◎陳曉麗 盧健 王瑞 唐猛 王海燕

目前，國(guó)內(nèi)加工制造該類產(chǎn)品多采用環(huán)氧樹(shù)脂自動(dòng)壓凝膠成型（The Automatic Pressure Gelation，APG）技術(shù)成型。利用該技術(shù)成型的絕緣制品具有良好的尺寸穩(wěn)定性和極高的機(jī)械強(qiáng)度，在中低壓開(kāi)關(guān)柜中應(yīng)用廣泛。該類絕緣制品由環(huán)氧樹(shù)脂固化物作為絕緣材料，將真空滅弧室、出線座、一次導(dǎo)電桿、二次線圈等導(dǎo)電及連接部件封裝為一體，具有絕緣強(qiáng)度高、機(jī)械性能好、防火、防潮等特點(diǎn)。對(duì)于中低壓絕緣制品，影響局部放電的因素較多，主要包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)、絕緣材料選用、加工工藝制定和最終的產(chǎn)品外觀處理。

一、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)行產(chǎn)品局部放電試驗(yàn)時(shí)，隨著電壓升高，電極之間電場(chǎng)強(qiáng)度逐步增加，在電荷集中部位，逐步發(fā)生放電現(xiàn)象，開(kāi)始時(shí)特別小，當(dāng)試驗(yàn)電壓超過(guò)某個(gè)點(diǎn)時(shí)，局部放電逐步增大，電壓逐漸減小時(shí)，局部放電仍然存在，但當(dāng)電壓降至影響局部放電的熄滅電壓時(shí)，局部放電急劇降低，直至降至5 p C以下。國(guó)標(biāo)對(duì)該類產(chǎn)品的局部放電量均有要求，現(xiàn)有文獻(xiàn)也對(duì)部分產(chǎn)品有分析，只要保證材料的熄滅電壓高于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的局部放電試驗(yàn)時(shí)的電壓，就能保證產(chǎn)品在多數(shù)情況下不會(huì)發(fā)生局部放電超標(biāo)的問(wèn)題。因此，理想情況下，一般盡可能增加絕緣材料的厚度，從而有效提高絕緣材料耐受電壓的能力。按照常用雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂的電氣絕緣強(qiáng)度計(jì)算，結(jié)合實(shí)際的試驗(yàn)及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)等，一般應(yīng)至少保證8 mm以上的絕緣層厚度。

另外對(duì)于絕緣制品內(nèi)部的導(dǎo)電部件，還應(yīng)盡可能增大其邊緣部位的曲率，避免出現(xiàn)尖端放電、應(yīng)力集中等問(wèn)題的發(fā)生。澆注式互感器結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 澆注式互感器結(jié)構(gòu)示意圖1

圖2 澆注式互感器結(jié)構(gòu)示意圖2

如果導(dǎo)電部件有特殊的凹陷、無(wú)法避免的尖端等問(wèn)題，應(yīng)在該部位進(jìn)行特別處理，如增加屏蔽措施，或用同樣材質(zhì)的金屬材料進(jìn)行封堵等方法改善該位置周?chē)碾妶?chǎng)均勻性。如果產(chǎn)品內(nèi)部有較大尺寸的金屬件、非金屬件等收縮率比環(huán)氧樹(shù)脂小很多的部件，還需根據(jù)環(huán)氧樹(shù)脂材料收縮率在其表面設(shè)計(jì)相應(yīng)厚度的緩沖層，因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂的收縮會(huì)在該類部件表面形成比較大的應(yīng)力層，甚至形成裂縫，常見(jiàn)緩沖材料的有液態(tài)或固態(tài)硅橡膠、自粘帶等。一般的計(jì)算公式為：

在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，就應(yīng)避免在高壓與低壓之間形成懸浮導(dǎo)電部位，較可靠的方式是將其設(shè)計(jì)成與高電位或低電位連接的方式，一般常用金屬線或金屬網(wǎng)等進(jìn)行導(dǎo)體連接，從而形成等電位。

二、產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)

APG工藝是指在一定壓力下將環(huán)氧樹(shù)脂混合料注射進(jìn)較高溫度的模具中，發(fā)生聚合反應(yīng)最后固化成型的過(guò)程。在注射過(guò)程中，會(huì)不同程度的裹進(jìn)較多的空氣。因此對(duì)于該類產(chǎn)品使用的模具應(yīng)在合適的位置設(shè)計(jì)排氣槽以增加排氣，常見(jiàn)的形式是將其設(shè)計(jì)在模具上部以及內(nèi)部元器件容易憋氣的地方，對(duì)于高度方向尺寸較大的產(chǎn)品還應(yīng)在高度方向設(shè)計(jì)排氣槽。另外模具的注料嘴位置應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)在模具底部，因混合料的溫度低于模具的溫度，設(shè)計(jì)在底部能夠避免注料通道因固化而堵塞，影響補(bǔ)縮，如特殊原因不能設(shè)計(jì)在底部，也應(yīng)盡量設(shè)計(jì)在模具側(cè)面下方的位置。

1.APG工藝原理。

金屬嵌件裝模后，將模具溫度予熱到比環(huán)氧樹(shù)脂混合料的溫度高80～100℃即達(dá)到140～160℃。然后通過(guò)APG設(shè)備的加壓系統(tǒng)，將貯料罐內(nèi)的環(huán)氧樹(shù)脂混合體系（已經(jīng)過(guò)真空脫泡處理）通過(guò)管道壓入模腔內(nèi)，使環(huán)氧樹(shù)脂混合體系與模具的高溫模壁發(fā)生快速的熱交換。由于，靠近模壁的環(huán)氧樹(shù)脂混合料短時(shí)內(nèi)達(dá)到高溫狀態(tài)，從而導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂混合料從模具壁附近開(kāi)始迅速發(fā)生固化反應(yīng)而凝膠化，并向模壁發(fā)生固化體積收縮。環(huán)氧樹(shù)混合料的固化收縮部分即由模腔中心，仍處于壓力下的液態(tài)的環(huán)氧樹(shù)脂混合料來(lái)快速補(bǔ)充。整個(gè)模腔內(nèi)的環(huán)氧樹(shù)脂混合料的凝膠收縮，則由貯料罐內(nèi)加壓的環(huán)氧樹(shù)脂混合料來(lái)加以恒定的補(bǔ)充。直到整個(gè)模腔內(nèi)的環(huán)氧樹(shù)脂混合料全部凝膠化后，整個(gè)系統(tǒng)才解除壓力。

在傳統(tǒng)的城市建設(shè)過(guò)程中，會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染，也會(huì)浪費(fèi)大量的資源與能源，屬于粗放型的發(fā)展模式。隨著時(shí)間的推移，這種發(fā)展模式引起了十分嚴(yán)重的不良后果。為了加快城市化的建設(shè)進(jìn)程，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展，增強(qiáng)人們的生活質(zhì)量與水平，只有通過(guò)生態(tài)城市的建設(shè)，才能為城市化進(jìn)程的順利發(fā)展提供保障。

環(huán)氧樹(shù)自動(dòng)壓力凝膠工藝（APG）技術(shù)的獨(dú)特之處是，通過(guò)連續(xù)的對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂混合料加以恒定的壓力；達(dá)到強(qiáng)制補(bǔ)充固化收縮的目的。這一過(guò)程是在很高溫度的模具內(nèi)完成的，從而使高反應(yīng)活性的環(huán)氧樹(shù)脂混合料在短時(shí)間內(nèi)迅速凝膠化。因此，制品表面無(wú)缺陷，內(nèi)應(yīng)力較低，固化物致密、一致性好，尺寸精度高，機(jī)電性能優(yōu)異，產(chǎn)品合格率高。由于凝膠化時(shí)間一般在幾分鐘至幾十分鐘（根據(jù)模具大小而不同）內(nèi)完成，可大大提高模具利用率，縮短生產(chǎn)周期。由于，APG工藝是在一個(gè)整體密閉的系統(tǒng)裝置中進(jìn)行的，對(duì)環(huán)境污染，節(jié)省能源、節(jié)省工時(shí)。

2.APG工藝基本特點(diǎn)。

環(huán)氧樹(shù)脂混合料在室溫條件下（25℃）其系統(tǒng)的適用期為1～2天，在40℃～45℃下適用期為6～8小時(shí)；而在高溫條件（140～160）下該配方體系則是高反應(yīng)活性的，在短時(shí)內(nèi)即快速凝膠，以可靠的設(shè)備和工藝參數(shù)加以控制和保證。制品的模具溫度高于環(huán)氧混合料體系的溫度約80～100℃左右，使固化反應(yīng)的凝膠過(guò)程，自模具壁開(kāi)始向中間環(huán)氧樹(shù)脂混合料擴(kuò)散。在整個(gè)環(huán)氧樹(shù)脂體系固化反應(yīng)的凝膠過(guò)程中，保持混合料的壓力，使環(huán)氧樹(shù)脂混合料體系在恒定的壓力下擠入模腔，對(duì)補(bǔ)充體系在凝膠過(guò)程中的體積收縮而形成的空隙。

另外在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮到材料的固化收縮，一般環(huán)氧樹(shù)脂材料的收縮率按0.1%～0.8%設(shè)計(jì)，模具的內(nèi)腔尺寸應(yīng)留出產(chǎn)品的收縮量。

三、絕緣材料選用

絕緣制品常見(jiàn)的絕緣材料主要有環(huán)氧樹(shù)脂、尼龍、硅橡膠等，本文主要分析雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂材料。環(huán)氧樹(shù)脂混合料主要是由環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、填料、色粉等混合制成。常見(jiàn)的填料主要是硅微粉，色粉是氧化鐵粉末，這兩種材料易吸潮，吸潮的材料混進(jìn)去容易出現(xiàn)混料不均勻，易形成小的起泡等問(wèn)題，且水分在高溫下容易汽化形成氣泡。環(huán)氧樹(shù)脂的介電常數(shù)相比空氣要大的多，空氣的耐電強(qiáng)度僅為環(huán)氧樹(shù)脂材料的1/10，因此材料中如果有氣泡將很大可能發(fā)生局部放電現(xiàn)象。一般混料前需將該兩種材料進(jìn)行充分的烘干，烘干后應(yīng)立即使用，避免再次的返潮。另外因環(huán)氧樹(shù)脂材料的粘度較大，材料還應(yīng)進(jìn)行充分的脫氣，一般情況下脫氣完成后還應(yīng)放置一段時(shí)間觀察是否有氣泡返出。

絕緣制品用環(huán)氧樹(shù)脂體系的性能參數(shù)要求如下表：

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環(huán)氧樹(shù)脂混合物應(yīng)保證配比正確，不正確的配比會(huì)影響材料的機(jī)械及電氣性能。加料過(guò)程中應(yīng)避免引入雜質(zhì)、金屬顆粒等異物，該類物質(zhì)也會(huì)在產(chǎn)品內(nèi)部形成放電點(diǎn)。

絕緣制品成型工藝要求，澆注成型過(guò)程需在（120～160）℃的高溫下進(jìn)行，其內(nèi)部使用的緩沖材料、屏蔽材料及其他防護(hù)或支架等應(yīng)能保證在該溫度下加熱（10～18）h不發(fā)生變性等。常規(guī)的工藝要點(diǎn)如下：

（1）當(dāng)室溫低于20℃時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂需要提前一晚上預(yù)熱。

（2）按照順序倒入混料罐中，一般為環(huán)氧樹(shù)脂、硅微粉、色粉、固化劑。

（3）先用手動(dòng)攪拌，等到硅粉基本溶入，再開(kāi)始低速攪拌。

（4）當(dāng)停止攪拌時(shí)，若混料表面仍有氣泡上返，則應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)脫氣時(shí)間，直至基本上不見(jiàn)氣泡為止。

因內(nèi)部元器件與環(huán)氧樹(shù)脂材料的收縮率不同，容易在不同種材料的界面上形成因收縮不一致而產(chǎn)生的縫隙等問(wèn)題。目前對(duì)于金屬部件一般采用噴砂、滾花等方式增加與環(huán)氧樹(shù)脂材料的結(jié)合面積，增大結(jié)合力，特殊的還會(huì)在金屬表面通過(guò)刷粘接劑的方式來(lái)提高與絕緣材料的粘接力。其他的如固封極柱內(nèi)部的真空滅弧室，其表面一般采用硅橡膠作為緩沖層，因較大尺寸的硅橡膠與環(huán)氧樹(shù)脂也會(huì)出現(xiàn)粘接力不強(qiáng)的情況，一般通過(guò)將硅膠層表面打毛并涂粘接劑的方式提高硅橡膠層與環(huán)氧樹(shù)脂混合料的結(jié)合力，從而避免在該部位形成明顯的放電通道。我們?cè)?jīng)有一批固封極柱產(chǎn)品就是在硅橡膠與環(huán)氧樹(shù)脂的界面上形成了比較長(zhǎng)的放電通道，通過(guò)采用該方法有效解決了該問(wèn)題。

對(duì)于互感器產(chǎn)品，因其內(nèi)部的一次導(dǎo)電桿與二次線圈表面均制作有屏蔽層，該屏蔽層多采用半導(dǎo)電皺紋紙、半導(dǎo)電自粘帶等材料，在進(jìn)行包繞或裝配過(guò)程中，屏蔽層容易出現(xiàn)翹起、破損、斷裂等問(wèn)題，如不對(duì)這些缺陷進(jìn)行處理，最終產(chǎn)品會(huì)在屏蔽層處發(fā)生尖端放電，嚴(yán)重的屏蔽層不能起到作用。對(duì)于其他采用銅、鋁或鋼制成的金屬網(wǎng)作為屏蔽罩的，屏蔽罩在制作過(guò)程中也應(yīng)在去除尖角、毛刺、焊渣等。

四、加工工藝制定

APG工藝相比真空澆注工藝，模具溫度較高，在高溫下，環(huán)氧樹(shù)脂材料的粘度降低，有助于氣體的排出，一般情況下，注料速度越慢也有助于氣體的排出，但是因環(huán)氧樹(shù)脂材料有凝膠時(shí)間的要求，一般需在發(fā)生凝膠反應(yīng)之前將模具內(nèi)部注滿。因此應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的不同，合理控制注料速度，在凝膠反應(yīng)發(fā)生之前，盡可能緩慢注料，調(diào)整方法是控制注料壓力，一般是注料壓力先增大再減小，隨后再逐步增大。

環(huán)氧樹(shù)脂的固化過(guò)程同時(shí)伴隨著收縮，因此在發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品注滿模具后應(yīng)緩慢增加注料壓力直至較大的水平，從而保證混合料在材料逐步固化的過(guò)程中能隨時(shí)補(bǔ)充產(chǎn)品的收縮，避免在產(chǎn)品內(nèi)外部形成比較大的缺陷。補(bǔ)縮過(guò)程壓力會(huì)略有下降，應(yīng)注意補(bǔ)充壓力。

另外除了模具需要較高的溫度外，內(nèi)部的元器件及模具配件也應(yīng)提前進(jìn)行預(yù)熱，因模具與元器件件溫度不同時(shí)也會(huì)引起材料收縮比不一致，最終形成裂縫等缺陷。如互感器內(nèi)部的器身、固封極柱內(nèi)部的真空滅弧室及出線座等，均應(yīng)提前用烘箱等進(jìn)行預(yù)熱處理。

裝模時(shí)，應(yīng)避免因工具或手套等引入雜質(zhì)及脫模劑等，盡可能快速地將元器件裝配模具上，以減少配件熱量的散失，一般應(yīng)控制在30min以內(nèi)完成裝模工作。裝模后如圖3示意。

圖3 元器件安裝后示意圖

脫模過(guò)程中，應(yīng)避免產(chǎn)品因磕碰造成的內(nèi)應(yīng)力及損傷，將模具配件拆卸完成后，迅速將產(chǎn)品送入固化爐進(jìn)行二次固化，二次固化應(yīng)遵循先高溫12h再隨爐冷卻降溫的過(guò)程，確保二次固化過(guò)程中產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力能緩慢釋放。該過(guò)程中尺寸較大的產(chǎn)品還會(huì)發(fā)生較為明顯的尺寸變形，應(yīng)注意對(duì)產(chǎn)品外形及安裝尺寸的影響。

絕緣制品的加工參數(shù)如表2要求：

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常規(guī)的加工工藝要點(diǎn)如下：

（1）打開(kāi)進(jìn)氣閥，調(diào)整注射壓力，然后關(guān)閉進(jìn)氣閥，待看到有混合料流出，便點(diǎn)擊注射，開(kāi)始注料，待達(dá)到注滿時(shí)間后，再次打開(kāi)進(jìn)氣閥，使壓力達(dá)到保壓壓力。待保壓結(jié)束后，先將注料小車(chē)上的放氣閥打開(kāi)，待壓力降至0后，先使模具卸壓，點(diǎn)擊按鈕將下抽芯后退，再點(diǎn)按鈕退出動(dòng)模。

（2）注射過(guò)程應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控：需要監(jiān)控成型機(jī)的保壓狀態(tài)，避免出現(xiàn)設(shè)備突然不參與保壓、模具滲料等情況。同時(shí)也需要觀察模具溫度的加熱系統(tǒng)是否正常，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)應(yīng)及時(shí)反應(yīng)。

五、產(chǎn)品外觀處理

中低壓絕緣制品進(jìn)行局部放電試驗(yàn)前需進(jìn)行外觀的打磨處理，處理后產(chǎn)品應(yīng)無(wú)尖端毛刺，螺紋孔無(wú)樹(shù)脂等雜物殘留，高壓及低壓側(cè)的導(dǎo)電部件表面無(wú)飛邊等。試驗(yàn)前需要檢查接地線是否可靠接地，接地線自身的毛刺等也會(huì)對(duì)局部放電試驗(yàn)有較大影響，屏蔽筒的屏蔽層應(yīng)完整。部分產(chǎn)品進(jìn)行局部放電試驗(yàn)時(shí)可能略有超差，此時(shí)應(yīng)檢查低壓部位是否可靠接地，部分產(chǎn)品的也可能是表面未處理干凈或有毛刺等，應(yīng)注意檢查。

綜上所述，對(duì)于中低壓絕緣制品，影響局部放電的因素較多，在設(shè)計(jì)好產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和模具的結(jié)構(gòu)后，還應(yīng)通過(guò)多種措施及方法控制產(chǎn)品的過(guò)程工藝以及后處理過(guò)程，試驗(yàn)前也要做好外觀檢查工作，最終才能確保產(chǎn)品的局部放電量符合國(guó)標(biāo)的要求。