樹(shù)脂澆注互感器的防開(kāi)裂措施及緩沖設(shè)計(jì)

宋仁豐 管永秋 高琦

摘 要 互感器內(nèi)部樹(shù)脂的開(kāi)裂是導(dǎo)致產(chǎn)品不合格的一個(gè)主要因素，一些細(xì)小的裂紋是用各種手段無(wú)法檢測(cè)到的，他會(huì)直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。導(dǎo)致這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是因?yàn)闃?shù)脂在固化的時(shí)候受應(yīng)力的影響。本文通過(guò)科學(xué)的計(jì)算，在產(chǎn)品內(nèi)部增加了各種緩沖設(shè)計(jì)，從而解決了應(yīng)力的問(wèn)題，從根本上解決開(kāi)裂問(wèn)題，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐運(yùn)行，達(dá)到預(yù)想效果，對(duì)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力提升貢獻(xiàn)了足夠的力量。

關(guān)鍵詞 固化 內(nèi)應(yīng)力 收縮 緩沖 計(jì)算

中圖分類號(hào)：TH87 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）08-0005-03

1 概述

目前國(guó)內(nèi)澆注式互感器基本選用環(huán)氧樹(shù)脂和不飽和樹(shù)脂，樹(shù)脂在固化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的縮比，通常不飽和樹(shù)脂的固化收縮率大于環(huán)氧樹(shù)脂的固化收縮率，樹(shù)脂混合膠固化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定應(yīng)力，在應(yīng)力作用下，互感器內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象;若樹(shù)脂固化的收縮應(yīng)力作用到鐵心上，將使鐵心導(dǎo)磁性下降，影響產(chǎn)品誤差或勵(lì)磁性能。

互感器的器身是由一次繞組、二次繞組及其它金屬構(gòu)件組成的，考慮產(chǎn)品運(yùn)行發(fā)熱，尤其是短路狀態(tài)下突然升至高溫膨脹。為了減小澆注式互感器固化過(guò)程中的收縮應(yīng)力及運(yùn)行時(shí)溫度變化引起的應(yīng)力，在互感器設(shè)計(jì)時(shí)，需在器身和澆注絕緣之間加緩沖層。

2 樹(shù)脂澆注互感器的內(nèi)應(yīng)力計(jì)算及開(kāi)裂原因

澆注件中的內(nèi)應(yīng)力可按材料力學(xué)基本公式（應(yīng)力=形變X模量）進(jìn)行計(jì)算和分析：

σ內(nèi)——內(nèi)應(yīng)力。

ΔLS——樹(shù)脂固化收縮時(shí)形變量。

ΔLα——樹(shù)脂與內(nèi)部制件線膨脹系數(shù)之間差異產(chǎn)生的形變量。

Er——樹(shù)脂彈性模量。

ak——樹(shù)脂線膨脹系數(shù)。

as——樹(shù)脂內(nèi)部制件膨脹系數(shù)。

T2——樹(shù)脂固化反應(yīng)時(shí)溫度。

T1——最低使用或試驗(yàn)溫度。

澆注式互感器的一、二次繞組、鐵心、金屬支承件等的收縮系數(shù)均與樹(shù)脂混合料的收縮系數(shù)不同，有些材料幾乎差一個(gè)數(shù)量級(jí)，在樹(shù)脂澆注及固化過(guò)程中，經(jīng)過(guò)加熱——樹(shù)脂混合料反應(yīng)放熱——固化——冷卻過(guò)程。在熱狀態(tài)下，由于強(qiáng)烈的交聯(lián)，樹(shù)脂混合料會(huì)放出更多的熱量，在澆注體冷卻到常溫的過(guò)程中，加劇了制件的膨脹、收縮，在澆注件內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，這些內(nèi)應(yīng)力的存在是導(dǎo)致澆注件開(kāi)裂的根本原因，特別是尺寸較大的澆注互感器，由于體積較大，產(chǎn)品收縮不均勻，輕則在制件內(nèi)產(chǎn)生輕微缺陷，或不規(guī)則輕微裂紋，輕微裂紋會(huì)給互感器造成隱患，導(dǎo)致互感器局部放電量超標(biāo);重則會(huì)在澆注件冷卻后的一段時(shí)間里直接產(chǎn)生貫通性開(kāi)裂，這種開(kāi)裂導(dǎo)致絕緣破壞，工頻耐壓擊穿，使整臺(tái)產(chǎn)品報(bào)廢[1]。

從公式（1）看澆注互感器內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生主要有5方面原因：

1.樹(shù)脂固化收縮形變量ΔLS 引起的內(nèi)應(yīng)力。

2.樹(shù)脂與內(nèi)部制件線膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力ΔLα Er，表現(xiàn)為澆注體在冷熱循環(huán)、短時(shí)熱電流試驗(yàn)、長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)發(fā)熱產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

3.樹(shù)脂配方體系彈性差，樹(shù)脂模量Er大，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力大。

4.澆注體尺寸越大，樹(shù)脂層的厚度尺寸差異越大，ΔLS和ΔLα值差異越大，產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力越大。

5.樹(shù)脂耐熱性差，在高溫或低溫條件下喪失彈性和機(jī)械強(qiáng)度。使Er發(fā)生變化導(dǎo)致應(yīng)力變化。

3 澆注互感器從澆注材料及固化工藝方面采取的防開(kāi)裂措施

澆注互感器從選擇材料及澆注固化工藝采取的防開(kāi)裂措施，其目的均為使?jié)沧Ⅲw產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力盡量小或盡量被吸收，從而提高澆注體的耐開(kāi)裂性。

3.1 澆注材料選擇

澆注體固化收縮與多種因素有關(guān)，要取得高質(zhì)量的澆注體，要有針對(duì)性地選擇放熱量低、韌性好，能消除或緩解混合料應(yīng)力的配方或有關(guān)材料。

1.選擇放熱量低的樹(shù)脂或固化劑，保證澆注件在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)仍有彈性。

2.提高樹(shù)脂填料比例。填料的作用除提高澆注件的耐熱性、耐寒性、耐磨性和導(dǎo)熱性外，降低澆注件的收縮率和熱膨脹系數(shù)，減少樹(shù)脂混合料與內(nèi)部制件熱膨脹系數(shù)差異。樹(shù)脂粘度一定的情況下多加入填料，穩(wěn)定混合料的熱固性收縮。防止大粒度硅微粉形成沉淀。

3.使用線膨脹系數(shù)小的填料，如熔球形硅微粉，或成本較低的天然亞球形硅微粉，其線膨脹系數(shù)較小。

4.采用“海島結(jié)構(gòu)”的新型增韌劑材料，使材料的斷裂韌性增大，提高樹(shù)脂混合料的斷裂韌性，降低彈性模量。

5.適當(dāng)加入增韌劑量或活性增韌劑。但過(guò)多加入會(huì)影響材料耐熱性能。

3.2 固化溫度的控制

1.樹(shù)脂混合料通過(guò)溫度控制固化速度，較低溫度下進(jìn)爐預(yù)膠化，通過(guò)階梯升溫再固化。

2.控制冷卻速度。澆注體經(jīng)固化、熟化反應(yīng)后緩慢冷卻。

4 互感器內(nèi)部構(gòu)件的形狀要設(shè)計(jì)成分散應(yīng)力的尺寸形狀

澆注體內(nèi)的一次繞組、二次繞組及定位支架等構(gòu)件的形狀最好設(shè)計(jì)成圓弧形狀，內(nèi)制件尖角、銳棱都要加工成圓角。

5 互感器緩沖設(shè)計(jì)

從樹(shù)脂混合膠材料選擇、固化溫度及內(nèi)部構(gòu)件形狀方面考慮，措施在實(shí)際應(yīng)用中是有效的，但僅從這幾個(gè)方面采取措施，不能完全解決應(yīng)力引起的鐵心性能下降，造成誤差及勵(lì)磁特性變化的質(zhì)量問(wèn)題，也不能完全避免內(nèi)部出現(xiàn)開(kāi)裂的問(wèn)題。因此在互感器的器身和澆注絕緣之間設(shè)有緩沖層。

緩沖層材料的選擇沒(méi)有固定的方式，緩沖厚度可以通過(guò)試驗(yàn)的方法確定的。也可以通過(guò)計(jì)算確定，下面以微孔橡膠為基礎(chǔ)的緩沖層材料為例研究澆注絕緣電工產(chǎn)品中的最佳緩沖層厚度的計(jì)算方法：

環(huán)氧混合膠的總的線收縮率δ是由固化進(jìn)的化學(xué)線收縮率δx和冷卻到最低使用溫度時(shí)的溫度收縮率δT疊加的，并按下式確定：

X——體積化學(xué)收縮系數(shù)。

l——澆注件的最大線尺寸。

T2——混合膠的固化溫度。

T1——最低使用或試驗(yàn)溫度。

ak——混合膠的線膨脹系數(shù)。

as——澆注件的線膨脹系數(shù)。

為了使得環(huán)氧澆注體中不致產(chǎn)生危險(xiǎn)應(yīng)力，澆注件的緩沖層就有足夠的厚度、彈性和疏松度。由于環(huán)氧混合膠收縮，導(dǎo)致緩沖層體積壓縮，并使得其氣泡中的壓力P增加。氣泡中的壓力由澆注件及環(huán)氧混合膠承受，它首先應(yīng)小于混合膠的斷裂強(qiáng)度極限，其次不應(yīng)超過(guò)對(duì)壓縮敏感的澆注件的允許壓力。

可近視認(rèn)為包含在緩沖層中氣泡的排布是規(guī)律且均勻，即可得出緩沖層中氣泡在最大壓縮狀態(tài)下的總體積方程：

式中：

Pa——大氣壓力。

P——緩沖層氣泡中的最大允許壓力。

V——初始狀態(tài)下緩沖層中氣泡的總體積。

引用符號(hào)k=V0/V作為緩沖層疏松度系數(shù)，這里的V0是初始狀態(tài)下緩沖層所占有的體積，即可得出所需之緩沖層厚度：

在計(jì)算k時(shí)，用比重的比值代替了體積比值，亦即取：

例如：ρP——以丁基橡膠為基礎(chǔ)的再生橡膠的比重，取值：1.25g/cm2;

ρn——實(shí)驗(yàn)得出的微孔橡膠緩沖層的比重ρn=0.5～0.6g/cm2。

鐵心和一次繞組緩沖層氣泡中的最大允許壓力P是按不同方法計(jì)算的。對(duì)于鐵心，P值是鐵心的允許壓力P1與混合膠在澆注時(shí)的靜壓力P0之差P=P1-P0。

鐵心的允許壓力P1與鐵心的內(nèi)外、徑尺寸、高度及鐵心形狀有關(guān)，對(duì)于圓環(huán)形鐵心，內(nèi)外徑差越大其允許壓力越大，對(duì)于方形鐵心或長(zhǎng)孔鐵心其允許壓力較圓環(huán)形鐵心要小，例如：10KV真空澆注的支柱式結(jié)構(gòu)互感器，在鐵心外徑相同的情況下，大變比的鐵心內(nèi)徑較大，鐵心厚度相對(duì)較薄，相同工藝加工的產(chǎn)品，鐵心較薄的出現(xiàn)誤差及勵(lì)磁特性變差的幾率大;對(duì)于帶殼的鐵心則由外殼的允許壓力確定。

混合膠層的靜壓力由注型高度h和混合膠的比重ρK下式確定：

P0=ρKgh

緩沖設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到在一次繞組短路電流下一次繞組的急劇膨脹所需緩沖層厚度d計(jì)算公式：

公式（7）中，T3=273K;T4——在短路電流下一次繞組的最高發(fā)熱溫度。

取：樹(shù)脂混合膠體積化學(xué)收縮系數(shù)x=0.015;混合膠的線膨脹系數(shù)aK=35x10-6K-1;銅線膨脹系數(shù)，aM=17.5x10-6K-1;

以某電流互感器一次繞組長(zhǎng)度尺寸為200mm為例，考慮一次繞組短路狀態(tài)，及耐寒條件按公式（7）緩沖層所需厚度計(jì)算如下：

混合膠的最佳斷裂強(qiáng)度取P=0.3MPa，對(duì)應(yīng)于互感器耐寒性試驗(yàn)溫度取T1=233K，混合膠的澆注和固化溫度取T2=403K，T3=273K;T4——在短路電流下一次繞組的最高發(fā)熱溫度，取：T4=523K。

此計(jì)算實(shí)例僅是采用丁基微孔橡膠時(shí)的情況，當(dāng)采用其它緩沖材料時(shí)應(yīng)按具體材料壓縮狀態(tài)下的體積變化量來(lái)考慮，采用不同緩沖材料時(shí)，緩沖厚度是有差別的。常用的緩沖材料有皺紋紙、軟橡膠帶或橡膠板、發(fā)泡硅膠板、聚胺脂板、泡沫塑料等。

目前常用互感器澆注工藝主要有常壓澆注和真空澆注兩種，對(duì)常壓澆注的互感器緩沖材料可以采用皺紋紙。對(duì)真空澆注的電流互感器的緩沖材料在沒(méi)有封閉處理的情況下建議不采用皺紋紙作緩沖材料，因?yàn)檎婵諠沧顟B(tài)下，環(huán)氧樹(shù)脂容易滲入皺紋紙，固化后皺紋紙與樹(shù)脂固為一體，起不到緩沖作用。緩沖材料可以選用軟橡膠帶或橡膠板、發(fā)泡硅膠板、聚胺脂板、泡沫塑料等，需要考慮真空澆注后恢復(fù)常壓過(guò)程中緩沖材料的微氣孔不應(yīng)被樹(shù)脂膠填充而導(dǎo)致緩沖失效，在設(shè)計(jì)緩方案時(shí)應(yīng)考慮緩沖的密封，避免樹(shù)脂填充微氣孔[2]。采用軟橡膠帶或橡膠板做為緩沖材料時(shí)，由于緩沖材料是實(shí)體的，壓縮狀態(tài)下的體積變化量不大，因此緩沖層的厚度要設(shè)計(jì)得略大一些。

緩沖材料要求柔軟、有彈性，在較高溫度下不變硬，緩沖量應(yīng)能補(bǔ)償樹(shù)脂固化的收縮量及產(chǎn)品加工及運(yùn)行過(guò)程的高低溫金屬構(gòu)件產(chǎn)生熱脹冷縮的尺寸變化量，以保證產(chǎn)品不產(chǎn)生裂紋甚至開(kāi)裂。緩沖層的厚度既要考慮緩沖材料的彈性，還要考慮構(gòu)件尺寸，包括斷面尺寸及輪廓尺寸，尺寸越大緩沖厚度應(yīng)越大，而且各個(gè)方位所加的緩沖層的輪廓大小應(yīng)略大于構(gòu)件的輪廓。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了澆注互感器的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生原因，從澆注材料及固化工藝方面采取的澆注互感器防開(kāi)裂措施，互感器內(nèi)部構(gòu)件的形狀設(shè)計(jì)成圓弧形狀或圓角可以消除應(yīng)力集中，重點(diǎn)介紹了互感器的緩沖設(shè)計(jì)。筆者認(rèn)為互感器緩沖的合理設(shè)計(jì)是防開(kāi)裂和防鐵心性能下降的重要措施，能有效提升產(chǎn)品合格率以及提高運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性及使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1] 肖耀榮.澆注互感器緩沖層最佳厚度的計(jì)算[J].變壓器，1986（04）：30.

[2] 李北光.氧樹(shù)脂澆注互感器開(kāi)裂原因及預(yù)防措施[J].變壓器，1994（11）：45.