樹脂澆注互感器的防開裂措施及緩沖設計

宋仁豐 管永秋 高 琦

（大連北方互感器集團有限公司，遼寧 大連 116299）

1 概述

目前國內澆注式互感器基本選用環氧樹脂和不飽和樹脂，樹脂在固化過程中會產生一定的縮比，通常不飽和樹脂的固化收縮率大于環氧樹脂的固化收縮率，樹脂混合膠固化過程中會產生一定應力，在應力作用下，互感器內部會出現裂紋，嚴重時產生開裂現象；若樹脂固化的收縮應力作用到鐵心上，將使鐵心導磁性下降，影響產品誤差或勵磁性能。

互感器的器身是由一次繞組、二次繞組及其它金屬構件組成的，考慮產品運行發熱，尤其是短路狀態下突然升至高溫膨脹。為了減小澆注式互感器固化過程中的收縮應力及運行時溫度變化引起的應力，在互感器設計時，需在器身和澆注絕緣之間加緩沖層。

2 樹脂澆注互感器的內應力計算及開裂原因

澆注件中的內應力可按材料力學基本公式（應力=形變X 模量）進行計算和分析：

σ內——內應力。

ΔLS——樹脂固化收縮時形變量。

ΔLα——樹脂與內部制件線膨脹系數之間差異產生的形變量。

Er——樹脂彈性模量。

ak——樹脂線膨脹系數。

as——樹脂內部制件膨脹系數。

T2——樹脂固化反應時溫度。

T1——最低使用或試驗溫度。

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均與樹脂混合料的收縮系數不同，有些材料幾乎差一個數量級，在樹脂澆注及固化過程中，經過加熱——樹脂混合料反應放熱——固化——冷卻過程。在熱狀態下，由于強烈的交聯，樹脂混合料會放出更多的熱量，在澆注體冷卻到常溫的過程中，加劇了制件的膨脹、收縮，在澆注件內部產生較大的內應力，這些內應力的存在是導致澆注件開裂的根本原因，特別是尺寸較大的澆注互感器，由于體積較大，產品收縮不均勻，輕則在制件內產生輕微缺陷，或不規則輕微裂紋，輕微裂紋會給互感器造成隱患，導致互感器局部放電量超標；重則會在澆注件冷卻后的一段時間里直接產生貫通性開裂，這種開裂導致絕緣破壞，工頻耐壓擊穿，使整臺產品報廢[1]。

從公式（1）看澆注互感器內應力的產生主要有5 方面原因：

1.樹脂固化收縮形變量ΔLS引起的內應力。

2.樹脂與內部制件線膨脹系數差異產生的內應力ΔLαEr，表現為澆注體在冷熱循環、短時熱電流試驗、長期運行時發熱產生的內應力。

3.樹脂配方體系彈性差，樹脂模量Er 大，產生內應力大。

4.澆注體尺寸越大，樹脂層的厚度尺寸差異越大，ΔLS和ΔLα值差異越大，產品內應力越大。

5.樹脂耐熱性差，在高溫或低溫條件下喪失彈性和機械強度。使Er 發生變化導致應力變化。

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裂措施，其目的均為使澆注體產生的內應力盡量小或盡量被吸收，從而提高澆注體的耐開裂性。

3.1 澆注材料選擇

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

1.選擇放熱量低的樹脂或固化劑，保證澆注件在長期運行時仍有彈性。

2.提高樹脂填料比例。填料的作用除提高澆注件的耐熱性、耐寒性、耐磨性和導熱性外，降低澆注件的收縮率和熱膨脹系數，減少樹脂混合料與內部制件熱膨脹系數差異。樹脂粘度一定的情況下多加入填料，穩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，其線膨脹系數較小。

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

5.適當加入增韌劑量或活性增韌劑。但過多加入會影響材料耐熱性能。

3.2 固化溫度的控制

1.樹脂混合料通過溫度控制固化速度，較低溫度下進爐預膠化，通過階梯升溫再固化。

2.控制冷卻速度。澆注體經固化、熟化反應后緩慢冷卻。

4 互感器內部構件的形狀要設計成分散應力的尺寸形狀

澆注體內的一次繞組、二次繞組及定位支架等構件的形狀最好設計成圓弧形狀，內制件尖角、銳棱都要加工成圓角。

5 互感器緩沖設計

從樹脂混合膠材料選擇、固化溫度及內部構件形狀方面考慮，措施在實際應用中是有效的，但僅從這幾個方面采取措施，不能完全解決應力引起的鐵心性能下降，造成誤差及勵磁特性變化的質量問題，也不能完全避免內部出現開裂的問題。因此在互感器的器身和澆注絕緣之間設有緩沖層。

緩沖層材料的選擇沒有固定的方式，緩沖厚度可以通過試驗的方法確定的。也可以通過計算確定，下面以微孔橡膠為基礎的緩沖層材料為例研究澆注絕緣電工產品中的最佳緩沖層厚度的計算方法：

環氧混合膠的總的線收縮率δ 是由固化進的化學線收縮率δx和冷卻到最低使用溫度時的溫度收縮率δT疊加的，并按下式確定：

X——體積化學收縮系數。

l——澆注件的最大線尺寸。

T2——混合膠的固化溫度。

T1——最低使用或試驗溫度。

ak——混合膠的線膨脹系數。

as——澆注件的線膨脹系數。

為了使得環氧澆注體中不致產生危險應力，澆注件的緩沖層就有足夠的厚度、彈性和疏松度。由于環氧混合膠收縮，導致緩沖層體積壓縮，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氧混合膠承受，它首先應小于混合膠的斷裂強度極限，其次不應超過對壓縮敏感的澆注件的允許壓力。

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

式中：

Pa——大氣壓力。

P——緩沖層氣泡中的最大允許壓力。

V——初始狀態下緩沖層中氣泡的總體積。

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

在計算k 時，用比重的比值代替了體積比值，亦即取：

例如：ρP——以丁基橡膠為基礎的再生橡膠的比重，取值：1.25g/cm2；

ρn——實驗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 是按不同方法計算的。對于鐵心，P 值是鐵心的允許壓力P1與混合膠在澆注時的靜壓力P0之差P=P1-P0。

鐵心的允許壓力P1與鐵心的內外、徑尺寸、高度及鐵心形狀有關，對于圓環形鐵心，內外徑差越大其允許壓力越大，對于方形鐵心或長孔鐵心其允許壓力較圓環形鐵心要小，例如：10KV 真空澆注的支柱式結構互感器，在鐵心外徑相同的情況下，大變比的鐵心內徑較大，鐵心厚度相對較薄，相同工藝加工的產品，鐵心較薄的出現誤差及勵磁特性變差的幾率大；對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：

緩沖設計應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 計算公式：

公式（7）中，T3=273K；T4——在短路電流下一次繞組的最高發熱溫度。

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

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

混合膠的最佳斷裂強度取P=0.3MPa，對應于互感器耐寒性試驗溫度取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熱溫度，取：T4=523K。

按公式：k=ρP/（ρp-ρn）

式中ρP——以丁基橡膠為基礎的再生橡膠的比重，取值：1.25g/cm2；

ρn——實驗得出的微孔橡膠緩沖層的比重ρn=0.51g/cm2。

計算k=1.69。

則緩沖層厚度：d=200×1.69[1-(1-0.015)1/3+（403-273）（35-17.5）×10-6+（523-273）×17.5×10-6]/2[1-1.01×105×273/（3×105×523）]≈2.4mm

此計算實例僅是采用丁基微孔橡膠時的情況，當采用其它緩沖材料時應按具體材料壓縮狀態下的體積變化量來考慮，采用不同緩沖材料時，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，對常壓澆注的互感器緩沖材料可以采用皺紋紙。對真空澆注的電流互感器的緩沖材料在沒有封閉處理的情況下建議不采用皺紋紙作緩沖材料，因為真空澆注狀態下，環氧樹脂容易滲入皺紋紙，固化后皺紋紙與樹脂固為一體，起不到緩沖作用。緩沖材料可以選用軟橡膠帶或橡膠板、發泡硅膠板、聚胺脂板、泡沫塑料等，需要考慮真空澆注后恢復常壓過程中緩沖材料的微氣孔不應被樹脂膠填充而導致緩沖失效，在設計緩方案時應考慮緩沖的密封，避免樹脂填充微氣孔[2]。采用軟橡膠帶或橡膠板做為緩沖材料時，由于緩沖材料是實體的，壓縮狀態下的體積變化量不大，因此緩沖層的厚度要設計得略大一些。

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

6 結語

本文介紹了澆注互感器的內應力產生原因，從澆注材料及固化工藝方面采取的澆注互感器防開裂措施，互感器內部構件的形狀設計成圓弧形狀或圓角可以消除應力集中，重點介紹了互感器的緩沖設計。筆者認為互感器緩沖的合理設計是防開裂和防鐵心性能下降的重要措施，能有效提升產品合格率以及提高運行的穩定性、可靠性及使用壽命。