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环氧树脂绝缘件在电力设备中的应用

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【摘要】:
       介绍了环氧树脂绝缘件的的物理、力学、电气和热性能等特性参数,以及简明扼要地对制作流程做了说明,并以断路器极柱为例对环氧树脂绝缘件在电力设备应用中的击穿机理和优化方案进行了详细分析,最后对环氧树脂绝缘件试验项目进行了叙述。

       近些年,以环氧树脂为电介质的绝缘件在电力行业得到了普遍应用,比如在三相交流高压开关设备上用环氧树脂制造的套管、支撑绝缘子、触头盒、绝缘筒和极柱等,下面结合这些环氧树脂绝缘件在应用过程中出现的绝缘问题,谈一些我个人的看法。

1.环氧树脂绝缘件的制作

       环氧树脂材料内聚力大,黏附力强,柔顺性好,具有优良的热固化性能和稳定的耐化学腐蚀性等一系列在有机绝缘材料中突出的优点,可通过环氧树脂浇注体系如自动环氧压力凝胶制造工艺(APG工艺),真空浇注制成各种固体材料。所制成的环氧树脂绝缘件由于机械强度高,耐电弧性强,致密性高,表面光洁,具有较好的耐寒性和具有良好的耐热性,良好的电气绝缘性能等优点,在电力行业应用很广,主要起到支撑和绝缘作用。对于3.6~40.5 kV环氧树脂绝缘件的物理、力学、电气和热性能如下表所示。

       环氧树脂与添加物同时使用,以获得应用价值。添加物可按不同用途加以选择,常用添加物有以下几类:①固化剂。②改性剂。③填料。④稀释剂。⑤其他。其中固化剂是必不可少的添加物,无论是作黏接剂、涂料和浇注料都需添加固化剂,否则环氧树脂不能固化。由于用途、性能和要求各不相同,对环氧树脂及固化剂、改性剂、填料及稀释剂等添加物也有不同的要求。

        绝缘件在制造过程中如环氧树脂等原材料的质量、模具、装模、加热温度以及浇注压力、固化时间等都对绝缘件的成品质量有很大影响,因此,制造厂都有规范的工艺流程来保证绝缘件的质量控制。2环氧树脂绝缘件的击穿机理和优化方案环氧树脂绝缘件是一种固体介质,固体击穿场强比液体和气体介质高。固体介质击穿的特点是击穿场强与电压作用的时间有很大关系,一般来讲,作用时间t<1 s的击穿为电击穿,作用时间1 s≤t<几小时的击穿为热击穿,作用时间t≥几小时的击穿为电化学击穿。虽然这三种击穿过程是不同的,但击穿的后果都是使固体介质发生永久性破坏。我们在给开关设备做工频耐压试验时,试验电压通过调压器均匀升压过程中,上述绝缘件随主机一同承受试验电压,除了顺利升压后在规定耐受电压1 min保持期击穿的除外,当任何部位在升压过程中因绝缘薄弱导致的击穿,都是瞬时的,这样的击穿,应判定为电击穿。这种情形,在环氧树脂绝缘件上经常碰到,下面以40.5 kV真空断路器固封极柱为例对此问题展开分析。

       所谓固封极柱是指将真空灭弧室和/或导电连接及其端子用固体绝缘材料封装组成的独立部件。由于其固体绝缘材料主要是环氧树脂、电力硅橡胶和黏结剂等,依次按照固封工艺把真空灭弧室的外表面从下到上将黏结剂、电力硅橡胶及环氧树脂包封在主回路外围形成极柱。在生产过程中,极柱应保证不能造成真空灭弧室性能降低或性能丧失,其表面应平整光滑,不应有降低电气和力学性能的疏松、杂质、气泡或气孔,不应有裂纹等缺陷。尽管如此,40.5 kV固封极柱成品废品率还是比较高,加之随真空灭弧室的损坏,造成的损失让很多制造单位都为之很是头疼。究其原因,废品率主要是由于极柱不能达到绝缘要求,比如95 kV 1 min工频耐受电压绝缘试验,在试验期间绝缘内部有放电声或击穿现象。

       从高电压绝缘原理上我们知道,固体介质的电击穿过程与气体中相似,是由碰撞电离形成电子崩,当电子崩足够强时破坏介质晶格结构导致击穿。固封极柱使用的几种绝缘材料,单位厚度在击穿之前能够承受的最高电压,也就是固有击穿场强都比较高,尤其环氧树脂的Eb≈20 kV/mm。但电场的均匀程度,对固体介质的绝缘性能影响非常大。如果内部存在过强的电场,即使绝缘材料有足够的厚度和绝缘裕度,出厂时耐压试验和局部放电试验也都通过,在运行一段时间后,仍可能会频频出现绝缘击穿故障。局部电场过强的效应,就好像撕纸一样,过分集中的应力会依次施加到各作用点上,结果远小于纸张抗拉强度的作用力就能撕裂整张纸。在有机绝缘内局部过强的电场作用于绝缘材料时,会产生类似于“锥孔”效应,使绝缘材料被渐次击穿。但是,这种隐患在早期阶段不但常规的工频耐压和局部放电试验试验不能查出,而且目前还没有检测手段可以发现,只能靠制造工艺来加以保证。所以,固封极柱上下出线的边缘必须以圆弧过渡,而且半径应尽量大一些,以此来优化电场分布。极柱在制作过程中,对于环氧树脂、电力硅橡胶等固体介质,由于面积或体积大小差异对击穿的累积效应,可导致击穿场强有所不同,大面积或体积的击穿场强低,因此,环氧树脂等固体介质在包封固化前一定要通过混料设备将材料混合均匀,以此来控制场强作用的分散性。

       同时,由于固体介质为非自恢复绝缘,极柱经过多次试验电压的作用,如果每次试验电压下,固体介质发生部分损伤,在累积效应以及多次试验电压作用下,这种部分损伤会扩大而最终导致极柱击穿。所以,可将极柱的绝缘余量应设计大一点,避免规定的试验电压对极柱的损伤。

      另外,极柱中多种固体介质相互之间由于黏结不良形成的气隙或固体介质本身内部的气泡,极柱在电压作用下,由于气隙或气泡中场强比固体介质中高,而气隙或气泡的击穿场强远低于固体的击穿场强。因此,这样会在极柱的固体介质里的气泡中存在局部放电或在气隙中形成击穿放电。要解决这种绝缘问题,很显然就要从防止气隙或气泡的形成着手:

①可将黏结面处理成均匀的磨砂面(真空灭弧室表面)或坑洼面(硅橡胶表面),并采用合理的黏结剂,将黏结面有效黏结。

②可采用优良的原材料和浇注设备,保证固体介质的绝缘性。

2.环氧树脂绝缘件的试验

一般情况下,环氧树脂制作的绝缘件,应该做的强制性型式试验项目有:

1外观或X光探伤、尺寸检测。

2环境试验,如冷热循环试验、机械振动试验和机械强度试验等。

3绝缘试验,如局部放电试验、工频耐压试验等。

结束语

综上所述,在环氧树脂绝缘被得以广泛应用的今天,我们应从环氧树脂绝缘件制造工艺、电力设备中电场优化设计等方面,准确应用环氧树脂绝缘特性,使环氧树脂绝缘件在电力设备中应用的更加完美。

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