影響中低壓絕緣制品局部放電的因素分析

◎陳曉麗 盧健 王瑞 唐猛 王海燕

目前，國內加工制造該類產品多采用環氧樹脂自動壓凝膠成型（The Automatic Pressure Gelation，APG）技術成型。利用該技術成型的絕緣制品具有良好的尺寸穩定性和極高的機械強度，在中低壓開關柜中應用廣泛。該類絕緣制品由環氧樹脂固化物作為絕緣材料，將真空滅弧室、出線座、一次導電桿、二次線圈等導電及連接部件封裝為一體，具有絕緣強度高、機械性能好、防火、防潮等特點。對于中低壓絕緣制品，影響局部放電的因素較多，主要包括產品結構設計、產品模具設計、絕緣材料選用、加工工藝制定和最終的產品外觀處理。

一、產品結構設計

進行產品局部放電試驗時，隨著電壓升高，電極之間電場強度逐步增加，在電荷集中部位，逐步發生放電現象，開始時特別小，當試驗電壓超過某個點時，局部放電逐步增大，電壓逐漸減小時，局部放電仍然存在，但當電壓降至影響局部放電的熄滅電壓時，局部放電急劇降低，直至降至5 p C以下。國標對該類產品的局部放電量均有要求，現有文獻也對部分產品有分析，只要保證材料的熄滅電壓高于標準中規定的局部放電試驗時的電壓，就能保證產品在多數情況下不會發生局部放電超標的問題。因此，理想情況下，一般盡可能增加絕緣材料的厚度，從而有效提高絕緣材料耐受電壓的能力。按照常用雙酚A型環氧樹脂的電氣絕緣強度計算，結合實際的試驗及生產經驗等，一般應至少保證8 mm以上的絕緣層厚度。

另外對于絕緣制品內部的導電部件，還應盡可能增大其邊緣部位的曲率，避免出現尖端放電、應力集中等問題的發生。澆注式互感器結構如圖1、圖2所示。

圖1 澆注式互感器結構示意圖1

圖2 澆注式互感器結構示意圖2

如果導電部件有特殊的凹陷、無法避免的尖端等問題，應在該部位進行特別處理，如增加屏蔽措施，或用同樣材質的金屬材料進行封堵等方法改善該位置周圍的電場均勻性。如果產品內部有較大尺寸的金屬件、非金屬件等收縮率比環氧樹脂小很多的部件，還需根據環氧樹脂材料收縮率在其表面設計相應厚度的緩沖層，因為環氧樹脂的收縮會在該類部件表面形成比較大的應力層，甚至形成裂縫，常見緩沖材料的有液態或固態硅橡膠、自粘帶等。一般的計算公式為：

在進行產品設計之初，就應避免在高壓與低壓之間形成懸浮導電部位，較可靠的方式是將其設計成與高電位或低電位連接的方式，一般常用金屬線或金屬網等進行導體連接，從而形成等電位。

二、產品模具設計

APG工藝是指在一定壓力下將環氧樹脂混合料注射進較高溫度的模具中，發生聚合反應最后固化成型的過程。在注射過程中，會不同程度的裹進較多的空氣。因此對于該類產品使用的模具應在合適的位置設計排氣槽以增加排氣，常見的形式是將其設計在模具上部以及內部元器件容易憋氣的地方，對于高度方向尺寸較大的產品還應在高度方向設計排氣槽。另外模具的注料嘴位置應盡可能設計在模具底部，因混合料的溫度低于模具的溫度，設計在底部能夠避免注料通道因固化而堵塞，影響補縮，如特殊原因不能設計在底部，也應盡量設計在模具側面下方的位置。

1.APG工藝原理。

金屬嵌件裝模后，將模具溫度予熱到比環氧樹脂混合料的溫度高80～100℃即達到140～160℃。然后通過APG設備的加壓系統，將貯料罐內的環氧樹脂混合體系（已經過真空脫泡處理）通過管道壓入模腔內，使環氧樹脂混合體系與模具的高溫模壁發生快速的熱交換。由于，靠近模壁的環氧樹脂混合料短時內達到高溫狀態，從而導致環氧樹脂混合料從模具壁附近開始迅速發生固化反應而凝膠化，并向模壁發生固化體積收縮。環氧樹混合料的固化收縮部分即由模腔中心，仍處于壓力下的液態的環氧樹脂混合料來快速補充。整個模腔內的環氧樹脂混合料的凝膠收縮，則由貯料罐內加壓的環氧樹脂混合料來加以恒定的補充。直到整個模腔內的環氧樹脂混合料全部凝膠化后，整個系統才解除壓力。

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環氧樹自動壓力凝膠工藝（APG）技術的獨特之處是，通過連續的對環氧樹脂混合料加以恒定的壓力；達到強制補充固化收縮的目的。這一過程是在很高溫度的模具內完成的，從而使高反應活性的環氧樹脂混合料在短時間內迅速凝膠化。因此，制品表面無缺陷，內應力較低，固化物致密、一致性好，尺寸精度高，機電性能優異，產品合格率高。由于凝膠化時間一般在幾分鐘至幾十分鐘（根據模具大小而不同）內完成，可大大提高模具利用率，縮短生產周期。由于，APG工藝是在一個整體密閉的系統裝置中進行的，對環境污染，節省能源、節省工時。

2.APG工藝基本特點。

環氧樹脂混合料在室溫條件下（25℃）其系統的適用期為1～2天，在40℃～45℃下適用期為6～8小時；而在高溫條件（140～160）下該配方體系則是高反應活性的，在短時內即快速凝膠，以可靠的設備和工藝參數加以控制和保證。制品的模具溫度高于環氧混合料體系的溫度約80～100℃左右，使固化反應的凝膠過程，自模具壁開始向中間環氧樹脂混合料擴散。在整個環氧樹脂體系固化反應的凝膠過程中，保持混合料的壓力，使環氧樹脂混合料體系在恒定的壓力下擠入模腔，對補充體系在凝膠過程中的體積收縮而形成的空隙。

另外在進行模具設計時也應考慮到材料的固化收縮，一般環氧樹脂材料的收縮率按0.1%～0.8%設計，模具的內腔尺寸應留出產品的收縮量。

三、絕緣材料選用

絕緣制品常見的絕緣材料主要有環氧樹脂、尼龍、硅橡膠等，本文主要分析雙酚A型環氧樹脂材料。環氧樹脂混合料主要是由環氧樹脂、固化劑、填料、色粉等混合制成。常見的填料主要是硅微粉，色粉是氧化鐵粉末，這兩種材料易吸潮，吸潮的材料混進去容易出現混料不均勻，易形成小的起泡等問題，且水分在高溫下容易汽化形成氣泡。環氧樹脂的介電常數相比空氣要大的多，空氣的耐電強度僅為環氧樹脂材料的1/10，因此材料中如果有氣泡將很大可能發生局部放電現象。一般混料前需將該兩種材料進行充分的烘干，烘干后應立即使用，避免再次的返潮。另外因環氧樹脂材料的粘度較大，材料還應進行充分的脫氣，一般情況下脫氣完成后還應放置一段時間觀察是否有氣泡返出。

絕緣制品用環氧樹脂體系的性能參數要求如下表：

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環氧樹脂混合物應保證配比正確，不正確的配比會影響材料的機械及電氣性能。加料過程中應避免引入雜質、金屬顆粒等異物，該類物質也會在產品內部形成放電點。

絕緣制品成型工藝要求，澆注成型過程需在（120～160）℃的高溫下進行，其內部使用的緩沖材料、屏蔽材料及其他防護或支架等應能保證在該溫度下加熱（10～18）h不發生變性等。常規的工藝要點如下：

（1）當室溫低于20℃時，環氧樹脂需要提前一晚上預熱。

（2）按照順序倒入混料罐中，一般為環氧樹脂、硅微粉、色粉、固化劑。

（3）先用手動攪拌，等到硅粉基本溶入，再開始低速攪拌。

（4）當停止攪拌時，若混料表面仍有氣泡上返，則應適當延長脫氣時間，直至基本上不見氣泡為止。

因內部元器件與環氧樹脂材料的收縮率不同，容易在不同種材料的界面上形成因收縮不一致而產生的縫隙等問題。目前對于金屬部件一般采用噴砂、滾花等方式增加與環氧樹脂材料的結合面積，增大結合力，特殊的還會在金屬表面通過刷粘接劑的方式來提高與絕緣材料的粘接力。其他的如固封極柱內部的真空滅弧室，其表面一般采用硅橡膠作為緩沖層，因較大尺寸的硅橡膠與環氧樹脂也會出現粘接力不強的情況，一般通過將硅膠層表面打毛并涂粘接劑的方式提高硅橡膠層與環氧樹脂混合料的結合力，從而避免在該部位形成明顯的放電通道。我們曾經有一批固封極柱產品就是在硅橡膠與環氧樹脂的界面上形成了比較長的放電通道，通過采用該方法有效解決了該問題。

對于互感器產品，因其內部的一次導電桿與二次線圈表面均制作有屏蔽層，該屏蔽層多采用半導電皺紋紙、半導電自粘帶等材料，在進行包繞或裝配過程中，屏蔽層容易出現翹起、破損、斷裂等問題，如不對這些缺陷進行處理，最終產品會在屏蔽層處發生尖端放電，嚴重的屏蔽層不能起到作用。對于其他采用銅、鋁或鋼制成的金屬網作為屏蔽罩的，屏蔽罩在制作過程中也應在去除尖角、毛刺、焊渣等。

四、加工工藝制定

APG工藝相比真空澆注工藝，模具溫度較高，在高溫下，環氧樹脂材料的粘度降低，有助于氣體的排出，一般情況下，注料速度越慢也有助于氣體的排出，但是因環氧樹脂材料有凝膠時間的要求，一般需在發生凝膠反應之前將模具內部注滿。因此應根據產品的不同，合理控制注料速度，在凝膠反應發生之前，盡可能緩慢注料，調整方法是控制注料壓力，一般是注料壓力先增大再減小，隨后再逐步增大。

環氧樹脂的固化過程同時伴隨著收縮，因此在發現產品注滿模具后應緩慢增加注料壓力直至較大的水平，從而保證混合料在材料逐步固化的過程中能隨時補充產品的收縮，避免在產品內外部形成比較大的缺陷。補縮過程壓力會略有下降，應注意補充壓力。

另外除了模具需要較高的溫度外，內部的元器件及模具配件也應提前進行預熱，因模具與元器件件溫度不同時也會引起材料收縮比不一致，最終形成裂縫等缺陷。如互感器內部的器身、固封極柱內部的真空滅弧室及出線座等，均應提前用烘箱等進行預熱處理。

裝模時，應避免因工具或手套等引入雜質及脫模劑等，盡可能快速地將元器件裝配模具上，以減少配件熱量的散失，一般應控制在30min以內完成裝模工作。裝模后如圖3示意。

圖3 元器件安裝后示意圖

脫模過程中，應避免產品因磕碰造成的內應力及損傷，將模具配件拆卸完成后，迅速將產品送入固化爐進行二次固化，二次固化應遵循先高溫12h再隨爐冷卻降溫的過程，確保二次固化過程中產品內應力能緩慢釋放。該過程中尺寸較大的產品還會發生較為明顯的尺寸變形，應注意對產品外形及安裝尺寸的影響。

絕緣制品的加工參數如表2要求：

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常規的加工工藝要點如下：

（1）打開進氣閥，調整注射壓力，然后關閉進氣閥，待看到有混合料流出，便點擊注射，開始注料，待達到注滿時間后，再次打開進氣閥，使壓力達到保壓壓力。待保壓結束后，先將注料小車上的放氣閥打開，待壓力降至0后，先使模具卸壓，點擊按鈕將下抽芯后退，再點按鈕退出動模。

（2）注射過程應重點監控：需要監控成型機的保壓狀態，避免出現設備突然不參與保壓、模具滲料等情況。同時也需要觀察模具溫度的加熱系統是否正常，出現問題時應及時反應。

五、產品外觀處理

中低壓絕緣制品進行局部放電試驗前需進行外觀的打磨處理，處理后產品應無尖端毛刺，螺紋孔無樹脂等雜物殘留，高壓及低壓側的導電部件表面無飛邊等。試驗前需要檢查接地線是否可靠接地，接地線自身的毛刺等也會對局部放電試驗有較大影響，屏蔽筒的屏蔽層應完整。部分產品進行局部放電試驗時可能略有超差，此時應檢查低壓部位是否可靠接地，部分產品的也可能是表面未處理干凈或有毛刺等，應注意檢查。

綜上所述，對于中低壓絕緣制品，影響局部放電的因素較多，在設計好產品的結構和模具的結構后，還應通過多種措施及方法控制產品的過程工藝以及后處理過程，試驗前也要做好外觀檢查工作，最終才能確保產品的局部放電量符合國標的要求。