交互式絕緣材料導熱系數測定

周秋松++丁樹業++崔廣慧++鄧艷秋++蔣山

摘要：為了精確測量電磁機械裝置內非標準固體絕緣材料的導熱系數，基于穩態熱流法原理搭建固體材料導熱系數測試平臺，對非標準絕緣絕緣材料樣品的導熱系數進行了系統測量，通過研究能夠有效解決交互式固體絕緣材料導熱系數測量問題.為測量非標準固體絕緣材料導熱系數的測定奠定了理論基礎.

關鍵詞：穩態熱流法；非標準絕緣樣品；導熱系數；交互式法

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.006

中圖分類號：TM215.1

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）04-0030-04

0 引言

隨著能源問題的突出和現代工業的迅猛發展，當今社會越來越意識到熱物性學研究的重要性.把如何迅速、精確地確定物質熱物性數據作為熱物性學的基本任務，當然也就顯得尤為重要，作為經典的熱物性測試方法的穩態熱流法有測試原理簡單、測定范圍廣等優點.在許多電力設備中，絕緣材料作為其重要組成部分，其導熱性能直接影響電力設備的溫度分布、最高溫升乃至設備的壽命，因此研究絕緣材料的導熱性能對于電力行業具有非常重要的理論價值和實際工程意義.

在電機、變壓器和電抗器等電力設備的設計和研發階段，各種絕緣材料的導熱系數是必不可少的參數，所以能夠準確測量絕緣材料的導熱系數顯得至關重要.為了縮短開發周期提高設計精度，精準、快速地測量電力設備中絕緣材料的導熱系數迫在眉睫.基于穩態熱流法的測量原理，本文以干式電抗器內常用的A類絕緣材料為例，利用導熱儀測量其導熱系數.受于導熱儀對測量樣品尺寸規則的局限性，針對電機內絕緣材料結構不一且難于取材制樣的特點，提出了新方法——交互式絕緣材料導熱系數的測量，提供更加經濟便捷的測試技術，來獲取尺寸非標準絕緣材料的導熱系數，為電力設備的溫度場數值計算以及設計開發提供保證.

1 固體材料導熱系數測量方法

由傳熱學理論可知，由于溫度不平衡的原因，導致物體內存在溫差，因而熱能不均勻分布.物體內粒子在沒有宏觀位移的情況下，熱量從高溫部位傳到低溫部位，盡管沒有物質轉移也存在熱量傳遞現象，我們把借助物質微觀粒子的無序運動的熱傳遞現象稱為熱傳導，導熱系數就是用來表征物質熱傳導性能的物理量.

1.1 穩態熱流法的測量原理

該測試系統由上下加熱板、熱流計、絕熱板等主要部件組成，通過控制絕熱板的溫度，減少沿試樣側面的雜散熱耗，使通過試樣有效傳熱面積的熱量基本上為一維穩態熱流.

由于樣品的直徑遠大于其厚度，可看作為無限大平行板，所以忽略了試樣圓盤側面的散熱而產生的影響，近似為熱流線平行，因此熱量傳導方向為有下至上的垂直方向，如圖1所示，

導熱系數是指在穩態條件下，通過垂直于熱流線的單位溫度梯度、單位截面面積下的熱流量，絕緣性能優良的材料通常導熱系數較低，導熱系數中低的材料一般使用Fourier方程所描述的穩態法測試，即式中：λ為導熱系數；S為垂直于熱流線的試樣截面面積；T₁為熱板溫度，T₂為冷板溫度，T₁-T₂為試樣上下表面溫度差；d為試樣的厚度，△Q為垂直平板方向傳遞的熱量，稱為熱流量，

其中：通過導熱儀已將熱板溫度T₁、冷板溫度T₂設定，因此試樣上下表面溫度差T₁-T₂為已知條件；試樣的厚度d、截面面積S也已預先測定；熱流量Q可通過功率方程P=KQ（K=l）算出則導熱系數單位變為W/（K.m），導熱方程為：

高溫導熱儀測試時要求測試樣品為規則圓柱體，直徑100mm，厚度在5mm左右，精確度要求較高，自身對絕緣材料形狀的有約束性，其實驗設備如圖2所示：

下面給出實驗測得標準圓柱體形狀絕緣材料墊塊和鐵餅外環氧的導熱系數，如圖3和表l所示.從誤差計算中可知，已選材料的數據因測量次數太少而誤差較大，為了在現有的測量數據上得出較精確的實驗結果，故采用去掉數值最大和最小的兩個數據，其他數據取平均值的方法，采用此方法得到的結果為：墊塊材料的平均導熱系數是0.641W/（K·m）；鐵餅外環氧的平均導熱系數是0.531W/（K·m）.

本研究利用混合材料等效導熱系數計算公式，測定結構非標準絕緣材料的導熱系數測.因此提出了基于穩態熱流法導熱儀測定非標準樣品導熱系數的方法以及實驗數據修正方案，這在工程應用中是一種全新方法.

2 交互式絕緣材料導熱系數測定

對于結構形狀非標準的測試樣品，如電機內的主絕緣、層絕緣、匝間絕緣等，其材料結構尺寸非標準形，其中的組分也不是單一材料，難以制作成規則試樣，直接利用實驗設備測量導熱系數，需要采用一定方法來解決，這時需要本實驗創新性，采用已知絕緣材料將待測材料緊密包裹成標準圓柱體形狀，兩種材料的厚度均是統一，并且所有材料的面積均容易測得，通過導熱儀測得混合樣品的等效導熱系數λ_eq，再導出結構尺寸非標準絕緣材料的導熱系數.

2.1 實驗材料

本實驗主要為了測定結構尺寸非標準絕緣材料墊塊及鐵餅外環氧的導熱系數，它們屬于E級絕緣，最高工作溫度為120℃.取兩個非標準絕緣試樣（60mm×60mm的正方塊），用已知導熱系數絕緣材料做模具，使其組合成標準試樣——交互式混合絕緣材料（已刪除如圖3所示）：（a）內墊塊外鐵餅外環氧和（b）外墊塊內鐵餅外環氧，各3塊，測試絕緣材料樣品正反面以A、B之分，分別記為外鐵內墊A面、外鐵內墊B面及外墊內鐵A面、外墊內鐵B面，如圖4所示：

2.2 實驗內容

導熱儀可以直接測得整塊模板的等效導熱系λ_eq由于模具的導熱系數已經單獨制作標準測試樣品測得，厚度為標準值，各部分面積可測得，因此求出結構尺寸非標準絕緣材料的導熱系數計算公式如（3）所示：式中：λ₁為已知材料的導熱系數；s₁為已知材料的橫截面積；λ_x為待測材料的導熱系數；s_x為待測材料的面積；d為整個樣品的厚度；λ_eq為整塊材料的等效導熱系數，

利用導熱儀對兩交互式混合材料正反面導熱系數進行多次測量，并取均值，如表2所示：

由于本研究采用的是間接測量方法，在準確度和精度上要低于傳統的測量方法，但是精度已足以達到工程需要.為了驗證測量的準確性，基于Fluent有限體積法工程軟件對實驗過程進行數值仿真，一方面驗證實驗的準確性，另一方面與工程實際相結合，提出導熱系數在電氣工程領域設計開發階段的實用價值.

3 實驗結果及誤差分析

通過將已知條件帶入公式（3）多次求得結構非標準絕緣材料的導熱系數計算值，并與實驗值進行對比，如表3所示：造成測量誤差的的可能原因主要有以下幾點：1）實驗設備：即使是同一塊材料在相同條件下測相同時間，所得結果也會有所不同，測試中出現結果與其他數據相差較大的，采取重新測量辦法以減小誤差；

2）由于實驗設備對實驗材料尺寸要求很高，必須是直徑100mm的圓柱體，人為加工材料很難做到精確，稍微大些便會出現放不進去測試爐的情況，為了能放進測試爐就需將樣品切削稍微小于100mm，這會產生誤差，該誤差已由數據處理減小；

3）實驗材料的厚度對實驗結果也有影響，由于材料厚度不均，很難測得準確厚度，產生誤差，實驗過程中采用多次測量取平均值法減小誤差；另外，待測樣品與已知絕緣系數樣品有厚度差，使其混合體在厚度上不連續，多次測量取平均值減少誤差；

4）實驗材料有彎曲現象，有明顯凹凸面，不是標準柱體，這可能導致傳熱不均引起誤差，實驗過程中每個混合樣品正反兩面各測一次，最后取平均值以減小該誤差；

5）對于交互式材料在銜接處有空隙，因此使用精密儀器盡量細加工材料，使兩者最大程度吻合在一起以減少誤差.

通過本次試驗利用交互式絕緣材料導熱系數測定的方法，來測得結構形狀非標準絕緣材料的導熱系數，經驗證在誤差允許范圍內測量值與真實值基本吻合，該方法的可靠實用性.

4 結論

本文基于穩態熱流法原理，對結構形狀非標準同體絕緣材料的導熱系數進行了交互式測定，主要得到如下結淪：

1）穩態熱流法能夠有效地解決交互式固體絕緣材料導熱系數的測定問題；

2）采用交互式固體絕緣材料導熱系數測量，測定結果是采用了等效公式法，其相對誤差在允許范圍之內，實驗值與計算值相對吻合，有效滿足工程實際需求.