環氧樹脂特性分析及變壓器繞組澆注工藝優化措施

張軍海，彭景偉，余小平，廖冬虹，葉 彪

（廣州市一變電氣設備有限公司，廣州 511450）

0 引言

干式變壓器的局部放電是引起絕緣老化并導致擊穿的主要原因。短時間的放電不會造成整個通道的介質受損，而且放電的電解作用使絕緣加速氧化，并腐蝕絕緣，從而降低了變壓器的壽命。干式變壓器局放量嚴重超標時，其使用壽命一般在5年內出現內部絕緣老化而擊穿燒毀，運行壽命遠遠低于國家標準對變壓器規定的運行壽命，因此對干式變壓器局部放電量要嚴格控制。根據國家標準GB 1094.11-2007《電力變壓器第11 部分：干式變壓器》第22.5 款規定，干式變壓器局部放電水平的最大值為10 pC，隨著部分用戶對局放的要求越來越高，經常出現合同規定局部放電量小于或等于5 pC，目前國內變壓器廠家在澆注繞組時，凝膠階段繞組縱向溫度基本相同，即繞組軸向高度方向不存在溫度差，凝膠時繞組縱向同時釋放出大量應力，樹脂易開裂，繞組內部微量氣泡不易排出，繞組局部放電量容易增加，采用這種澆注工藝，對工藝的各個環節控制要求高，繞組的局部放電量正常可控制在5 ～10 pC，但如果工藝控制不好，局部放電量會超出國家標準規定10 pC 限值。為了進一步降低繞組的局部放電量，把局放控制在5 pC以內，有必要對環氧樹脂的特性進行分析，進一步優化繞組澆注工藝，對繞組的凝膠工藝進行改進，在配套設備上采用溫度具有倒梯度功能的凝膠固化爐，凝膠時沿繞組縱向方向溫度從下到上逐漸降低，繞組從下往上分階段凝膠，降低樹脂凝膠時釋放的應力，有效防止繞組開裂及排除繞組內部的微量氣泡，降低繞組的局部放電量，把局部放電量控制在5 pC以內。此繞組凝膠固化工藝是一種新工藝，目前還沒有廣泛應用于變壓器行業中，現國內已有部分設備廠家開始生產與此工藝配套的具有倒梯度功能的凝膠固化爐，已具備在行業內推廣的條件。

1 環氧澆注樹脂特性分析

1.1 環氧澆注樹脂的成分比例

環氧澆注樹脂一般由兩組分構成，即樹脂+固化劑，在樹脂和固化劑里面加入填料（硅微粉），以提高樹環氧澆注樹脂的機械強度和散熱能力［1]。由于填料的價格遠遠低于環氧澆注樹脂，填料含量的多少直接決定環氧澆注樹脂的價格，在滿足澆注料性能的前提下，盡量增加填料的含量，從面獲得最佳的性價比。填料含量的多少，主要考慮的因素為：浸潤性好、填料沉淀少、成本低、綜合性能好。

填料含量與澆注料性能的關系曲線如圖1 ～4所示。

圖1 填料含量與收縮率的關系

圖2 填料含量與導熱率的關系

圖3 力學性能隨填料含量變化圖

由圖可知，當填料含量為60%～65%時，綜合性能最佳，環氧澆注樹脂的機械性能、導熱性能、散熱性能更好、沉淀少、收縮率及成本更低。

圖4 填料含量與沉淀的關系

填料一般為硅微粉，普通硅微粉表面有一層很薄的親水性的基團，使用前雖經干燥處理仍不能改變其吸水的特性，與樹脂結合后顆粒表面與樹脂之間會形成一層氣膜，有很多小氣泡，這將加速絕緣件的老化和影響電性能。普通硅微粉必須經過硅烷偶聯劑的處理，其顆粒表面形成一層憎水性很強的薄膜，而這層膜與樹脂能發生化學鍵的結合，其間無氣膜產生，填料顆粒與樹脂結合的更緊密，因而其機械性能提高。

1.2 玻璃化轉變溫度（凝膠溫度）的影響

玻璃化轉變溫度是指在在加溫過程中樹脂固化劑發生一定程度交聯反應，體系粘度突然增大失去流動性，由液態變成具有彈性的凝膠狀物質的過程時的溫度［2]。不同玻璃化轉變溫度的樹脂韌性及特點如表1 所示。凝膠溫度與反應速度的關系如圖5 所示。由圖及表可知，當玻璃化轉變溫度為80 ℃時比較合理，可以使工藝時間和控制反應放熱的達到平衡，也即是說，低于80 ℃反應太慢，生產效率低，溫度太高將導致反應放熱太快，導致應力的產生［1]。

表1 不同玻璃化轉變溫度的樹脂韌性及特點

圖5 凝膠溫度與反應速度的關系

1.3 凝膠時間的長短

凝膠時間主要考慮以下幾個因素：（1）保證足夠長的可操作時間，特別是一個混料罐的情況下（希望凝膠時間長）；（2）填料的沉淀（希望凝膠時間短）；（3）后固化的時間和生產效率（希望凝膠時間短）。對預加填料體系，凝膠時間不能太長，凝膠時間太長將導致填料在凝膠階段大量沉淀，因為此時溫度高，粘度低，沉淀很快［3]。

1.4 凝膠固化后應力的釋放

在凝膠和后固化過程中，樹脂和固化劑反應，分子結構由線性分子的液態變成了體型結構的固態，由于體積的變化導致了內應力的產生。如果固化后立即取出澆注件，由于固化爐與環境溫度溫差很大，將導致這種應力的集中釋放，為了避免這種情況的產生，所以要逐漸降溫，好讓應力慢慢釋放［4]。固化完成后要冷卻到50 ℃以下才從固化爐中取出澆注繞組，既保證了應力的緩慢釋放，生產效率又不至于太低。

2 優化工藝措施

通過對環氧澆注樹脂特性的分析，優化改進后的工藝措施如下。

2.1 凝膠固化爐要有溫度倒梯度功能

凝膠固化爐下部比上部要高8 ～10 ℃，如要求凝膠爐的溫度設定為80 ℃，如果凝膠爐的下部達到85 ℃，中部80℃，上部75 ℃，這將很大程度上減少由于樹脂收縮產生的應力，防止開裂，最大限度的避免澆注料內部產生氣泡，降低線圈的局部放電量［5]。

凝膠固化爐沿高度方向下部、中部、上部的溫度最好可以進行自動設定。

2.2 線圈凝膠采用倒階梯溫度工藝

此階段的工藝過程如下：裝有環氧樹脂澆注料的線圈包封模具的底部溫度加熱到80 ℃，裝有環氧樹脂澆注料的線圈包封模具的中部溫度加熱到（80-N）℃，裝有環氧樹脂澆注料的線圈包封模具的上部溫度加熱（80-2 ×N）℃后，在此階梯溫度保溫1 ～2 h；然后裝有環氧樹脂澆注料的線圈包封模具的中部和上部升溫到80 ℃和（80-N）℃，裝有環氧樹脂澆注料的線圈包封模具的底部保持80 ℃不變，在此溫度下保溫1 ～2 h；接著裝有環氧樹脂澆注料的線圈包封模具的上部升溫到80 ℃，裝有環氧樹脂澆注料的線圈包封模具的下部和中部保持溫度80 ℃不變，此時裝有環氧樹脂澆注料的線圈包封模具的下、中、上部的溫度均為80 ℃，在此溫度下保溫6 ～8 h，以對環氧樹脂進行凝膠處理。以上N值一般取4 ～6。

以上是線圈分下部、中部、上部3 級倒階梯溫度進行凝膠工藝處理，如果變壓器容量大，線圈高度較高時，可以沿線圈高度方向分4 級倒階梯溫度進行凝膠工藝處理，其凝膠效果更好。這種凝膠方式有兩個好處：（1）在凝膠過程中，溫度越高，反應越快，產生的應力越大，應力越大越容易導致開裂，本工藝采用分段式的凝膠，這樣環氧樹脂凝膠時產生的應力也是分階段進行，能夠減少應力產生范圍，大大減少了應力的產生，有效防止了開裂；（2）線圈真空澆注后其內部存在微量空氣，一般線圈內部氣泡的流動是從下往上流動的，由于裝有環氧樹脂澆注料的線圈凝膠從下至上的階梯溫度依次降低，此時環氧樹脂的凝膠按線圈高度方向從下往上的先后次序進行，線圈內部氣泡會一般是從下往上進行移動，此工藝有利于氣泡向上排出，這樣可以大大減少線圈的局部放電量，增加線圈的運行壽命。

2.3 不同容量大小的線圈采用不同的凝膠固化工藝

凝膠階段應在較低的溫度下有足夠的反應時間，使反應熱在較低的溫度下平緩地釋放，而不是在較高溫度下劇烈釋放。開裂是由應力產生的，而應力與反應的放熱量有關，而放熱量與樹脂固化劑的量直線相關。在澆注大的變壓器線圈時，可以適當降低凝膠反應的溫度并延長凝膠反應的時間。如常規容量的變壓器建議的凝膠溫度為80 ℃，6 ～8 h，此時線圈的溫度沿線圈軸向分3個溫度區進行凝膠，溫度沿線圈軸向由下往上遞減。而澆注大容量的變壓器時可以考慮75 ℃，8 ～10 h，此時線圈的溫度沿線圈軸向分4 ～5個溫度區進行凝膠，溫度沿線圈軸向由下往上遞減。分階段固化對減少應力防止開裂也是好的辦法。對常規容量的變壓器線圈建議分3 階段凝膠固化，80 ℃，100 ℃和130 ℃［6]，對大容量變壓器線圈可以增加一個固化溫度段，如75 ℃/ 8 ～10h + 90 ℃/3 ～5 h+110 ℃/ 3 ～5 h + 130 ℃/ 6 ～8 h［7]。

2.4 線圈凸臺區域增加玻璃網格和玻璃短切氈

線圈凸臺區域相比模具其他區域空間大，需要的樹脂量多，反應產生的熱量大，應力大，因而是最容易開裂的地方。選擇合適的填充材料用于填充該區域［8]。如網格布和玻璃短切氈。在凸臺區域每隔2 ～3 cm 放一塊網格布是防止開裂的有效方法。

2.5 緩慢釋放環氧樹脂的內部應力

固化完成后緩慢降溫并盡可能降至當時的室溫；特別在冬天時，因為室溫低，如果此時開爐過早，溫差導致的應力會很大。

2.6 線圈的澆注模具盡量避免尖角毛刺

模具轉角部分采用圓角過渡，圓角半徑不小于R5，從而避免樹脂在轉角部分應力集中釋放引起開裂［9]。

2.7 線圈選擇合適的出爐溫度

凝膠固化完成后線圈應在爐內緩慢降溫并盡可能降至室溫出爐。特別在冬天時，因為室溫低，如果此時開爐過早，溫差導致的應力會很大，容易引起線圈開裂。

2.8 線圈在脫模時，用力要適度

線圈在凝膠固化完成后進行脫模時如果施加的力太猛，容易引起線圈開裂，造成線圈局部放電量加大。

2.9 線圈繞線時，繞線模上的脫模劑要均勻適量

如果使用了太多的脫模劑，脫模劑滲透到玻纖中，造成樹脂無法滲透到玻纖中去，引起局部放電量加大。

2.10 線圈繞線時，線圈內、外層的玻纖帶采用稀繞

如果玻纖帶采用密繞，環氧樹脂不容易浸透到線圈的層間和段間，從而引起局部放電量加大。

3 試制結果與分析

實際生產過程中，在夏季和冬季分別對同一套圖紙同一規格的SCB11-2000/10變壓器繞組用傳統澆注工藝和優化改進工藝進行了試制，其局部放電量指標如表2所示。

表2 傳統工藝與優化改進工藝繞組性能指標對照表

通過實測值比較，可以看出采用優化改進凝膠固化工藝的繞組，局部放電量可以降低5 pC以上，繞組的電氣性能顯著提高，增加了變壓器的使用壽命。

4 結束語

傳統繞組澆注的凝膠固化工藝目前廣泛應用于變壓器行業，由于其使用的凝膠固化爐不具備溫度倒梯度功能，設備的溫度控制系統相對簡單，設備造價低，該工藝具有一定的成本優勢，但缺點是繞組的局部放電量控制在5 ～10 pC，且工藝控制的各個環節要求嚴格。優化后的繞組澆注凝膠固化工藝與傳統工藝對比，具有一些明顯優點，比如：凝膠時繞組縱向方向溫度分階梯控制，凝膠時樹脂釋放的應力低，內部微量氣泡易排除，繞組不易開裂等，凝膠固化后的繞組局部放電量可控制在5 pC 以內，大大提高了繞組的運行壽命。當然，對于新工藝的使用，也有很多方面要不斷探索：對凝膠固化爐沿高度方向上階梯控制的溫度精度要求高，精度誤差要求控制在規定值的±1 ℃；由于目前具備溫度倒梯度功能的凝膠固化爐需求較小，設備成本較高；繞組在凝膠階段的時間比傳統工藝長2 ～3 h。

傳統繞組澆注的凝膠固化工藝雖然能滿足目前國家標準對局部放電量的要求，但隨著用戶對局放要求越來越高，采用優化后的凝膠固化工藝會越來越多。相信隨著凝膠固化爐的成本及溫度控制精度的進一步提高，優化后的凝膠固化工藝會得到更多變壓器廠家的支持和運用。