DQZHAN訊：環(huán)氧樹脂絕緣件在電力設備中的應用
簡述
介紹了環(huán)氧樹脂絕緣件的的物理、力學、電氣和熱性能等特性參數，以及簡明扼要地對制作流程做了說明，并以斷路器極柱為例對環(huán)氧樹脂絕緣件在電力設備應用中的擊穿機理和優(yōu)化方案進行了詳細分析，*后對環(huán)氧樹脂絕緣件試驗項目進行了敘述。
近些年，以環(huán)氧樹脂為電介質的絕緣件在電力行業(yè)得到了普遍應用，比如在三相交流高壓開關設備上用環(huán)氧樹脂制造的套管、支撐絕緣子、觸頭盒、絕緣筒和極柱等，下面結合這些環(huán)氧樹脂絕緣件在應用過程中出現的絕緣問題，談一些我個人的看法。
1環(huán)氧樹脂絕緣件的制作
環(huán)氧樹脂材料內聚力大，黏附力強，柔順性好，具有優(yōu)良的熱固化性能和穩(wěn)定的耐化學腐蝕性等一系列在有機絕緣材料中突出的優(yōu)點，可通過環(huán)氧樹脂澆注體系如自動環(huán)氧壓力凝膠制造工藝(APG工藝)，真空澆注制成各種固體材料。所制成的環(huán)氧樹脂絕緣件由于機械強度高，耐電弧性強，致密性高，表面光潔，具有較好的耐寒性和具有良好的耐熱性，良好的電氣絕緣性能等優(yōu)點，在電力行業(yè)應用很廣，主要起到支撐和絕緣作用。對于3.6～40.5 kV環(huán)氧樹脂絕緣件的物理、力學、電氣和熱性能如下表所示。
環(huán)氧樹脂與添加物同時使用，以獲得應用價值。添加物可按不同用途加以選擇，常用添加物有以下幾類：①固化劑。②改性劑。③填料。④稀釋劑。⑤其他。其中固化劑是必不可少的添加物，無論是作黏接劑、涂料和澆注料都需添加固化劑，否則環(huán)氧樹脂不能固化。由于用途、性能和要求各不相同，對環(huán)氧樹脂及固化劑、改性劑、填料及稀釋劑等添加物也有不同的要求。
絕緣件在制造過程中如環(huán)氧樹脂等原材料的質量、模具、裝模、加熱溫度以及澆注壓力、固化時間等都對絕緣件的成品質量有很大影響，因此，制造廠都有規(guī)范的工藝流程來保證絕緣件的質量控制。2環(huán)氧樹脂絕緣件的擊穿機理和優(yōu)化方案環(huán)氧樹脂絕緣件是一種固體介質，固體擊穿場強比液體和氣體介質高。固體介質擊穿的特點是擊穿場強與電壓作用的時間有很大關系，一般來講，作用時間t<1 s的擊穿為電擊穿，作用時間1 s≤t<幾小時的擊穿為熱擊穿，作用時間t≥幾小時的擊穿為電化學擊穿。雖然這三種擊穿過程是不同的，但擊穿的后果都是使固體介質發(fā)生長久性破壞。我們在給開關設備做工頻耐壓試驗時，試驗電壓通過調壓器均勻升壓過程中，上述絕緣件隨主機一同承受試驗電壓，除了順利升壓后在規(guī)定耐受電壓1 min保持期擊穿的除外，當任何部位在升壓過程中因絕緣薄弱導致的擊穿，都是瞬時的，這樣的擊穿，應判定為電擊穿。這種情形，在環(huán)氧樹脂絕緣件上經常碰到，下面以40.5 kV真空斷路器固封極柱為例對此問題展開分析。
所謂固封極柱是指將真空滅弧室和/或導電連接及其端子用固體絕緣材料封裝組成的獨立部件。由于其固體絕緣材料主要是環(huán)氧樹脂、電力硅橡膠和黏結劑等，依次按照固封工藝把真空滅弧室的外表面從下到上將黏結劑、電力硅橡膠及環(huán)氧樹脂包封在主回路外圍形成極柱。在生產過程中，極柱應保證不能造成真空滅弧室性能降低或性能喪失，其表面應平整光滑，不應有降低電氣和力學性能的疏松、雜質、氣泡或氣孔，不應有裂紋等缺陷。盡管如此，40.5 kV固封極柱成品廢品率還是比較高，加之隨真空滅弧室的損壞，造成的損失讓很多制造單位都為之很是頭疼。究其原因，廢品率主要是由于極柱不能達到絕緣要求，比如95 kV 1 min工頻耐受電壓絕緣試驗，在試驗期間絕緣內部有放電聲或擊穿現象。
從高電壓絕緣原理上我們知道，固體介質的電擊穿過程與氣體中相似，是由碰撞電離形成電子崩，當電子崩足夠強時破壞介質晶格結構導致擊穿。固封極柱使用的幾種絕緣材料，單位厚度在擊穿之前能夠承受的*高電壓，也就是固有擊穿場強都比較高，尤其環(huán)氧樹脂的Eb≈20 kV/mm。但電場的均勻程度，對固體介質的絕緣性能影響非常大。如果內部存在過強的電場，即使絕緣材料有足夠的厚度和絕緣裕度，出廠時耐壓試驗和局部放電試驗也都通過，在運行一段時間后，仍可能會頻頻出現絕緣擊穿故障。局部電場過強的效應，就好像撕紙一樣，過分集中的應力會依次施加到各作用點上，結果遠小于紙張抗拉強度的作用力就能撕裂整張紙。在有機絕緣內局部過強的電場作用于絕緣材料時，會產生類似于“錐孔”效應，使絕緣材料被漸次擊穿。但是，這種隱患在早期階段不但常規(guī)的工頻耐壓和局部放電試驗試驗不能查出，而且目前還沒有檢測手段可以發(fā)現，只能靠制造工藝來加以保證。所以，固封極柱上下出線的邊緣必須以圓弧過渡，而且半徑應盡量大一些，以此來優(yōu)化電場分布。極柱在制作過程中，對于環(huán)氧樹脂、電力硅橡膠等固體介質，由于面積或體積大小差異對擊穿的累積效應，可導致擊穿場強有所不同，大面積或體積的擊穿場強低，因此，環(huán)氧樹脂等固體介質在包封固化前一定要通過混料設備將材料混合均勻，以此來控制場強作用的分散性。
同時，由于固體介質為非自恢復絕緣，極柱經過多次試驗電壓的作用，如果每次試驗電壓下，固體介質發(fā)生部分損傷，在累積效應以及多次試驗電壓作用下，這種部分損傷會擴大而*終導**柱擊穿。所以，可將極柱的絕緣余量應設計大一點，避免規(guī)定的試驗電壓對極柱的損傷。
另外，極柱中多種固體介質相互之間由于黏結**形成的氣隙或固體介質本身內部的氣泡，極柱在電壓作用下，由于氣隙或氣泡中場強比固體介質中高，而氣隙或氣泡的擊穿場強遠低于固體的擊穿場強。因此，這樣會在極柱的固體介質里的氣泡中存在局部放電或在氣隙中形成擊穿放電。要解決這種絕緣問題，很顯然就要從防止氣隙或氣泡的形成著手：
①可將黏結面處理成均勻的磨砂面(真空滅弧室表面)或坑洼面(硅橡膠表面)，并采用合理的黏結劑，將黏結面有效黏結。
②可采用優(yōu)良的原材料和澆注設備，保證固體介質的絕緣性。
2環(huán)氧樹脂絕緣件的試驗
一般情況下，環(huán)氧樹脂制作的絕緣件，應該做的強制性型式試驗項目有：
1外觀或X光探傷、尺寸檢測。
2環(huán)境試驗，如冷熱循環(huán)試驗、機械振動試驗和機械強度試驗等。
3絕緣試驗，如局部放電試驗、工頻耐壓試驗等。
結束語
綜上所述，在環(huán)氧樹脂絕緣被得以廣泛應用的今天，我們應從環(huán)氧樹脂絕緣件制造工藝、電力設備中電場優(yōu)化設計等方面，準確應用環(huán)氧樹脂絕緣特性，使環(huán)氧樹脂絕緣件在電力設備中應用的更加**。
