范。三支柱絕緣子驗證項目試驗基準(zhǔn)見表3,試驗結(jié)果見表4。根據(jù)絕緣子電氣性能試驗驗證結(jié)果可知，單件色差在Eab15以內(nèi)，產(chǎn)品工頻耐壓試驗、局部放電試驗、交流極限試驗均通過。故可驗證單件色差在Eab15以內(nèi)，對絕緣子電氣性能無影響。

表4 試驗驗證結(jié)果Table 4 Test verification item results

3 結(jié)論

通過分析可知在單件產(chǎn)品色差ΔEab在3以下機械性能、電氣性能不影響某公司產(chǎn)品的正常使用。故進行環(huán)氧澆注絕緣子質(zhì)量檢查時，可以根據(jù)公司具體使用要求，制定合適的色差檢查標(biāo)準(zhǔn)。同時環(huán)氧澆注絕緣子生產(chǎn)廠家在實際生產(chǎn)過程中可以從以下三方面入手，改善絕緣子表面發(fā)黃問題：

（1）選擇合適的澆注時間，控制澆注速率，減少汽化狀態(tài)固化劑在絕緣子表面聚集可減少產(chǎn)品表面色差；

（2）在靜態(tài)澆注狀態(tài)下，固化劑汽化后移動路線均為向澆注口附近靠近，對于一些尺寸較小的零部件，可以采用動態(tài)澆注的方法，改變固化劑移動路線，使汽化后的固化劑均勻分布在澆注模具內(nèi)，降低物料沉淀及發(fā)黃程度；

（3）在保證產(chǎn)品尺寸、機械性能的前提下選擇合適的固化次數(shù)。