環氧澆注設備對環氧澆注絕緣件質量的影響分析

王光明 牛建鴻 關 文 孫建祥

西安西電高壓開關有限責任公司 西安 710018

1 分析背景

在電力工業中,氣體絕緣金屬封閉開關設備將變電站中除變壓器以外的一次設備,包括斷路器、隔離開關、接地開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、電纜終端、進出線套管等,通過優化設計有機地組合成整體。環氧澆注絕緣件是氣體絕緣金屬封閉開關設備中的關鍵絕緣件,主要起將高電壓大電流導體與罐體進行支撐、隔離、固定等絕緣作用,其質量直接影響氣體絕緣金屬封閉開關設備的正常運行。

對環氧澆注設備而言,設備正常運行方可確保環氧澆注絕緣件的生產完全按照工藝規程執行,特別是各原材料嚴格按工藝配方添加,環氧樹脂、固化劑、填料等原材料嚴格按工藝文件規定的真空度、溫度、時間進行處理,這樣才能使絕緣子、絕緣支持臺、絕緣套管等環氧澆注絕緣件不僅具備優良的絕緣性能,而且具有可靠的機械性能和耐六氟化硫氣體腐蝕性能。可見,環氧澆注設備的質量及性能對環氧澆注絕緣件有直接影響。

筆者研究分析環氧澆注設備對氣體絕緣金屬封閉開關設備環氧澆注絕緣件的影響,確定不同環氧澆注設備的優劣。

2 環氧澆注設備制造廠商

環氧澆注設備可以分為進口設備、國產設備。在早期,國產環氧澆注設備主要由研究所與廠家聯合設計制造,采用部分真空處理、加料人工計量、常壓澆注。隨著國外先進技術的引入,以及各廠家、研究所、學校的技術攻關,國產環氧澆注設備發展為如今的全過程真空處理、計算機自動加料計量、真空澆注。現階段,國產環氧澆注設備性能與進口環氧澆注設備已較為接近,成本則逐漸降低。

進口環氧澆注設備的制造廠家以海德里希和旭百世為代表。長期以來,進口環氧澆注設備在性能控制、人性化操作、制造細節等方面都高于國產環氧澆注設備。

主要進口和國產環氧澆注設備如圖1所示。

圖1 主要環氧澆注設備

對于環氧澆注絕緣件生產廠家而言,選用進口環氧澆注設備還是國產環氧澆注設備,需要綜合考慮企業定位和設備選型。選用進口環氧澆注設備,能夠保證環氧澆注絕緣件產品質量和工藝過程穩定可靠,但易耗品、特殊損壞部件備置的價格為國產環氧澆注設備的5～10倍,會顯著增加廠家負擔。當設備突發故障,又暫時無法得到替換件時,還會嚴重影響廠家生產。相對而言,國產環氧澆注設備現階段質量已經基本穩定可靠,易耗品和特殊損壞部件的備置壓力較小,且價格顯著低于進口環氧澆注設備。

3 環氧澆注設備組成與分類

環氧澆注工藝流程如圖2所示。環氧澆注設備根據工藝流程要求,對各種原材料進行處理。基于原材料處理,可以將環氧澆注設備分為原材料預處理部分、原材料預混合部分、原材料終混合部分、混合料澆注部分。基于控制對象,可以將環氧澆注設備分為質量計量控制部分、溫度加熱控制部分、真空度控制部分、運行時間控制部分。此外,基于特殊控制對象,環氧澆注設備還可以分為放射區域控制部分、升降梯設施控制部分。按不同的混料處理方式,環氧澆注設備分為薄膜脫氣混合環氧澆注設備、靜態混料器混合環氧澆注設備。按不同的加料方式,環氧澆注設備分為全自動加料環氧澆注設備、半自動加料環氧澆注設備。

圖2 環氧澆注工藝流程

4 混料處理方式

按照不同的混料處理方式,環氧澆注設備可以分為薄膜脫氣混合環氧澆注設備和靜態混料器混合環氧澆注設備,兩者分別以海德里希和旭百世產品為代表。這兩類環氧澆注設備使用已有二三十年,各有優缺點。

在環氧澆注絕緣件生產過程中,各廠家對原料處理極其重視,這是因為環氧澆注絕緣件的電性能和機械性能要求極高。氣體絕緣金屬封閉開關設備中,絕緣介質六氟化硫氣體水分含量要求控制在10-6級別以下。薄膜脫氣混合原理如圖3所示。環氧澆注設備可以在真空情況下,通過螺旋提升器將環氧物料提升到攪拌罐中的傘型面,形成薄膜狀物料。薄膜狀物料中存在的微量水分在傘型面上由真空氣化去除。若使用靜態混料器混合環氧澆注設備,則在去除環氧物料微量水分方面處于劣勢。

圖3 薄膜脫氣混合原理

靜態混料器如圖4所示。理論上環氧物料經過靜態混料器后,可以達到213混合次數,物料應完全混合均勻。使用靜態混料器混合環氧澆注設備,優點為占地面積小,設備緊湊,設備能源消耗低,避免混料罐清洗問題及由此引發的環氧澆注絕緣件含雜質等缺陷。靜態混料器混合環氧澆注設備使用過程中,必須嚴格注意監視控制靜態混料器前側計量泵是否正常輸送環氧物料,避免計量泵內沒有環氧物料,進行虛空加料循環,或者計量泵磨損造成澆注料配比失常,引起環氧澆注絕緣件未固化、報廢。未固化環氧澆注絕緣件如圖5所示。

5 原料預處理

環氧樹脂常溫下為固態樹脂,加熱后方可熔化為液體形態,熔點范圍為35～60 ℃。環氧樹脂加入固體粉狀填料、環氧固化劑后,混合物料的處理溫度一般為120～140 ℃。需要考慮環氧樹脂熔化罐、填料干燥處理罐、固化劑加熱熔化罐三者之間溫度的適配性,以及真空度等工藝參數的設定,避免參數超限對環氧澆注設備的控制及后期的維護造成影響。尤其需要注意,在全自動加料過程中,由于各處理罐的真空度要求不同,對澆注物料的計量誤差相互累計,進而對澆注整體配方產生影響,降低環氧澆注絕緣件的質量。計量系統需要足夠重視,在設備安裝調試階段,工藝技術人員必須現場參與確認計量系統能否滿足計量精度要求。

圖4 靜態混料器

圖5 未固化環氧澆注絕緣件

環氧樹脂熔化罐到預混罐之間的管道中,控制閥門包括用于自動加料控制的氣動閥門、電磁閥門等,需要加裝加熱帶,或采取夾層循環加熱油加熱方式,同時對不同部位加裝溫度測試裝置,確保可以隨時巡檢相關管道及主要控制閥的實際溫度,避免局部加熱溫度過高導致環氧樹脂碳化,形成發黑結晶。結晶會脫落進入預混罐,進而進入環氧澆注絕緣件,使環氧澆注絕緣件形成缺陷,引起環氧澆注絕緣件報廢。

對于環氧樹脂熔化罐、預混罐、終混罐、澆注罐,相互之間需要保證對應的高度落差,以方便環氧樹脂及混合物料順利進入下一級罐內。需要對環氧澆注絕緣件生產總量、生產能力進行正確預估,保證環氧樹脂熔化罐所熔化的環氧樹脂足夠供當日澆注。

使用固態酸酐作為固化劑時,需要考慮固態酸酐的熔化溫度。固態酸酐容易升華,升華后會在溫度較低的罐蓋、連接固化劑罐的管道內冷卻,形成固體粉狀、針狀結晶,堵塞管道,影響設備運行。

環氧澆注用填料在生產時,為保證性能,進行了特定工藝研磨,同時添加表面活性劑進行活化處理。環氧澆注用填料中的微量水分需要在混料前去除。在填料干燥處理罐內,通過加熱、真空處理,去除微量水分,加熱溫度需合理,避免在預混時由于環氧澆注用填料溫度過低,降低混合物料的溫度。填料干燥處理罐必須具有特殊的攪拌能力和耐磨能力。攪拌能力不足,則無法滿足攪拌要求。耐磨能力不足,則罐壁材料可能磨損進入環氧澆注用填料,引起環氧澆注絕緣件污染。

6 計量系統

環氧澆注設備所使用的計量系統可以分為兩類。第一類使用計量泵計量技術,通過計量泵定額體積進行物料充填,每次沖程輸送定額體積的物料,經多次小沖程輸送,達到計量規定的質量。第二類采用傳感器計量混料罐質量,在傳感器計量接近目標質量時,通過二次信號,控制物料下料閥打開或關閉,進而達到計量規定的質量。

采用第一類計量系統,一般使用耐磨陶瓷缸作為計量泵內襯,以四氟材料作為計量泵密封材料,便于在真空、高溫條件下對混合物料進行各次沖程,輸送定額體積的混合物料進入下一級罐內。混合物料溫度處于120～150 ℃之間,計量泵正常工作時,泵體必須與混合物料保持溫度平衡。若泵體溫度低于混合物料溫度,則混合物料黏度會急劇上升,對計量系統相關組成元件造成破壞,包括密封圈破損,壓力表爆表,球閥四氟墊磨損,陶瓷缸磨損,導向鑄鐵環磨損等,需要引起足夠重視。

采用第二類計量系統,需要對傳感器進行定期校驗,確保其計量精度符合工藝要求,避免由于傳感器精度降低造成加料配比不準確。對控制閥門需要及時進行檢查維護,避免閥門附近物料粘附、固化,影響閥門關閉,造成物料滲漏,或發生閥門使用時無法打開的故障。

7 真空處理系統

環氧澆注設備中,真空處理系統包括用于原材料的真空處理系統、用于預混罐的真空處理系統、用于終混罐的真空處理系統、用于澆注罐的真空處理系統。上述真空處理系統各有不同的工況處理要求,需要根據工藝參數及環氧澆注絕緣件的生產能力,在工藝布局初期對上述真空處理系統進行規劃,并與設備制造廠家溝通協商。

對于用于原材料的真空處理系統,結合工藝特點設計不同的過濾器結構。如果所用環氧樹脂、固化劑在環氧澆注設備外配置的烘箱中進行加熱預烘,然后通過真空負壓吸入環氧澆注設備中,那么僅用一套用于原材料的真空處理系統即可滿足處理要求,或者與預混罐共同使用一套真空處理系統,也可以滿足最低要求。如果在環氧澆注設備上熔化環氧樹脂、固化劑、填料等,那么需要單獨設置一套用于原材料的真空處理系統,并且考慮在環氧樹脂熔化罐、固化劑加熱熔化罐、填料干燥處理罐與真空處理系統間配套設置不同結構的過濾器,以避免粉塵顆粒、小分子氣溶膠等進入真空處理系統,造成真空泵磨損或污染。

對于用于預混罐的真空處理系統,主要為環氧樹脂加填料、固化劑加填料體系,或環氧樹脂加填料、單獨固化劑體系。針對這兩種體系,配套對應的真空處理系統,同時需要配套不同的過濾器結構。

對于用于終混罐的真空處理系統,與用于預混罐的真空處理系統差異不大。配套薄膜脫氣混合環氧澆注設備時,需要使脫氣效率滿足工藝要求。

對于用于澆注罐的真空處理系統,澆注大型環氧澆注絕緣件時,需要配置大功率真空處理系統,滿足澆注時抽真空及澆注后抽真空保壓的工藝要求。若對小型澆注罐使用大功率真空處理系統,則造成設備浪費。若對大型澆注罐使用小功率真空處理系統,則會延長抽真空時間,降低效率。配置多套環氧澆注設備時,所選用的真空處理系統型號盡可能統一,確保備件少型號、多數量配備,節約資金。

真空處理不當會引發環氧澆注絕緣件表面氣泡缺陷,如圖6所示。

8 澆注系統

澆注設備所配備的澆注系統,包括澆注下料控制閥、澆注落料頭回轉控制裝置、澆注罐中模具小車左右移動控制開關等組件。每次澆注前,建議在澆注落料頭上手工加一層過濾網,過濾由于各種原因產生的碳化結晶、固化物料顆粒、雜質等,作為環氧澆注絕緣件質量的輔助保障。在實際使用中發生放電擊穿故障的氣體絕緣金屬封閉開關設備如圖7所示,返廠后解體的環氧澆注絕緣子如圖8所示。經分析,氣體絕緣金屬封閉開關設備放電擊穿的原因是環氧澆注絕緣子存在雜質。

圖6 環氧澆注絕緣件表面氣泡缺陷

圖7 放電擊穿的氣體絕緣金屬封閉開關設備

圖8 返廠后解體的環氧澆注絕緣子

對于靜態混料器混合環氧澆注設備,澆注前隨爐及時檢測澆注物料的黏度、密度,以便判斷靜態混料器是否能夠穩定可靠運行,確保環氧澆注絕緣件的質量。

9 控制軟件

現階段,環氧澆注設備均采用工控機,控制加料、加熱、抽真空、運行時間等。通過控制軟件設置溫度、真空度、質量計量、運行時間等一系列參數,經過測試,得到環氧澆注設備實時溫度、真空度、物料質量等數據,并與所設置的參數進行對比。在實時數據接近設置參數時,逐漸降低加熱功率,減小真空處理系統輸出,關閉下料控制閥,使環氧澆注設備達到工藝參數要求。

采用優良的控制程序,可以保證工藝參數正確執行,環氧澆注設備可靠運行。若環氧澆注設備一直進行加熱,在加熱時間超出設置值后,環氧澆注設備會自動停止,或降低加熱功率,同時發出報警信號,提醒操作人員進行檢查確認,判斷設備是否發生局部過熱或其它故障。在夜間預混罐需要連續運行時,通過控制程序實現間歇性攪拌,防止填料沉降,同時進行間歇性加熱,適當降低物料溫度,避免物料高溫老化。針對填料處理系統,通過控制程序保證填料在夜間加熱處理后,第二日干燥可使用。預混罐添加填料后,通過控制程序實現真空處理系統延時啟動,使填料粉塵飄落到環氧樹脂或固化劑中,避免填料隨氣流進入真空處理系統。

控制軟件可以自動定時記錄環氧澆注設備運行時的溫度、真空度、物料質量、運行時間等參數,并保存入相應文件,限制人為改動,以備后續發生問題時能夠查驗運行參數,分析問題原因。通過以上參數,還可以分析環氧澆注設備最短無故障運行時間,為易損件試用周期及設備制造廠家改進性能提供數據支持。

10 日常管理

環氧澆注設備必須配備專業維護人員,維護人員每日進行巡視、巡檢,監督操作人員嚴格按操作規程進行操作,嚴禁不具備操作資質的人員進行操作。環氧澆注設備達到規定運行周期后,維護人員對環氧澆注設備進行保養,更換使用壽命即將到期的配件,如O形密封圈、四氟密封墊等。維護人員還需要定期養護真空硅管,定期校驗測溫元件,保證環氧澆注設備正常運行,避免發生停機故障。

11 機械與電氣損壞

在裝配氣體絕緣金屬封閉開關設備時,單相環氧澆注絕緣子開裂如圖9所示。裝配氣體絕緣金屬封閉開關設備出廠試驗時放電擊穿的環氧澆注絕緣子如圖10所示。在裝配中環氧澆注絕緣子發生開裂,說明物料不能滿足要求,存在缺陷。環氧澆注絕緣子在氣體絕緣金屬封閉開關設備出廠試驗中放電擊穿,說明環氧樹脂中存在導電性雜質或顆粒,對此需要嚴格檢查工藝流程,確認問題源頭。查明后在廠家內部存檔記錄,避免日后類似問題發生。

圖9 裝配時開裂的環氧澆注絕緣子

圖10 出廠試驗時放電擊穿的環氧澆注絕緣子

12 結束語

筆者分析了環氧澆注設備對環氧澆注絕緣件質量的影響。廠家選用環氧澆注設備時,需要根據需求、工藝,考慮混料處理方式、原料預處理、計量系統、真空處理系統、澆注系統、控制軟件對生產環氧澆注絕緣件的影響,選擇合適的環氧澆注設備。使用環氧澆注設備的廠家,應配備專業維護人員,定期維護環氧澆注設備,避免發生故障。