陳 蕊，袁端鵬，闞超豪，郝留成,3，張 敬，李彩娜

（1.平高集團(tuán)有限公司 國(guó)家電網(wǎng)公司高壓開關(guān)設(shè)備絕緣材料實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467001；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009；3.西安交通大學(xué) 金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guān)設(shè)備(GIS)是電網(wǎng)建設(shè)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，GIS產(chǎn)品的不斷發(fā)展對(duì)環(huán)氧樹脂澆注絕緣部件提出了越來(lái)越高的要求[1-2]。環(huán)氧樹脂澆注盆式絕緣子是GIS產(chǎn)品中極為關(guān)鍵的部件，在隔離氣室、支撐導(dǎo)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(gè)GIS產(chǎn)品的技術(shù)水平和長(zhǎng)期運(yùn)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(lái)關(guān)于高壓開關(guān)用絕緣子的研究受到廣泛關(guān)注[4-12]。

在殘余應(yīng)力與外部載荷激勵(lì)的共同作用下，絕緣子產(chǎn)生應(yīng)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(yīng)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(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)、流體力學(xué)、熱力學(xué)等參數(shù)，對(duì)制造高質(zhì)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(wú)機(jī)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(guò)程模型，通過(guò)對(duì)固化過(guò)程中模具及絕緣子溫度場(chǎng)的仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)采用常規(guī)模具制備絕緣子時(shí)，固化過(guò)程中絕緣子在同一位置的凹凸面溫差過(guò)大（超過(guò)2℃），易引入殘余應(yīng)力[16]。本研究在前期所建盆式絕緣子固化過(guò)程模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)加熱片仿真分析采用自加熱模具實(shí)現(xiàn)固化過(guò)程中模具溫度場(chǎng)的可控性，以滿足絕緣子固化對(duì)溫度場(chǎng)梯度分布的要求，減少固化過(guò)程中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，并對(duì)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(guān)鍵工具，對(duì)環(huán)氧澆注件的質(zhì)量有至關(guān)重要的作用。模具的結(jié)構(gòu)保證了環(huán)氧澆注件的形狀尺寸，在模具結(jié)構(gòu)一定的情況下，模具的溫度場(chǎng)分布決定了環(huán)氧澆注件的質(zhì)量。

對(duì)于結(jié)構(gòu)一定的模具，加熱方式?jīng)Q定其溫度場(chǎng)分布[17]。在環(huán)氧絕緣件的制造中，通常直接采用烘箱對(duì)模具進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)模具的預(yù)熱、絕緣件固化過(guò)程的保溫等。

盆式絕緣子的結(jié)構(gòu)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(shí)際生產(chǎn)所用的烘箱、模具、絕緣子模型，為了方便后期的計(jì)算與分析，對(duì)各模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。

根據(jù)烘箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了仿真模型，模擬烘箱內(nèi)部在固化成型過(guò)程中的流體場(chǎng)，如圖2所示。在烘箱頂部共有8個(gè)風(fēng)扇，以2 m/s的速度向上抽風(fēng)，空氣經(jīng)過(guò)頂部風(fēng)扇流向兩側(cè)的加熱空腔，再經(jīng)烘箱底部?jī)蓚?cè)的入口進(jìn)入烘箱中間腔體，與模具表面接觸之后再經(jīng)過(guò)烘箱頂部的風(fēng)扇，從而在烘箱內(nèi)部形成空氣循環(huán)。

圖2 烘箱流體場(chǎng)Fig.2 The fluid field of oven

本研究選用湍動(dòng)能-耗散率（k-ε）模型，該模型適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)、精度合理，在工業(yè)流場(chǎng)和熱交換模擬中有廣泛的應(yīng)用[18-19]。它是個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式，是從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中總結(jié)出來(lái)的。標(biāo)準(zhǔn)模型需要求解湍動(dòng)能及其耗散率方程。湍動(dòng)能輸運(yùn)方程是通過(guò)精確的方程推導(dǎo)得到，耗散率方程是通過(guò)物理推理，再經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)上模擬相似原形方程得到。該模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子黏性的影響可以忽略。

標(biāo)準(zhǔn)模型的湍動(dòng)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(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb是由浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1ε、C2ε和 C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk和σε分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sk和Sε是用戶定義的源項(xiàng)；ρ為流體密度；ui為時(shí)均速率；μ為分子擴(kuò)散所造成的動(dòng)力黏性；μt為湍流黏性系數(shù)。

2 自加熱模具的設(shè)計(jì)

2.1 自加熱模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具材質(zhì)為鋁合金，分為凹、凸模結(jié)構(gòu)。在模具外表面設(shè)置加熱裝置（即加熱片）、帶有加熱功能的加熱布線及測(cè)試加熱腔內(nèi)溫度的溫度傳感器。工作時(shí)，通過(guò)加熱片對(duì)模具進(jìn)行加熱，并將熱量傳遞到模腔內(nèi)。一次固化爐內(nèi)溫度為70℃，對(duì)模具起到保溫作用。

在模具的凸面、凹面表面以及側(cè)面的相應(yīng)位置處安裝加熱片，加熱片的形狀配合模具的表面形狀設(shè)計(jì)。加熱片根據(jù)需要設(shè)置成不同的尺寸，同時(shí)根據(jù)固化反應(yīng)的一般規(guī)律，給加熱片設(shè)置不同的加熱功率和加熱時(shí)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(nèi)外溫度均勻，4個(gè)加熱片分布設(shè)置在3個(gè)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(gè)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(shè)置不同的工作時(shí)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(nèi)側(cè)表面。與凸面的加熱片一樣，凹面的加熱片同樣也分為3個(gè)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(gè)加熱區(qū)相對(duì)應(yīng)。

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(cè)面圖，左邊是左側(cè)加熱片示意圖，右邊是右側(cè)加熱片示意圖，側(cè)面設(shè)置了兩個(gè)加熱區(qū)，其中上邊4個(gè)加熱片為第1加熱區(qū)，用M1表示，下邊4個(gè)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(cè)面圖Fig.5 The side surface of self-heating mould

通過(guò)各區(qū)域加熱片的設(shè)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(shí)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(jì)算

加熱片的工作階段主要有模具的預(yù)熱升溫過(guò)程、模具的保溫過(guò)程、澆注后的固化保溫過(guò)程，其中模具的預(yù)熱升溫過(guò)程不僅要考慮模具升溫所需熱量，同時(shí)還要考慮空氣對(duì)流引起的散熱、模具外表面的輻射散熱；模具的保溫過(guò)程僅需考慮空氣對(duì)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(guò)程不僅需考慮空氣對(duì)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(yīng)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(yù)熱需要。

在模具的預(yù)熱過(guò)程中，加熱片提供的熱量主要包括模具升溫預(yù)熱、烘箱中空氣對(duì)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(méi)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(duì)流會(huì)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(duì)流換熱系數(shù)，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(guò)玻爾茲曼定律計(jì)算，如式（4）所示。

式（4）中：ε為模具表面輻射系數(shù)；σ為斯特藩常數(shù)，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(jì)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(zhì)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(shí)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(shù)，取值為1.2～2。

3 自加熱模具溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算

3.1 仿真計(jì)算條件

基于COMSOL有限元分析軟件，在常規(guī)非自加熱模具（無(wú)加熱片時(shí)）溫度場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，設(shè)置加熱片位置、加熱片功率，烘箱保持70℃以對(duì)自加熱模具進(jìn)行保溫，計(jì)算自加熱模具的溫度場(chǎng)分布。

在計(jì)算過(guò)程中將根據(jù)本配方體系的固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究所得的環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)放熱函數(shù)加入模型中。絕緣子的反應(yīng)放熱函數(shù)如式（7）所示。

式（7）中：q?為單位時(shí)間內(nèi)樹脂固化所產(chǎn)生的熱量；ρ為樹脂混合料的密度；Vf為填料的體積分?jǐn)?shù)；HR為單位質(zhì)量樹脂固化總反應(yīng)的放熱量；α為樹脂的固化度。

通過(guò)多次仿真計(jì)算，當(dāng)模具凸面加熱片功率設(shè)置為380 W，凹面加熱片功率設(shè)置為220 W，側(cè)面加熱片功率設(shè)置為170 W時(shí)，設(shè)置各加熱片的工作時(shí)間可使絕緣子和模具的溫度場(chǎng)分布達(dá)到采用常規(guī)非自加熱模具利用烘箱加熱時(shí)的模具及絕緣子的溫度場(chǎng)分布水平。

3.2 仿真計(jì)算結(jié)果

在固化過(guò)程中，自加熱模具及絕緣子不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果如圖6～11所示。從圖6～11可以看出，絕緣子在80 min時(shí)基本達(dá)到了最佳反應(yīng)速率所需要的溫度。此時(shí)絕緣子的內(nèi)圈溫度較高，外側(cè)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(méi)有設(shè)置保溫，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致中心溫度上升到將近460 K。實(shí)際上在加熱到80 min時(shí)，中心溫度已經(jīng)上升到預(yù)定溫度，此時(shí)模具的加熱片應(yīng)進(jìn)入保溫狀態(tài)，停止繼續(xù)加熱。

圖6 20 min時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)的溫度分布如圖12所示。對(duì)比圖12和圖8(b)可以看出，自加熱模具凹面在80 min時(shí)所達(dá)到的溫度分布與常規(guī)非自加熱模具在加熱100 min時(shí)所達(dá)到的溫度分布基本相同。說(shuō)明自加熱模具的溫度場(chǎng)具有可控性，且可達(dá)到絕緣子固化所需的溫度場(chǎng)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(shí)絕緣子剖面的溫度場(chǎng)分布圖。從圖13可以看出，左側(cè)為絕緣子底部，凸面溫度比凹面溫度高2.06 K；右側(cè)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(cè)為絕緣子底部，凸面溫度比凹面溫度高1.06 K；右側(cè)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(shí)，凹面與凸面的內(nèi)外溫差都未超過(guò)3 K，溫差較小，可減少殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

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

圖13 80 min時(shí)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(shí)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(chǎng)測(cè)試

為了驗(yàn)證自加熱模具設(shè)計(jì)的正確性，將固化過(guò)程中模具的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)絕緣子設(shè)置4個(gè)溫度采集點(diǎn)，具體位置如圖15所示，澆注時(shí)先在自加熱模具內(nèi)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(nèi)部，測(cè)試1～4共4個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度變化。

圖15 自加熱模具所制備絕緣子的溫度采集點(diǎn)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(cè)試點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度曲線圖。從圖16可以看出，測(cè)試點(diǎn)1的溫度最低，測(cè)試點(diǎn)4的溫度最高，形成一個(gè)溫度梯度，這與圖6～11中自加熱模具的溫度場(chǎng)分布規(guī)律一致。

圖16 絕緣子各測(cè)試點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度曲線Fig.16 The temperature curves of each measuring point of insulator

模具內(nèi)部的溫度先升高后降低然后又升高，最終與設(shè)定溫度保持一致。這是由于烘箱設(shè)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(guò)程中存在放熱現(xiàn)象，使得環(huán)氧樹脂的溫度先升高至最高點(diǎn)，隨著固化反應(yīng)的進(jìn)行，絕緣子的溫度逐漸下降，但是由于設(shè)置溫度比較高，因此絕緣子的溫度又隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷升高，最后溫度保持與模具設(shè)定的溫度基本一致。

絕緣子內(nèi)部溫度場(chǎng)的梯度分布，符合絕緣子在固化時(shí)要求底部先固化，上部后固化的要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了自加熱模具仿真結(jié)果的正確性。

4 不同模具所制備盆式絕緣子的水壓試驗(yàn)

4.1 盆式絕緣子壓力測(cè)試方法

本研究依據(jù)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(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)以一定的速度升高壓力，直至絕緣子出現(xiàn)破裂，記錄破裂時(shí)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(yàn)測(cè)試結(jié)果

采用常規(guī)模具和自加熱模具分別制備7個(gè)盆式絕緣子并進(jìn)行水壓試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，相對(duì)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(biāo)準(zhǔn)差更小，僅為0.140 MPa，即水壓破壞值數(shù)據(jù)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(jié)論

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

（2）盆式絕緣子固化過(guò)程的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果表明，固化過(guò)程中盆式絕緣子同一位置的凹面與凸面的內(nèi)外溫差較小，均未超過(guò)3 K，溫度場(chǎng)分布更均勻，可有效減小由溫差引起的絕緣子內(nèi)部的殘余應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)差更小，僅為0.140 MPa，水壓破壞值數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更佳。